Nos nossos tutoriais sobre Electromagnetismo vimos que quando uma corrente eléctrica flui através de um condutor de fio, desenvolve-se um fluxo magnético em torno desse condutor. Este efeito produz uma relação entre a direcção do fluxo magnético, que circula em torno do condutor, e a direcção da corrente que flui através do mesmo condutor. Isto resulta numa relação entre a direcção da corrente e a direcção do fluxo magnético chamada, “Fleming’s Right Hand Rule”.
Mas existe também outra propriedade importante relacionada com uma bobina enrolada que também existe, que é que uma tensão secundária é induzida na mesma bobina pelo movimento do fluxo magnético, uma vez que se opõe ou resiste a quaisquer alterações na corrente eléctrica que a circula.
Um Indutor Típico
Na sua forma mais básica, um Indutor não é mais do que uma bobina de fio enrolado à volta de um núcleo central. Para a maioria das bobinas, a corrente, ( i ) fluindo através da bobina produz um fluxo magnético, ( NΦ ) à sua volta que é proporcional a este fluxo de corrente eléctrica.
Um Indutor, também chamado de asfixiante, é outro componente eléctrico de tipo passivo que consiste numa bobina de fio concebida para tirar partido desta relação induzindo um campo magnético em si mesmo ou dentro do seu núcleo como resultado da corrente fluindo através da bobina de fio. A formação de uma bobina de fio num indutor resulta num campo magnético muito mais forte do que aquele que seria produzido por uma simples bobina de fio.
Os indutores são formados com fio firmemente enrolado à volta de um núcleo central sólido que pode ser ou uma haste cilíndrica recta ou um laço ou anel contínuo para concentrar o seu fluxo magnético.
O símbolo esquemático de um indutor é o de uma bobina de fio, pelo que uma bobina de fio também pode ser chamada de indutor. Os indutores são geralmente categorizados de acordo com o tipo de núcleo interior que são enrolados à volta, por exemplo, núcleo oco (ar livre), núcleo de ferro sólido ou núcleo de ferrite macia, sendo os diferentes tipos de núcleo distinguidos pela adição de linhas paralelas contínuas ou pontilhadas ao lado da bobina de arame, como se mostra abaixo.
Símbolo do indutor
A corrente, i que flui através de um indutor produz um fluxo magnético que é proporcional a ele. Mas ao contrário de um Capacitor que se opõe a uma mudança de tensão através das suas placas, um indutor opõe-se à taxa de mudança de corrente que flui através dele devido à acumulação de energia auto-induzida dentro do seu campo magnético.
Por outras palavras, os indutores resistem ou opõem-se a mudanças de corrente mas passarão facilmente uma corrente DC em estado estável. Esta capacidade de um indutor resistir a mudanças de corrente e que também relaciona a corrente, i com a sua ligação de fluxo magnético, NΦ como uma constante de proporcionalidade é chamada Indutância, à qual é dado o símbolo L com unidades de Henry, (H) depois de Joseph Henry.
porque o Henry é uma unidade relativamente grande de indutância por direito próprio, pois as subunidades de indutores mais pequenas do Henry são usadas para denotar o seu valor. Por exemplo:
Prefixos de indutância
| Prefixo | Symbol | Multiplier | Potência de Dez |
| m | 1/1,000 | ||
| µ | 1/1.000.000 | 10-6 | |
| nano | n | 1/1.000.000,000 | 10-9 |
Assim, para mostrar as subunidades do Henrique, usaríamos como exemplo:
Indutores ou bobinas são muito comuns nos circuitos eléctricos e há muitos factores que determinam a indutância de uma bobina, tais como a forma 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 a área da secção transversal do núcleo, etc., para citar alguns.
