/script>

SOME MATHEMATICAL MODELS IN CIRCUIT THEORY



SOME MATHEMATICAL MODELS IN CIRCUIT THEORY
BY
NURT9JA 
A PROJECT SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF MATHEMATICS, ------------------- UNIVERSITY, NIGERIA IN PARTIAL FULFILMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE AWARD OF THE DEGREE OF BACHELOR OF SCIENCE (B Sc. Hons.) IN MATHEMATICS.
                                                                  SEPTEMBER, 2016
DECLARATION
                                                                               …………………                                                          …………………..
Signature.                                                                                   Date.

CERTIFICATION
This project entitled “Some Mathematical Models in Circuit Theory” by NURT9JA meets the requirements governing the award of the degree of Bachelor of Science in Mathematics and is approved for its contribution to knowledge and literary presentation.
........................................................                                         ……………
Dr.  -----------                                                                           Date                                                                                 
Supervisor                                                                                       
…………………………………                                             …………….
Prof.  ----------                                                                          Date
Head  of  Department 

External  Examiner
Name:……………………………………………..                ……………
Signature:…………………………………………                       Date                                                                                     
 DEDICATION
This project is dedicated to
                                                                ACKNOWLEDGMENT
ABSTRACT
This project deals with the derivation and analysis of first order ordinary differential equations in RC and RL circuits and second order ordinary differential  equations  in  RLC  circuits. In  my  project,  series  circuits  are  associated  with  voltage  sources  and  parallel  circuits  are  associated  with  current  sources. In  chapter  four  which  involves  the  derivation  and  analysis  aspect  of  the  project,  the  order  is: 
DERIVATION:  Derivation  of  first  order  ordinary  differential  equations  in  RC  circuits,  derivation  of  first  order  ordinary  differential  equations  in  RL  circuits  and  then  derivation  of  second  order  ordinary  differential  equations  in  RLC  circuits.
ANALYSIS:  Analysis  of  derived  first  order  ordinary  differential  equations  in  RC  circuits,  analysis  of  derived  first  order  ordinary  differential  equations  in  RL  circuits  and  then  analysis  of  derived  second  order  ordinary  differential  equations  in  RLC  circuits.
Analysis  of  all  first  order  ordinary  differential  equations  and  all  second  order  ordinary  differential  equations  in  my  project  can  be  achieved  using  only  basic  integration  methods  and  basic  algebra  methods.

                                                    Contents
Declaration…………………………………………………………………i
Certification……………………………………………………………….ii
Dedication……………………………………………………………....iii
Acknowledgement………………………………………………………iv
Abstract…………………………………………………………………vii
Chapter1
General Introduction…..............................................................................................1
1.1Introduction…………………………………………. 1
1.2 Aim  And Objective …………………………………..1
      1.3 Significance of  The study……………………………1
1.4  Scope And Limitation ………………………………1
1.5  Basic Definitions …………………….………………2
      1.5.1 Differential Equations ……………..………………2
                         1.5.2 Circuit Theory ............................................................4 
                      1.6 Example…………………………………………………6
Chapter 2      
Literature  Review……………………………………………9

Chapter 3    
   Methodology  and  Tools/Data  presentation……………...10

Chapter 4 
    Analysis  and  Discussion  of  results……………....................11
     4.1 Derivation  of  equations  involving  voltage Sources .....12
     4.2 Derivation  of  equations  involving  current  sources……13
     4.3 Analysis  of  equations involving  voltage  sources………16
     4.4 Analysis  of  equations  involving  current  sources…….17 
     4.5 Discussion  of  results………………………………..….18
          
 Chapter 5 Summary, Conclusion  And  Recommendation…………….19
                        5.1Summary…………………………………………………….19
            5.2Conclusion………………………………………………..…19
            5.3Recommendation……………………………………………19                                             
 
