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O Indutor

Um indutor é um componente elétrico passivo que consiste em uma bobina de fio que é projetado para aproveitar a relação entre magnetismo e eletricidade como resultado de uma corrente elétrica que passa pela bobina.

Em nossos tutoriais sobre Eletromagnetismo, vimos que, quando uma corrente elétrica flui através de um fio condutor, um fluxo magnético se desenvolve ao redor do condutor. Isso cria uma relação entre a direção desse fluxo magnético que circula ao redor do condutor e a direção da corrente que flui através do mesmo condutor, resultando em uma relação bem conhecida entre a corrente e a direção do fluxo magnético, chamada de "Regra da Mão Direita de Fleming".

Mas há também outra propriedade importante relacionada a uma bobina enrolada, que é que uma voltagem secundária é induzida na mesma bobina pelo movimento do fluxo magnético, à medida que ele se opõe ou resiste a quaisquer mudanças na corrente elétrica que flui por ele.

Um indutor típico

Em sua forma mais básica, umIndutornada mais é do que uma bobina de fio enrolada em torno de um núcleo central. Para a maioria das bobinas, a corrente, (eu) fluindo através da bobina produz um fluxo magnético, (Não) ao seu redor que é proporcional a esse fluxo de corrente elétrica.

OIndutor, também chamado de indutor, é outro componente elétrico passivo que consiste em uma bobina de fio projetada para aproveitar essa relação, induzindo um campo magnético em si mesma ou no núcleo como resultado da corrente que passa pela bobina. Isso resulta em um campo magnético muito mais forte do que aquele produzido por uma simples bobina de fio.

Os indutores são formados com fios firmemente enrolados em torno de um núcleo central sólido, que pode ser uma haste cilíndrica reta ou um laço ou anel contínuo para concentrar seu fluxo magnético.

O símbolo esquemático de um indutor é o de uma bobina de fio, portanto, uma bobina de fio também pode ser chamada deIndutor. Os indutores geralmente são categorizados de acordo com o tipo de núcleo interno em que são enrolados, por exemplo, núcleo oco (ar livre), núcleo de ferro sólido ou núcleo de ferrite macia, com os diferentes tipos de núcleo sendo distinguidos pela adição de linhas paralelas contínuas ou pontilhadas ao lado da bobina do fio, conforme mostrado abaixo.

Símbolo do indutor

O actual,euA energia que flui através de um indutor produz um fluxo magnético proporcional a ele. Mas, diferentemente de um capacitor, que se opõe à variação da voltagem em suas placas, um indutor se opõe à variação da corrente que flui através dele devido ao acúmulo de energia autoinduzida em seu campo magnético.

Em outras palavras, os indutores resistem ou se opõem a mudanças de corrente, mas passam facilmente por uma corrente contínua em regime permanente. Essa capacidade de um indutor de resistir a mudanças de corrente, que também se relaciona à corrente,eucom sua ligação de fluxo magnético,Nãocomo uma constante de proporcionalidade é chamadaIndutânciaao qual é dado o símboloeucom unidades deHenrique, (H) depois de Joseph Henry.

Como o Henry é uma unidade de indutância relativamente grande por si só, para indutores menores, subunidades do Henry são usadas para denotar seu valor. Por exemplo:

Prefixos de indutância

Então, para exibir as subunidades do Henry, usaríamos como exemplo:

• 1 mH = 1 mili-Henry– que é igual a um milésimo (1/1000) de um Henry.

• 100μH = 100 micro-Henries– que é igual a 100 milionésimos (1/1.000.000) de um Henry.

Indutores ou bobinas são muito comuns em circuitos elétricos e há muitos fatores que determinam a indutância de uma bobina, como o formato da bobina, o número de voltas do fio isolado, o número de camadas de fio, o espaçamento entre as voltas, a permeabilidade do material do núcleo, o tamanho ou área da seção transversal do núcleo etc., para citar alguns.