Uma bobina indutora tem uma área central do núcleo, ( A ) com um número constante de voltas do fio por unidade de comprimento, ( l ). Assim, se uma bobina de N voltas estiver ligada por uma quantidade de fluxo magnético, Φ então a bobina tem uma ligação de fluxo de NΦ e qualquer corrente, ( i ) que flui através da bobina irá produzir um fluxo magnético induzido na direcção oposta ao fluxo de corrente. Então, de acordo com a Lei de Faraday, qualquer alteração nesta ligação de fluxo magnético produz uma tensão auto-induzida na bobina única de:
- onde:
- N é o número de voltas
- A é a cruz…Área seccional em m2
- Φ é a quantidade de fluxo em Webers
- μ é a Permeabilidade do material do núcleo
- l é o Comprimento da bobina em metros
- di/dt é a Taxa de variação da Corrente em amps/segundo
Um campo magnético com variação de tempo induz uma tensão que é proporcional à taxa de variação da corrente que a produz com um valor positivo indicando um aumento em ef e um valor negativo indicando uma diminuição em ef. A equação relativa a esta tensão, corrente e indutância auto-induzida pode ser encontrada substituindo o μN2A / l por L denotando a constante de proporcionalidade chamada Indutância da 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 numa bobina de fio condutor, isto reduz então a equação acima para dar a emf auto-induzida, por vezes chamada também a emf traseira induzida na bobina:
Back emf Gerado por um Indutor
Onde: L é a auto-indutância e di/dt a taxa de mudança de corrente.
Inductor Coil
Assim, a partir desta equação podemos dizer que o “emf auto-induzido é igual a Indutância vezes a taxa de mudança de corrente” e um circuito tem uma indutância de um Henry terá um emf de um volts induzido no circuito quando a corrente que flui através do circuito muda a uma taxa de um ampere por segundo.
Um ponto importante a notar sobre a equação acima. Apenas relaciona o emf produzido através do indutor com alterações na corrente porque se o fluxo da corrente indutora for constante e não mudar, tal como numa corrente DC em estado estacionário, então a tensão emf induzida será zero porque a taxa instantânea de alteração da corrente é zero, di/dt = 0,
Com uma corrente DC em estado estacionário a fluir através do indutor e, portanto, tensão induzida zero através dele, o indutor actua como um curto-circuito igual a um pedaço de fio, ou, no mínimo, uma resistência de valor muito baixo. Por outras palavras, a oposição ao fluxo de corrente oferecido por um indutor é muito diferente entre circuitos CA e CC.
A Constante de Tempo de um Indutor
Sabemos agora que a corrente não pode mudar instantaneamente num indutor porque, para que isto ocorra, a corrente teria de mudar por uma quantidade finita em tempo zero, o que resultaria numa taxa de mudança de corrente infinita, di/dt = ∞, tornando também a emf induzida infinita e as tensões infinitas não existem. Contudo, se a corrente que flui através de um indutor mudar muito rapidamente, tal como com a operação de um interruptor, as altas tensões podem ser induzidas através da bobina do indutor.
Considerar o circuito de um indutor puro à direita. Com o interruptor, ( S1 ) aberto, nenhuma corrente flui através da bobina do indutor. Como nenhuma corrente flui através do indutor, a taxa de mudança de corrente (di/dt) na bobina será zero. Se a taxa de mudança de corrente for zero, não há nenhuma retrocesso auto-induzido, ( VL = 0 ) dentro da bobina indutora.
Se agora fecharmos o interruptor (t = 0), uma corrente fluirá através do circuito e subirá lentamente até ao seu valor máximo a uma taxa determinada pela indutância do indutor. Esta taxa de corrente que flui através do indutor multiplicada pela indutância dos indutores na bobina de Henry, resulta em alguma emf de valor fixo auto-induzida através da bobina como determinado pela equação de Faraday acima, VL = -Ldi/dt.
Esta emf auto-induzida através da bobina dos indutores, ( VL ) luta contra a tensão aplicada até que a corrente atinja o seu valor máximo e uma condição de estado estável seja alcançada. A corrente que agora flui através da bobina é determinada apenas pela resistência DC ou “pura” dos enrolamentos das bobinas, uma vez que o valor de reactância da bobina diminuiu para zero, porque a taxa de mudança de corrente (di/dt) é zero numa condição de estado estacionário. Por outras palavras, numa bobina real, apenas a resistência CC das bobinas existe para se opor ao fluxo de corrente através de si mesma.
Likewise, se o interruptor (S1) for aberto, a corrente que flui através da bobina começará a cair, mas o indutor voltará a lutar contra esta alteração e tentará manter a corrente a fluir no seu valor anterior, induzindo uma outra tensão na outra direcção. A inclinação da queda será negativa e relacionada com a indutância da bobina, como mostrado abaixo.