  REFERENCES………………………………………………………20
  APPENDICES……………………………………………………….21
CHAPTER 1: GENERAL INTRODUCTION.
1.1.Introduction
A model is a description of a phenomenon. A differential equation is an example of a mathematical model. Differential equations have many applications in the biological and physical sciences.
1.2 Aim and Objective
The aim of the project work is to derive and analyze differential equations associated with series and parallel arrangements of RC, RL and RLC circuit.
1.3 Significance of the study
RC, RL and RLC circuit are simple but very significant in circuit theory. This project work will provide the Electrical Engineer with an easy reference.
1.4 Scope and Limitation
Though RC, RL and RLC circuits are important, there are many other circuits in circuit theory. This project work deals only with the RC, RL and RLC circuits.
1.5 Basic definitions
1.5.1 Differential equations
·         Differential equation: A differential equation is an equation in terms of a   derivative that models a phenomenon.
·         Ordinary differential equation: This is a differential equation involving a function of one variable.
·         Partial differential equation: This is a differential equation involving a function of more than one variable.
·         Order: This is the number of times required to differentiate a function to get a derivative.
·         Solution: This is a function which satisfies an equation.
·         Digits:  The ten numbers: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9  are  called  digits.
·         Decimal  Places:  The  number  of  digits  after  the  decimal  point  is  the  number  of  decimal  places.
·         Significant  Figures: The  number  of  digits  in  a  calculation  is  called  the  number  of  significant  figures.
·         Mathematical  Operations  on  numbers:  The  6  operations  on  numbers  are  addition (increase  in  number),  subtraction (decrease in number),  multiplication (repeated addition)  and  division.
·         Arithmetic:  Arithmetic  deals  with  operations  on  numbers.
·         Algebra:  Algebra  involves  manipulating  numbers  using  placeholders  for  the  numbers.
·         Trigonometry:  When  there  is  rotation  about  a  point,  there  is  always  a  change  in  the  angle  at  the  point.  Scenarios  that  involve  rotations  described  as  well  as  related  issues  are  studied  under  trigonometry.
·         Expression:  A  mathematical  expression  is  a  mathematical  statement  involving  numbers  and  mathematical  operations.
·         Equation:  An  equation  is  a  way  of  saying  two  expressions  are  the  same  by  putting  one  on  the  left  of  an  equality  sign  (=)  and  the  other  on  the  right  of  the  equality  sign.
·         Natural  numbers:  Natural  numbers  are  counting  numbers.
·         Number  System:  A  number  system  is  a  way  of  counting  developed  at  a  particular  part  of  the  World.
·         Positive  Number:  A  positive  number  is  a  number  in  a  number  system  that  is  greater  than  a  number  in  the  number  system  called  the  identity.
·         Identity:  The  identity  in  a  number  system  is  a  neutral  number  in  the  number  system  that  is  neither  positive  nor  negative.
·         Inverse:  The  inverse  of  a  number  in  a  number  system  is  another  number  in  the  number  system  which  when  added  or  multiplied  to  it  yields  the  identity  in  the  number  system.
·         Additive  Inverse: The  additive  inverse  of  a  number  in  a  number  system  is  a  number  in  the  number  system  which  when  added  to  it  yields  the  identity  in  the  number  system.
·         Multiplicative  Inverse:  The  multiplicative  inverse  of  a  number  in  a  number  system  is  a  number  in  the  number  system  which  when  multiplied  by  it  yields  the  identity  in  the  number  system.
·         Set:  A  set  is  a  group.
·         Quantity:  A  quantity  is  a  number.
·         Variable:  A  variable  is  a  placeholder  for  one  or  more  numbers.
·         Independent  Variable:  A  variable  may  be  independent  of  all  quantities  in  the  situation  under  consideration.  In  such  a  case,  it  is  called  the  Independent  Variable.
·         Dependent  Variable:  A  variable  may  also  rely  on  the  Independent  Variable.  In  such  a  case,  it  is  called  a  dependent  variable.