Uma bobina indutora tem uma área central central, (UM) com um número constante de voltas de fio por unidade de comprimento, (eu). Então, se uma bobina deNas voltas são ligadas por uma quantidade de fluxo magnético,Fentão a bobina tem uma ligação de fluxo deNãoe qualquer corrente, (eu) que flui através da bobina produzirá um fluxo magnético induzido na direção oposta ao fluxo de corrente. Então, de acordo com a Lei de Faraday, qualquer mudança nessa ligação de fluxo magnético produz uma voltagem autoinduzida na bobina única de:

• Onde:

• Né o número de voltas

• UMé a área da seção transversal em m2

• Fé a quantidade de fluxo em Webers

• mé a permeabilidade do material do núcleo

• eué o comprimento da bobina em metros

• di/dté a taxa de variação da corrente em amperes/segundo

Um campo magnético variável ao longo do tempo induz uma voltagem proporcional à taxa de variação da corrente que o produz, com um valor positivo indicando um aumento na fem e um valor negativo indicando uma diminuição na fem. A equação que relaciona essa tensão, corrente e indutância autoinduzidas pode ser encontrada substituindo-se a equaçãoμN2Um/umcomeudenotando a constante de proporcionalidade chamada deIndutânciada bobina.

A relação entre o fluxo no indutor e a corrente que flui através do indutor é dada como:NΦ = Li. Como um indutor consiste em uma bobina de fio condutor, isso reduz a equação acima para fornecer a fem autoinduzida, às vezes chamada defem de retornoinduzido na bobina também:

Força eletromotriz reversa gerada por um indutor

Onde:eué a auto-indutância edi/dta taxa de mudança atual.

Bobina Indutora

Portanto, a partir desta equação, podemos dizer que a “fem autoinduzida = indutância x taxa de variação da corrente” e um circuito tem uma indutância de um. Henry terá uma fem de um volt induzida no circuito quando a corrente que flui através do circuito muda a uma taxa de um ampere por segundo.

Um ponto importante a ser observado sobre a equação acima. Ela relaciona apenas a fem produzida através do indutor às variações de corrente, pois se o fluxo de corrente no indutor for constante e não variar, como em uma corrente contínua em regime permanente, a tensão da fem induzida será zero, pois a taxa instantânea de variação da corrente é zero.di/dt = 0.

Com uma corrente contínua constante fluindo através do indutor e, portanto, com tensão induzida nula, o indutor atua como um curto-circuito equivalente a um pedaço de fio, ou, no mínimo, com uma resistência de baixíssimo valor. Em outras palavras, a oposição ao fluxo de corrente oferecida por um indutor é muito diferente entre circuitos CA e CC.

A constante de tempo de um indutor

Agora sabemos que a corrente não pode mudar instantaneamente em um indutor porque, para que isso ocorra, a corrente precisaria mudar em uma quantidade finita em tempo zero, o que resultaria em uma taxa de mudança de corrente infinita.di/dt =∞, tornando a fem induzida infinita e não existindo tensões infinitas. No entanto, se a corrente que flui através de um indutor mudar muito rapidamente, como com a operação de uma chave, altas tensões podem ser induzidas na bobina do indutor.

Considere o circuito do indutor à direita. Com a chave, (S1) aberto, nenhuma corrente flui através da bobina indutora. Como nenhuma corrente flui através do indutor, a taxa de variação da corrente (di/dt) na bobina será zero. Se a taxa de variação da corrente for zero, não há fem autoinduzida, (Emeu= 0) dentro da bobina indutora.

Se agora fecharmos a chave (t = 0), uma corrente fluirá pelo circuito e aumentará lentamente até seu valor máximo a uma taxa determinada pela indutância do indutor. Essa taxa de corrente que flui através do indutor, multiplicada pela indutância do indutor, em Henry, resulta na produção de uma fem autoinduzida de valor fixo através da bobina, conforme determinado pela equação de Faraday acima.Emeu= Ldi/dt.

Esta fem auto-induzida através da bobina indutora, (Emeu) luta contra a tensão aplicada até que a corrente atinja seu valor máximo e uma condição de estado estacionário seja alcançada. A corrente que agora flui através da bobina é determinada apenas pela resistência CC ou "pura" dos enrolamentos da bobina, visto que o valor da reatância da bobina diminuiu para zero devido à taxa de variação da corrente (di/dt) é zero em regime permanente. Em outras palavras, agora só existe a resistência CC da bobina para se opor ao fluxo de corrente.

Da mesma forma, se a chave (S1) for aberta, a corrente que flui pela bobina começará a cair, mas o indutor lutará novamente contra essa mudança e tentará manter a corrente fluindo em seu valor anterior, induzindo uma tensão na outra direção. A inclinação da queda será negativa e relacionada à indutância da bobina, como mostrado abaixo.