Corrente e Tensão num Indutor
Quanta tensão induzida será produzida pelo indutor depende da taxa de mudança de corrente. No nosso tutorial sobre a Indução Electromagnética, a Lei de Lenz afirmou que: “a direcção de um emf induzido é tal que se opõe sempre à mudança que o está a causar”. Por outras palavras, um emf induzido irá sempre OPPOSIR o movimento ou mudança que iniciou o emf induzido em primeiro lugar.
Então com uma corrente decrescente a polaridade da tensão actuará como uma fonte e com uma corrente crescente a polaridade da tensão actuará como uma carga. Assim, para a mesma taxa de mudança de corrente através da bobina, ou aumentando ou diminuindo a magnitude da emf induzida será a mesma.
Inductor Example No1
Uma corrente contínua de 4 amperes passa através de uma bobina solenóide de 0,5H. Qual seria a tensão média de retorno emf induzida na bobina se o interruptor no circuito acima fosse aberto durante 10mS e a corrente que passa através da bobina caísse para zero ampere.
Potência num Indutor
Sabemos que um indutor num circuito se opõe ao fluxo de corrente, ( i ) através dele porque o fluxo desta corrente induz um emf que se opõe a ele, a Lei de Lenz. Então o trabalho tem de ser feito pela fonte externa da bateria a fim de manter a corrente a fluir contra esta ef induzida. A potência instantânea utilizada para forçar a corrente, ( i ) contra esta emf auto-induzida, ( VL ) é dada de cima como:
P>A potência num circuito é dada como, P = V*I portanto:
Um indutor ideal não tem resistência apenas indutância, pelo que R = 0 Ω e, portanto, não há dissipação de energia dentro da bobina, pelo que podemos dizer que um indutor ideal tem perda zero de energia.
Energia num indutor
Quando a energia flui para um indutor, a energia é armazenada no seu campo magnético. Quando a corrente que flui através do indutor aumenta e di/dt se torna maior que zero, a potência instantânea no circuito também deve ser maior que zero, ( P > 0 ) ou seja, positiva, o que significa que a energia está a ser armazenada no indutor.
Likewise, se a corrente através do indutor estiver a diminuir e di/dt for inferior a zero, então a potência instantânea também deve ser inferior a zero, ( P < 0 ) ou seja, negativo, o que significa que o indutor está a devolver energia de volta ao circuito. Então, ao integrar a equação de potência acima, a energia magnética total que é sempre positiva, sendo armazenada no indutor é dada como:
Energia armazenada por um indutor
Onde: W está em joules, L está em Henries e i está em Amperes
A energia está de facto a ser armazenada dentro do campo magnético que envolve o indutor pela corrente que o atravessa. Num indutor ideal que não tem resistência ou capacidade, uma vez que a corrente aumenta a energia flui para o indutor e é aí armazenada dentro do seu campo magnético sem perda, não é libertada até a corrente diminuir e o campo magnético entrar em colapso.
Então, num circuito de corrente alternada, um indutor está constantemente a armazenar e a fornecer energia em cada ciclo. Se a corrente que flui através do indutor é constante como num circuito CC, então não há alteração na energia armazenada como P = Li(di/dt) = 0.
Então, os indutores podem ser definidos como componentes passivos uma vez que podem tanto armazenar como fornecer energia ao circuito, mas não podem gerar energia. Um indutor ideal é classificado como perda menor, o que significa que pode armazenar energia indefinidamente uma vez que não se perde energia.
No entanto, os indutores reais terão sempre alguma resistência associada aos enrolamentos da bobina e sempre que a corrente flui através de uma energia de resistência é perdida sob a forma de calor devido à Lei de Ohms, ( P = I2 R ) independentemente de a corrente ser alternada ou constante.
Então, o uso primário para 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 gama de frequências sinusoidais, e nesta função um indutor pode ser usado para “afinar” um simples receptor de rádio ou vários tipos de osciladores. Pode também proteger equipamento sensível de picos de tensão destrutivos e correntes de arranque elevadas.
No próximo tutorial sobre Indutores, veremos que a resistência efectiva de uma bobina se chama Indutância, e que a indutância que, como sabemos agora, é a característica de um condutor eléctrico que “se opõe a uma alteração da corrente”, pode ser induzida internamente, chamada auto-indutância ou induzida externamente, chamada indutância mútua.