·         Function:  A  function  is  a  relationship  between  one  number  in  a  set  and  another  number  in  another  set.  The  relationship  may  be  expressed  verbally,  in  the  form  of  an  equation,  in  the  form  of  a  table  involving  a  column  for  different  values  of  the  Independent  Variable  and  corresponding  values  for  the  dependent  variable,  or  in  the  form  of  a  graph  for  the  table  of  values.
Circuit theory
·         Voltage: Voltage  is  the  work  done  per  unit  charge.  Voltage is  measured  in  volts  (V).
·         Current: Current is the speed of flow of charge.  Current  is  measured  in  amperes (A).
·         Field:  A  field  is  an  effect  on  an  object  within  a  specified radius.
·         Electricity:  Electricity  is  a  flow  of  electrons  under  the  influence  of  a  field.
·         Charge:  Charge  refers  to  the  amount  of  electricity  carried  by  electrons.  It  is  measured  in  Coulombs  (C).
·         Resistance: Resistance is the voltage per unit current.  Resistance  is  usually  denoted  by  R.  A  device  with  resistance  is  called  a  resistor.  The  unit  of  resistance  is  the  ohm  ( .
·         Capacitance: Capacitance is the current per unit rate of change of voltage.  Capacitance  is  usually  denoted  by  C.  A  device  with  capacitance  is  called  a  capacitor.  The  unit  of  capacitance  is  the  farad  (F).
·         Inductance: Inductance is the voltage per unit rate of change of current.  Inductance  is  usually  denoted  by  I.  A  device  with  inductance  is  called  an  inductor.  The  unit  of  inductance  is  the  henry  (H).
·         Impedance:  Impedance  is a  general  term  for  resistance,  capacitance  and  inductance.
·          Series  Arrangement:  Two  or  more  electrical  components  are  connected  in  series  if  the  same  current  flows  through  them.
·          Parallel  Arrangement:  Two  or  more  electrical  components  are  connected  in  parallel  if  they  are  connected  between  the  same  terminals  and  they  have  the  same  voltage  across  them.
·         Direct  Current:  Current  is  direct  if  it  moves  in  only  one  direction.
·         Alternating  Current:  Current  is  alternating  if  it  moves  in  two  directions:  forward  and  backward.
·         Alternating  Current  Source:  A  source  of  electrical  energy  is  an  alternating  current  source  if  it  gets  it’s  stored  energy  from  another  source  that  supplies  it  with  kinetic  energy  in  the  form  of  an  alternating  current  of  electrons.
·         Principle  of  operation  of  Kainji  Dam:  The  top  of  Kainji  Dam  is  very  far  from  the  bottom.  Because  of  this  fact,  there  is  an  enormous  amount  of  potential  energy  at  the  top  of  Kainji  Dam  which  is  gradually  converted  to  kinetic  energy  as  water  falls  from  the  top  of  Kainji  Dam  to  the  bottom.  There  will  be  other  energy  conversions  as  water  falls  from  the  top  of  Kainji  Dam  to  the  bottom  some  of  which  may  be  energy  losses  in  the  form  of  heat  energy.  This  enormous  amount  of  energy  is  converted  by  a  very  sophisticated  electronic  device  to  electrical  kinetic  energy  in  the  form  of  alternating  current  of  electrons  at  very  high  voltage  which  is  transmitted  via  wires  to  our  homes.  There  are  transformers  at  strategic  locations  that  bring  down  the  voltages  of  the  alternating  current  of  electrons  to  safe  levels  before  the  alternating  currents  reach  our  homes.
·         Direct  Current  Source  or  Battery: A  source  of  electrical  energy  is  called  a  direct  current  source  or  battery  if  it  acquires  stored  energy  from  another  source  via  a  current  of  electrons  that  moves  in  only  one  direction.
·         Voltage  source:  A  voltage  source,  with  a  voltage  of  say  5  volts  (  5  joules  per  coulomb),  is  a  source  of  electrical  energy  that  supplies  some  coulombs  of  freely  moving  electrons  that  dissipate  an  energy  of  5  joules  for  each  coulomb  of  electrons.  This  energy  is  distributed  amongst  the  electrical  components  connected  to  the  voltage  source  via  wires  or  otherwise  according  to  laws  in  circuit  theory.
·         Current  source:  A  current  source,  with  a  current  of  say  5  amperes  (  5  coulomb  per  second  ),  is  a  source  of  electrical  energy  that  supplies  5  coulombs  of  electrons  after  every  second.
1.5      Example.

