Seja a figura abaixo, onde chegam e saem correntes ao nó A. Seguiremos o
padrão de correntes estabelecidos pela literatura técnica:
terão valores POSITIVAS as correntes que saem do nó, e valores NEGATIVAS
as correntes que entram no nó.
Vemos na Figura 13-01 que as correntes I1 e I4chegam ao nó,
portanto valores negativos. E as correntes I2 e I3saem do nó,
logo, valores positivos. Desta forma, podemos escrever a equação que define o comportamento
das correntes para o nó A. Veja a equação abaixo.
eq. 13-01
Então, vamos enunciar a lei dos nós da seguinte maneira:
Na Figura 13-02 vemos um circuito com três fontes de corrente. Repare que
as correntes das fontes de 14 e 32 A chegam ao nó e1,
enquanto que a corrente da fonte de 4 A sai do nó. Logo, somando
algebricamente as correntes encontramos o valor de 42 A.
Isto significa que poderíamos substituir as três fontes de corrente por uma única
de valor igual a 42 ampére, apontando para cima.
De posse desse dado, facilmente calculamos o valor de e1.
Basta fazer o paralelo das resistências de 3 e 6 ohms. Efetuando o cálculo
encontramos o valor de 2 ohms. Portanto, aplicando a lei de Ohm ao circuito,
temos e1 = 2 x 42 = 84 volts.
A lei das Malhas trata das quedas de tensões entre os diversos componentes que
formam um circuito fechado ou um laço. Assim:
Na Figura 13-03, vemos um circuito com quatro fontes de tensão, as quais formam
um circuito série e um laço fechado com a resistor de 3 ohms.
Repare que três fontes estão com a polaridade positiva apontando para o ponto a.
Portanto, podemos somar o valor destas três fontes resultando em 40 volts. E a fonte
de 10 volts aponta em sentido contrário. Neste caso, devemos subtraí-la do
resultado anterior, encontrando um valor de 30 volts.
Como resultado final, encontramos uma fonte única de valor igual a 30 volts.
Com este valor, aplicando a lei de Ohm ao circuito, encontramos a corrente
elétrica que circula pelo mesmo, ou seja, I = 30 / 3 = 10 ampère. Desta forma,
sobre o resistor temos uma queda de tensão Vab = 30 volts. Note
que esta tensão tem polaridade oposta à da fonte de tensão. Portanto, somando algebricamente os dois
valores encontramos zero como resultado. Ou seja, totalmente de acordo com a lei das malhas.
Um super-nó fica caracterizado quando existe uma fonte de tensão
interligando dois nós. Neste caso, como não sabemos como determinar a
corrente que passa pela fonte de tensão, então aplicamos a lei dos nós
para os dois nós como se fossem um só.
Na Figura 13-04 vemos um circuito com uma fonte de tensão interligando os
nós a e b. Vamos analisar estes nós, fazendo as equações das correntes
que chegam e saem de cada nó.
Inicialmente, vamos escrever a equação para o nó a.
iab + iy - ix = 0 ⇒
iab = ix - iy
E para o nó b podemos escrever:
ik - iab - 10 = 0 ⇒
iab = ik - 10
Vemos claramente que temos duas equações relacionando iab com as
outras correntes. Assim, igualando as mesmas, temos:
ik - 10 = ix - iy ⇒
ik + iy - ix - 10 = 0
Agora, repare que se fizermos a equação do nó, considerando os nós a e b como se
fosse um único nó, conseguiríamos a mesma equação anterior. Isso significa que quando temos
uma fonte de tensão interligando dois nós, podemos considerá-los como um só. Isso é o que
chamamos de SUPER NÓ.
Porém, não esqueça que a tensão entre eles são diferentes. No nosso caso, há uma
diferença de potencial de 15 volts entre eles.
Uma super-malha fica caracterizada quando existe uma fonte de corrente
interligando duas malhas. Assim, reduzimos de duas malhas para uma única,
ignorando a fonte de corrente. Caso a fonte de corrente esteja na periferia do circuito,
devemos ignorar a malha à qual a fonte de corrente pertença.
Veja na Figura 13-05 um circuito onde temos uma fonte de corrente na
periferia do circuito. Repare que a corrente I1 é o próprio
valor da fonte de corrente. Então, podemos nos concentrar somente nas outras
duas malhas, encontrando duas equações a duas incógnitas, sistema este de fácil
solução.
Resolvendo o sistema encontramos I1 = 2 A,
I2 = 0,68 A e I3 = 3 A. Para tanto,
utilizamos as equações abaixo:
- 10 I1 - 15 I2 + 30 I3 = 60
25 I2 - 15 I3 = - 28
Não esqueça que na primeira equação conhecemos o valor de I1 = 2 A.
Logo, podemos simplificar o sistema para duas equações a duas incógnitas, como foi dito acima.