Corrente e Tensão em um Indutor

A quantidade de tensão induzida produzida pelo indutor depende da taxa de variação da corrente. Em nosso tutorial sobre Indução Eletromagnética,Lei de Lenzafirmou que:“a direção de uma fem induzida é tal que ela sempre se opõe à mudança que a está causando”. Em outras palavras, uma fem induzida sempre se OPÕE ao movimento ou mudança que iniciou a fem induzida em primeiro lugar.

Assim, com uma corrente decrescente, a polaridade da tensão atuará como uma fonte, e com uma corrente crescente, a polaridade da tensão atuará como uma carga. Portanto, para a mesma taxa de variação da corrente através da bobina, o aumento ou a diminuição da magnitude da fem induzida serão os mesmos.

Exemplo de indutor nº 1

Uma corrente contínua de 4 amperes em regime permanente passa por uma bobina solenoide de 0,5 H. Qual seria a tensão de força eletromotriz induzida na bobina se a chave no circuito acima fosse aberta por 10 mS e a corrente que flui pela bobina caísse para zero ampere?

Potência em um indutor

Sabemos que um indutor em um circuito se opõe ao fluxo de corrente, (eu) através dele porque o fluxo dessa corrente induz uma fem que se opõe a ela, Lei de Lenz. Então, a fonte de bateria externa precisa realizar trabalho para manter a corrente fluindo contra essa fem induzida. A potência instantânea usada para forçar a corrente, (eu) contra esta fem auto-induzida, (Emeu) é dado acima como:

A potência em um circuito é dada como,P = V*Iportanto:

Um indutor ideal não tem resistência, apenas indutância, então R = 0 Ω e, portanto, nenhuma potência é dissipada dentro da bobina, então podemos dizer que um indutor ideal tem perda de potência zero.

Energia em um indutor

Quando a energia flui para um indutor, a energia é armazenada em seu campo magnético. Quando a corrente que flui através do indutor aumenta edi/dttorna-se maior que zero, a potência instantânea no circuito também deve ser maior que zero, (P > 0) ou seja, positivo, o que significa que a energia está sendo armazenada no indutor.

Da mesma forma, se a corrente através do indutor estiver diminuindo edi/dté menor que zero, então a potência instantânea também deve ser menor que zero, (P< 0) ou seja, negativo, o que significa que o indutor está retornando energia para o circuito. Então, integrando a equação de potência acima, a energia magnética total, sempre positiva, armazenada no indutor, é dada por:

Energia armazenada por um indutor

Onde:EMestá em joules,euestá em Henries eeuestá em Amperes

A energia está, na verdade, sendo armazenada dentro do campo magnético que circunda o indutor pela corrente que flui através dele. Em um indutor ideal, sem resistência ou capacitância, à medida que a corrente aumenta, a energia flui para o indutor e é armazenada lá dentro de seu campo magnético sem perdas, não sendo liberada até que a corrente diminua e o campo magnético entre em colapso.

Então, em um circuito CA de corrente alternada, um indutor armazena e fornece energia constantemente em cada ciclo. Se a corrente que flui através do indutor for constante, como em um circuito CC, não há variação na energia armazenada.P = Li(di/dt) = 0.

Portanto, indutores podem ser definidos como componentes passivos, pois podem armazenar e fornecer energia ao circuito, mas não podem gerar energia. Um indutor ideal é classificado como sem perdas, o que significa que pode armazenar energia indefinidamente, pois não há perda de energia.

No entanto, indutores reais sempre terão alguma resistência associada aos enrolamentos da bobina e sempre que a corrente flui através de uma resistência, a energia é perdida na forma de calor devido à Lei de Ohm, (P = Eu2R) independentemente de a corrente ser alternada ou constante.

O uso principal dos indutores é em circuitos de filtragem, circuitos de ressonância e para limitação de corrente. Um indutor pode ser usado em circuitos para bloquear ou remodelar a corrente alternada ou uma faixa de frequências senoidais e, nessa função, pode ser usado para "sintonizar" um receptor de rádio simples ou vários tipos de osciladores. Ele também pode proteger equipamentos sensíveis contra picos de tensão destrutivos e altas correntes de partida.

No próximo tutorial sobre indutores, veremos que a resistência efetiva de uma bobina é chamada de indutância, e essa indutância, que como sabemos agora é a característica de um condutor elétrico que “se opõe a uma mudança na corrente”, pode ser induzida internamente, chamada de autoindutância, ou externamente, chamada de indutância mútua.

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