Example  with  Direct  Current  Source:
Suppose  there  is  a  10  ohm  resistance  in  series  with  a  5  Farad  capacitance.  Both  get  their  energy  from  a  10  volt  direct  current  source.  Let  us  find  the  equivalent  impedance  of  the  resistor  and  capacitor  that  will  receive  the  energy  and  the  energy  received  by  the  resistor  and  capacitor.  I  will  also  include  in  the  solution  some  related  analysis.
Solution:
Wires  connect  all  the  electrical  components  with  the  direct  current  source  in  series  with  a  resistor  and  capacitor. Let  me  denote  the  resistance  by  R, the  capacitance  by  C  and  the  energy  by  W.
 EQUIVALENT  IMPEDANCE:  The  equivalent  impedance  of  the  resistor  and  capacitor  is  given  by 
(R x C)/(R+C)  =  (10x5)/(10+5)  =  50/15  =  (25+25)/(15)   =  (25/15)+(25/15)  =  (25/15)x2
=  (5/3)x2  =  10/3  =  3.33 (2  Decimal  places)
ENERGY  SUPPLIED  BY  THE  DIRECT  CURRENT  SOURCE:  The  energy  supplied  by  the  direct  current  source  to  the  resistor  and  capacitor  is  given  by:  W=V  x  I  x  t  where  V  is  the  equivalent  voltage  of  the  resistor  and  capacitor  and  also  the  voltage  of  the  source,  I  is  the  current  flowing  through  both  the  resistor  and  capacitor  in  series,  t  is  the  time  within  which  the  current  flow  through  the  resistor  and  capacitor  took  place.  
The  voltage  is  supplied  by  the  direct  current  source  and  the  supplied  voltage  is  distributed  between  the  resistor  and  capacitor.  The  current  flowing  through  the  capacitor  is:  I2  =  C    where   is  the  speed  at  which  the  voltage  of  the  direct  current  source  is  changing.
Whenever  there  is  a  flow  of  electrons  in  a  circuit,  there  is  voltage  and  there  is  current.  The  voltage  may  be  constant  or  changing  and  the  current  may  also  be  constant  or  changing.
The  fact  that  the  direct  current  source  has  a  voltage  of  10  Volts  (10  joules  per  coulomb)  means  that  a  group  of  electrons  with  a  charge  of  1  coulomb  flowing  from  the  direct  current  source  dissipate  an  energy  of  10  joules  when  moving  through  1  meter  under  the  influence  of  a  force  of  10  newtons.  The  distance  covered  is  1  meter  and  the  force  is  10  newtons  because  10  joules  =  10  newtons  x  1  meter.
Since  the  voltage  of  the  direct  current  source  is  constant  at  10  volts  and  the  electrons  flowing  do  not  change  direction,  this  means  that  there  is  no  change  in  voltage.
Because  there  is  no  change  in  voltage,   
Thus,  there  is  no  current  flowing  through  the  capacitor  and  all  the  current  flows  through  the  resistor.
Suppose  the  current  supplied  by  the  direct  current  source  is  10  amperes  and  it  flows  for  10  seconds,  then,  the  energy  supplied  by  the  direct  current  source  is:  W  =  V  x  I  x  t  =  10  x  10  x  10  =  1000  joules.
CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
Kirchhoff’s voltage  law and  Kirchhoff’s current law have been used. Concepts from THE PRINCIPLES OF NATURAL PHILOSOPHY have also been used. I referred to the works by Murray Spiegel; Paul Blanchard, Robert L. Devaney and Glen R. Hall;  Raymond  A.  Barnett,  Michael  R.  Ziegler  and  Karl  E.  Byleen;  Jerry  J.  Anderson  and  others.

