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Circuito LC. Oscilaciones libres

El equivalente mecánico del circuito LC son las oscilaciones de un sistema formado por una masa puntual unida a un muelle perfectamente elástico. El equivalente hidráulico es un sistema formado por dos vasos comunicantes.

En primer lugar, estudiamos las oscilaciones que se producen en un circuito LC

En la figura de la derecha, se muestra el circuito cuando el condensador se está descargando, la carga q disminuye y la intensidad i aumenta. La fem en la bobina se opone al incremento de intensidad.

La ecuación del circuito es

Vab+Vba=0

Como i=-dq/dt, ya que la carga q disminuye con el tiempo, llegamos a la siguiente ecuación diferencial de segundo orden

Esta es la ecuación diferencial de un Movimiento Armónico Simple (M.A.S.) de frecuencia angular propia o natural

Carga:

La solución de la ecuación diferencial es

q=Q·sen(0t+ ),

donde la amplitud Q y la fase inicial  se determinan a partir de las condiciones iniciales, la carga del condensador q0 y la intensidad de la corriente eléctrica en el circuito i0 en el instante inicial t=0.

Intensidad:

Derivando la expresión de la carga q obtenemos la intensidad i

i=dq/dt=Q·0 ·cos(0t+ )

Energía:

La energía del circuito en el instante t es la suma de la energía del campo eléctrico en el condensador y la energía del campo magnético en la bobina.

Se puede fácilmente comprobar que la suma de ambas energías es constante e independiente del tiempo.

1

2

3

4

Las figuras representan el estado del oscilador cada cuarto de periodo.

En un instante inicial el condensador está completamente cargado con una carga Q. Toda la energía está acumulada en el condensador en forma de campo eléctrico.

El condensador se empieza a descargar, la intensidad aumenta, en la bobina se produce una fem autoinducida que se opone al incremento de intensidad. Al cabo de un cuarto de periodo, se alcanza la intensidad máxima i=Q·0

La intensidad empieza a disminuir, en la bobina se produce una fem que se opone a que la intensidad disminuya. El condensador se empieza a cargar, el campo en el condensador cambia de sentido. Al cabo de un cuarto de periodo más, el condensador ha adquirido la carga máxima Q, y la intensidad en la bobina se ha reducido a cero.

Ahora comienza de nuevo a descargarse el condensador, la intensidad aumenta, el campo en la bobina cambia de sentido. Al cabo de un cuarto de periodo más, la intensidad alcanza su valor máximo (en valor absoluto).

La intensidad decrece, el condensador empieza a cargarse, el campo eléctrico en el condensador cambia de sentido. Al cabo de un cuarto de periodo más, se ha alcanzado la situación inicial de partida.

Circuito LCR. Oscilaciones amortiguadas.

Las oscilaciones libres no se producen en un circuito real ya que todo circuito presenta una resistencia.

En la figura de la derecha, se muestra el circuito cuando el condensador se está descargando, la carga q disminuye y la intensidad i aumenta. La fem en la bobina se opone al incremento de intensidad.

La ecuación del circuito es

Vab+Vbc+Vca=0

Como i=-dq/dt, ya que la carga q disminuye con el tiempo, llegamos a la siguiente ecuación diferencial de segundo orden

La solución de la ecuación diferencial de las oscilaciones amortiguadas es

donde la amplitud Q y la fase inicial  se determinan a partir de las condiciones iniciales, la carga del condensador q0 y la intensidad de la corriente eléctrica en el circuito i0 en el instante inicial t=0.

En las oscilaciones amortiguadas, la amplitud disminuye exponencialmente con el tiempo. La carga máxima del condensador va disminuyendo. La energía del sistema disminuye debido a que se disipa en la resistencia por efecto Joule.

Se presentan dos casos particulares:

Cuando  =0, entonces la frecuencia de la oscilación  =0, se denomina oscilación crítica

Cuando  >0, entonces la frecuencia de la oscilación  es un número imaginario, y se denomina oscilación sobreamortiguada.

Es fácil encontrar las relaciones que debe cumplir la capacidad C, resistencia R, y autoinducción L del circuito, para que se presenten los distintos casos de oscilación

Amortiguadas

Críticas

Sobreamortiguadas

Circuito LCR conectado a un fem alterna. Oscilaciones forzadas

Las oscilaciones amortiguadas desaparecen al cabo de cierto tiempo, para mantener la oscilación en el circuito podemos conectarla a una fem alterna de frecuencia  .

La ecuación del circuito es

Vab+Vbc+Vcd+Vda=0

Como i=-dq/dt, si la carga q disminuye con el tiempo, llegamos a la siguiente ecuación diferencial de segundo orden

Oscilaciones Eléctricas

Circuito LC

El equivalente mecánico del circuito LC (L: Inductancia, C: Capacitancia) son las oscilaciones de un sistema masa-resorte.

En primer lugar, se estudiará las oscilaciones que se producen en un circuito LC (Figura 1),

La diferencia de potencial entre las placas de un condensador es igual a,

Para aplicar la ley de Kirchoff de las mallas, es necesario adoptar una convención para el signo de esta diferencia de potencial. Para comprender esto, se debe pensar que es claro que transportar una carga positiva desde la terminal negativa a la terminal positiva debe representar un aumento en la energía potencial del circuito, es decir la diferencia de potencial es positiva. Recorrer el condensador en la dirección opuesta daría lugar a una disminución de la energía potencial, es decir una diferencia de potencial negativa. En el caso de la situción instantánea de la Figura 1, debe deducirse que para el sentido de corriente ilustrado,

.

Para el caso de la diferencia de potencial en la bobina de inductancia L, se tiene que,

ya que la inductancia en la bobina es una medida de la inercia de éste; es decir a mayor inductancia, será más complicado cambiar la corriente que circula en el circuito. Si la corriente va en aumento,

y

,

lo que corresponde a una caída de potencial entre a y b a través del inductor. Por esta razón, el punto a tiene mayor potencial que el punto b, como se ilustra en la Figura 1.

Aplicando la ley de las mallas de Kirchoff,

se obtiene,

Como i=dq/dt , llegamos a la siguiente ecuación diferencial de segundo orden,

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