Para construirmos as equações de um circuito utilizando as leis de Kirchhoff,
tomemos como exemplo o circuito mostrado na Figura 13-06.
Perceba que este circuito possui três malhas. Isto nos leva a concluir que para
solucionar este circuito devemos construir um sistema de três equações a três incógnitas.
Para tanto, vamos começar pela malha que contém a corrente I1. Vamos
lembrar que devemos seguir a convenção estabelecida referente a polaridade das tensões.
Neste caso vamos partir do ponto de terra.
Passando pela fonte de tensão de 20 volts (de baixo para cima) temos o sinal
menos indicando a polaridade da fonte. Logo, para a fonte usaremos o valor de - 20.
Seguindo a seta no sentido horário, encontramos o resistor de 5 ohms. Como a corrente
I1 entra pelo lado esquerdo do resistor, isto origina um sinal positivo
relativo a queda de tensão sobre ela. O mesmo acontece com o resistor de 10 ohms.
Então, devido somente a I1, temos
5 I1 + 10 I1 = 15 I1. Por outro lado,
repare que a corrente I2 circula sobre o resistor de
10 ohms em sentido contrário à I1. Isto ocasionará uma queda
de tensão com polaridade oposta. Logo, temos - 10 I2. E por fim, usando a mesma
linha de raciocínio em relação a
I3, temos - 5 I3.
De posse de todas essas informações, podemos escrever a equação referente somente à malha
I1. Observe o sinal positivo na parcela de I1 e o sinal
negativo nas parcelas referentes a I2 e I3.
- 20 + 15 I1 - 10 I2 - 5 I3 = 0
Devemos proceder da mesma maneira para as correntes I2 e I3
a fim de encontrarmos as três equações que necessitamos para solucionar o problema.
Na malha referente a I2 não temos fonte de tensão. Logo, a parcela referente a
ela será zero. Partindo do terra, a corrente sobe pelo resistor de 10 ohms originando
um sinal positivo da queda de tensão sobre esse resistor. O mesmo acontece com os outros dois
resistores que compõem a malha de I2. Dessa forma, temos a parcela
15. I2. Por outro lado,
repare que a corrente I1 circula sobre o resistor de
10 ohms em sentido contrário à I2. Isto ocasionará uma queda
de tensão com polaridade oposta. Logo, esta parcela será - 10 I1. E finalmente,
para I3 temos a mesma situação de I1, ou seja, a corrente
circula em sentido contrário originando a parcela - 4. I3. Assim, a equação
completa é:
- 10 I1 + 15 I2 - 4 I3 = 0
Mais uma vez, observe o sinal positivo na parcela de I2 e o sinal
negativo nas parcelas referentes a I1 e I3.
Agora vamos escrever a equação para a última malha, ou seja, referente a I3.
Partindo do ponto a temos o resistor de 6 ohms. A queda de tensão sobre este
resistor será de +6 I3. O mesmo acontecerá para os outros dois resistores que
estão na malha de I3. Logo, a parcela será + 15. I3. E como nos
dois casos anteriores, teremos as parcelas -5 I1 e -4. I2. Não
vamos esquecer de acrescentar a fonte de tensão de + 10 volts. Então, a equação será:
+ 10 - 5 I1 - 4 I2 + 15 I3 = 0
Rearranjando as equações obtemos o seguinte sistema de três equações a três incógnitas.
15 I1 - 10 I2 - 5 I3 = 20
- 10 I1 + 15 I2 - 4 I3 = 0
- 5 I1 - 4 I2 + 15 I3 = - 10
Resolvendo
esse sistema em um software como o "Octave" encontramos os seguintes valores para as correntes
do circuito.
I1 = 3,5233 A
I2 = 2,6744 A
I3 = 1,2209 A
Aqui tentamos mostrar como montar o sistema de equações a partir do circuito. Para circuitos com no
máximo três malhas é possível resolver o sistema com os métodos tradicionais, tais como, regra de Cramer,
por substituição de variáveis, etc ... Porém, para sistemas com mais de três malhas devemos usar um
programa de computador que facilite encontrar a solução, pois tentar a solução de um sistema desses "à mão"
é extremamente trabalhoso e demorado.
Este teorema estabelece a relação de potência em um circuito elétrico. É válido para circuitos DC, bem como para circuitos AC.
Cabe ressaltar que este teorema é válido para todo circuito que obedece as leis de tensão e corrente de Kirchhoff. O enunciado do teorema
é o seguinte:
"A soma algébrica das potências envolvida em todos os ramos de um circuito, em qualquer instante, é sempre igual a zero."
eq. 13-02
Esse teorema pode ser escrito matematicamente como mostra a eq. 13-02 acima. Na aba problemas há vários problemas onde
é solicitado fazer um balanço de potência. Isso é feito aplicando-se o teorema de Tellegen.