CHAPTER 3: METHODOLOGY  AND
TOOLS/DATA PRESENTATION
The equations were analyzed using  integration  and  algebra  methods.
CHAPTER 4
ANALYSIS  AND  DISCUSSION OF  RESULTS
The  voltages  and  currents  are  functions  of  time.  R,
C  and  L  are  parameters.
4.1  Derivation  of  equations involving  voltage  sources; series circuits
a)                  RC Circuit
      The RC circuit consists of a resistor, a capacitor and a          
       voltage source.
      
                    
               
               
                
       
       
               
b)   RL Circuit
                    The RL circuit consists of a resistor, an inductor and a
                    voltage source.
             
              

c)      RLC circuit
The RLC circuit consists of a resistor, an inductor, a capacitor and a voltage source.
                        
4.2  Derivation  of  equations  involving  current  sources;  parallel circuits
a)      RC Circuit
The RC circuit consists of a resistor, a capacitor and a current source.
b)      RL Circuit
The RL circuit consists of a resistor, an inductor and a current source.
                              
c)      RLC Circuit
The RLC circuit consists of a resistor, an inductor, a capacitor and a current source.
                        
4.3  Analysis  of  equations involving voltage  sources;  series circuits
a)      RC Circuit
a)      RL Circuit
b)      RLC Circuit
4.4  Analysis  of  equations involving  current  sources;  parallel circuits
a)      RC Circuit
                                       

b)      RL Circuit
c)      RLC Circuit

   4.5 Discussion of results
From  the  derivations  and  analysis  above,  for  the  cases  considered  it  is  evident  that  once  a  circuit  has  been  analyzed  using  Kirchhoff’s  laws  or  another (other)  method(s),  the  solution  can  be  found  using  simple  or  multiple  integration.
CHAPTER 5: SUMMARY, CONCLUSION AND RECOMMENDATION.
5.1 Summary: The project work is concerned with information on important circuits in circuit theory.
5.2 Conclusion: The most difficult concepts are simple to analyze. Kirchhoff’s current law and Kirchhoff’s voltage law are simple to understand but very powerful. For example, the two laws were very helpful in the derivation part of the project work.
5.3 Recommendation: I recommend that other simple circuits in circuit theory should be analyzed by other students.
REFERENCES
Cited Literature
1.      Spiegel, M., (1987) ADVANCED MATHEMATICS FOR ENGINEERS & SCIENTISTS, SI (metric) ed., Schaum’s Outline Series, McGraw- Hill, Singapore.
2.      Blanchard, P., et al., (2002) Differential Equations, 2nd ed., Thomson Learning.
3.      Barnett,  R.A.,  et  al.,  (2008)  Precalculus,  6th  ed.,  McGraw-Hill  International  Edition,  United  States  of  America.
4.      Anderson,  J.J.,  et  al.,  (1979)  The  World  Book  Student  Handbook,  Student  Guide,  World  Book-Childcraft  International,  Inc.  A  subsidiary  of  The  Scott  &  Fetzer  Company,  United  States  of  America.   
5.      Hornby,  A.S.,  (2006)  Oxford  Advanced  Learner’s  Dictionary  of  Current  English,  OXFORD  UNIVERSITY  PRESS,  Oxford,  United  Kingdom.
APPENDIX
SQ3R  STUDY  METHOD
The  SQ3R  method  is  one  of  the  most  effective  and  efficient  methods  of  study.  The  ‘S’  stands  for  survey,  the  ‘Q’  stands  for  question,  the  ‘3R’  means ‘R,  R,  and  R’  and  stands  for  read,  recite  and  review.  I  shall  give  an  overview  of  the  method.
SURVEY:  The  first  step  is  to  thumb  through  the  book,  chapter  or  material.
QUESTION:  The  second  step  is  to  convert  each  heading  of  the  chapter  or  material  into  a  question.  You  do  not  have  to  put  down  the  questions.
READ:  The  third  step  is  to  read  the  chapter  or  material.
RECITE:  The  fourth  step  is  to  close  the  book  or  material  and  put  down  all  you  can  remember  about  what  you  read.
REVIEW:  The  final  step  is  to  revise  the  chapter  or  material.
DISTINCTION  BETWEEN  A  SET  AND  A  SEQUENCE
A  set  is  a  collection  and  a  sequence  is  a  set  of  numbers  whose  members  are  determined  by  a  formula.  The  dependent  variable  in  the  formula  for  a  sequence  is  the  position  of  the  member  of  that  sequence.  A  set  is  represented  by  curly  brackets  and  a  sequence  is  represented  by  braces.
Strategy for  solving  scientific  problems
·         I  shall  give  a  method  I  believe  is  effective  in  tackling  scientific  questions.
·         The  first  step  is  to  thoroughly  read  and  understand  the  problem  in  good  time.
·         The  second  step  is  to  define  all  quantities  including  the  independent  variable  which  is  usually  time,  the  dependent  variables  and  the  parameters.
·         The  third  step  is  to  formulate  or  model  the  problem  using  prior  knowledge.
·         The  final  step  is  to  use  techniques  developed  by  prior  scientists  (like  Isaac  Newton  and  Albert  Einstein)  to  tackle  the  problem.
A  Concise  Discussion  on  Space
A  space  is  simply  a  set  of  numbers  together  with  a  function  defined  on  the  set  of  numbers.  Symbols  are  used  to  denote  the  set  of  numbers  and  the  function  defined  on  the  set  of  numbers.  A  space  is  usually  represented  as  an  ordered  pair  where  one  of  the  ordered  pairs  is  the  symbol  representing  the  set  of  numbers  on  the  left  and  the  other  of  the  pairs  is  the  symbol  representing  the  function  defined  on  the  set  of  numbers  on  the  right.

 

No comments:

Post a Comment