Indutor, o que é?
Todos nós ouvimos o termo Indutor muitas vezes, mas o que é isso? Bem, é um elemento passivo concebido para armazenar energia no seu campo magnético. Os indutores encontram numerosas aplicações em sistemas electrónicos e de energia. Eles são utilizados em fontes de alimentação, transformadores, rádios, TVs, radares e motores elétricos.
Mas para aumentar o efeito indutivo, um indutor prático é geralmente formado em uma bobina cilíndrica com muitas voltas de fio condutor, como mostrado na Figura 1.
Um indutor consiste em uma bobina de fio condutor.
Se for permitida a passagem de corrente através de um indutor, verifica-se que a tensão através do indutor é directamente proporcional à taxa de variação temporal da corrente. Usando a convenção do sinal passivo na seguinte Equação (1):
onde L é a constante de proporcionalidade chamada de indutância do indutor. A unidade de indutância é o galinheiro (H), nomeado em homenagem ao inventor americano Joseph Henry (1797-1878). Está claro, pela equação acima, que 1 henry equivale a 1 volt segundo por ampere.
Em vista da equação acima, para que um indutor tenha tensão através de seus terminais, sua corrente deve variar com o tempo. Assim, v=0 para corrente constante através do indutor.
A indutância de um indutor depende da sua dimensão física e construção. As fórmulas para calcular a indutância de indutores de diferentes formas são derivadas da teoria eletromagnética e podem ser encontradas em manuais de engenharia elétrica padrão.
Por exemplo, para o indutor, (solenóide) mostrado na Figura 1,
em qualquer lugar:
- N é o número de voltas,
- l é o comprimento,
- A é a área da secção transversal, e
- m é a permeabilidade do núcleo.
Podemos ver pela equação acima que a indutância pode ser aumentada aumentando o número de voltas da bobina, usando material com maior permeabilidade como o núcleo, aumentando a área da seção transversal, ou reduzindo o comprimento da bobina.
Capacitores, os indutores disponíveis comercialmente vêm em diferentes valores e tipos. Os indutores práticos típicos têm valores de indutância que vão desde alguns micrys (mH), como nos sistemas de comunicação, até dezenas de henrys (H), como nos sistemas de potência. Os indutores podem ser fixos ou variáveis. O núcleo pode ser feito de ferro, aço, plástico ou ar.
Indutores comuns são mostrados na Figura 2 acima. Os símbolos dos circuitos para indutores são mostrados na Figura 3, seguindo a convenção do sinal passivo.
Equação (1) é a relação tensão-corrente para um indutor. A Figura 4 mostra graficamente esta relação para um indutor cuja indutância é independente da corrente. Tal indutor é conhecido como um indutor linear.
Assumiremos indutores lineares neste artigo técnico.
A relação corrente-tensão é obtida da Equação (1) como:
Integrar dá:
ou
onde i(t0) é a corrente total para -∞ < t < to e i(-∞) = 0. A idéia de fazer i(-∞) é prática e razoável, pois deve haver um tempo no passado em que não havia corrente no indutor.
O indutor é projetado para armazenar energia em seu campo magnético. A energia armazenada pode ser obtida a partir da Equação (1). A energia fornecida ao indutor é:
A energia armazenada é:
Desde i(-∞) = 0,
Notas //
Devemos notar as seguintes propriedades importantes de um indutor:
NOTE 1 //
Nota da Equação 1 que a tensão através de um indutor é zero quando a corrente é constante.
NOTE 2 //
Uma propriedade importante do indutor é a sua oposição à alteração da corrente que flui através dele. A corrente através de um indutor não pode mudar instantaneamente.
Por exemplo, a corrente através de um indutor pode tomar a forma mostrada na Figura 5(a), enquanto a corrente do indutor não pode tomar a forma mostrada na Figura 5(b) em situações da vida real devido às descontinuidades. Entretanto, a voltagem através de um indutor pode mudar abruptamente.
NOTE 3 //
Como o condensador ideal, o indutor ideal não dissipa a energia. A energia nele armazenada pode ser recuperada posteriormente. O indutor retira energia do circuito ao armazenar energia e fornece energia ao circuito ao retornar energia previamente armazenada.
NOTE 4 //
Um indutor prático, não ideal, tem um componente resistivo significativo, como mostrado na Figura 6. Isto se deve ao fato do indutor ser feito de um material condutor como o cobre, que tem alguma resistência.
Esta resistência é chamada de resistência de enrolamento Rw, e aparece em série com a indutância do indutor. A presença de Rw faz dele tanto um dispositivo de armazenamento de energia como um dispositivo de dissipação de energia. Como Rw é normalmente muito pequeno, ele é ignorado na maioria dos casos. O indutor não-ideal também tem uma capacitância de enrolamento Cw devido ao acoplamento capacitivo entre as bobinas condutoras.
Cw é muito pequeno e pode ser ignorado na maioria dos casos, exceto em altas freqüências. Assumimos neste artigo apenas indutores ideais.
Quem foi Joseph Henry?
Joseph Henry (1797-1878), um físico americano, descobriu a indutância e construiu um motor elétrico. Nascido em Albany, Nova Iorque, Henry formou-se na Academia de Albany e ensinou filosofia na Universidade de Princeton de 1832 a 1846.
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Ele foi o primeiro secretário da Instituição Smithsoniana. Ele conduziu várias experiências sobre eletromagnetismo e desenvolveu poderosos eletroímãs que podiam levantar objetos que pesavam milhares de quilos. Curiosamente, Joseph Henry descobriu a indução eletromagnética antes de Faraday, mas não publicou suas descobertas.
A unidade de indutância, o galinheiro, recebeu seu nome.