Indutores, Notas de estudo de Eletrônica

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Eletrônica Eletrônica básica - Teoria

Indutores

Indutores

© SENAI-SP, 2003

Trabalho editorado pela Gerência de Educação da Diretoria Técnica do SENAI-SP, a partir dos conteúdos extraídos da apostila homônima Indutores - Teoria. SENAI - DN, RJ, 1985.

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Introdução

Nesta unidade inicia-se o estudo de um novo componente: o indutor.

O campo de aplicação dos indutores se estende desde circuitos de lazer como os filtros para caixas de som até os circuitos industriais passando pelo campo da transmissão e recepção de sinais de rádio e televisão.

A unidade tratará dos indutores em si, de fenômenos ligados ao magnetismo que ocorrem no indutor e do seu comportamento em CA.

O objetivo desta apostila é fornecer todas as informações sobre indutores, necessárias para que você possa utilizá-los corretamente.

Pré-requisitos

Para ter sucesso no desenvolvimento dos conteúdos e atividades desta unidade você já deverá ter conhecimentos relativos a:

• Magnetismo e eletromagnetismo

Indução

Auto Indução

O princípio da geração de energia elétrica baseia-se no fato de que toda a vez que um condutor se movimenta no interior de um campo magnético aparece neste condutor uma diferença de potencial.

Esta tensão gerada pelo movimento do condutor no interior de um campo magnético é denominada de tensão induzida.

Foi o cientista inglês Michael Faraday, ao realizar estudos com o eletromagnetismo, que determinou as condições necessárias para que uma tensão seja induzida em um

condutor.

As observações de Faraday podem ser resumidas em duas conclusões:

• Quando um condutor elétrico é sujeito a um campo magnético variável tem origem neste condutor uma tensão induzida.

É importante notar que para ter um campo magnético variável no condutor pode-se:

1. Manter o campo magnético estacionário e movimentar o condutor perpendicularmente ao campo.

Movimento do condutor

2. Manter o condutor estacionário e movimentar o campo magnético.

Movimento do campo magnético

• A magnitude da tensão induzida é diretamente proporcional a intensidade do fluxo magnético e a razão de sua variação.

Isto significa:

• Campo mais intenso
• Maior tensão induzida;
• Variação do campo mais rápida
• Maior tensão induzida.

Os geradores elétricos de energia elétrica se baseiam nos princípios estabelecidos por Faraday.

Supondo-se o circuito composto por uma bobina, uma fonte de CC e uma chave.

Enquanto a chave está desligada não há campo magnético ao redor das espiras porque não há corrente circulante.

A figura a seguir mostra apenas a bobina em destaque, com algumas espiras representadas em corte.

No momento em que a chave é fechada inicia-se a circulação de corrente na bobina.

Com a circulação da corrente surge o campo magnético ao redor de suas espiras.

Na medida em que a corrente cresce em direção ao valor máximo o campo magnético nas espiras se expande.

Ao se expandir o campo magnético em movimento gerado em uma espira corta a espira colocada ao lado.

Conforme Faraday enunciou induz-se nesta espira cortada pelo campo em movimento uma determinada tensão.

Cada espira da bobina induz nas espiras vizinhas uma tensão elétrica.

O que significa é que a aplicação de tensão em uma bobina provoca o aparecimento de um campo magnético em expansão que gera na própria bobina uma tensão induzida. Este fenômeno que consiste em uma bobina induzir sobre si mesma uma tensão é denominado de auto-indução.

A tensão gerada na bobina por auto-indução tem uma característica importante: tem polaridade oposta a tensão que é aplicada aos seus terminais, razão pela qual é denominada de força contra eletro motriz (FCEM ).

A corrente no circuito é causada por esta tensão resultante:

I =(V-RFCEM^ )←tensãoresultante

Como a FCEM existe apenas durante a variação do campo magnético gerado na bobina, quando o campo magnético atinge o valor máximo a FCEM deixa de existir e a corrente atinge o seu valor máximo.

O gráfico abaixo mostra detalhadamente esta situação.

O mesmo fenômeno ocorre quando a chave é desligada. A contração do campo induz uma FCEM na bobina retardando o decréscimo da corrente.

Em resumo, pode-se dizer que a auto-indução faz com que as bobinas tenham uma característica singular: uma bobina se opõe a variações bruscas de corrente.

Esta capacidade de se opor as variações de corrente é denominada de indutância e é representada pela letra L.

Indutância →→→→ L A unidade de medida da indutância é o Henry, representado pela letra H.

Capacidade de se opor as variações de corrente → Indutância (L) → Medida em Henrys (H)

A unidade de medida de indutância Henry tem submúltiplos muito utilizados em eletrônica. A tabela abaixo mostra a relação entre os submúltiplos e a unidade.

Sub Unidade Valor com relação ao Henry miliHenry (mH) 10

-3H ou 0,001H microHenry (mH) 10

-6H ou 0,000001H

A indutância de uma bobina depende de diversos fatores:

• Do núcleo

formato

seção

material

• Do número de espiras
• Do espaçamento entre as espiras
• Do condutor

seção

tipo

Em função de apresentar uma indutância as bobinas são também denominadas de indutores.

Os indutores podem ter as mais diversas formas, podendo inclusive serem parecidos com um transformador.

A figura a seguir mostra alguns tipos característicos de indutores.

É importante observar que a reatância indutiva de um indutor não depende da tensão aplicada aos seus terminais.

A corrente que circula em um indutor aplicado a CA (I (^) L) pode ser calculada com base na Lei de Ohm, substituindo-se R por X (^) L.

L

L X

I = V

onde: I (^) L = corrente eficaz no indutor em A V = tensão eficaz em V X (^) L = reatância indutiva em Ω

O indutor de 600mH aplicado a uma rede de CA 60Hz, 110V permitiria a circulação de uma corrente de:

L = 600H

X (^) L = 2 π. f. L = 6,28. 60. 06 = 226,08 Ω

I (^) L = 0,486A 226,

I 110V

X

V

L

I (^) L = 486mA

O fator de qualidade (Q)

Todo o indutor apresenta, além da reatância indutiva, uma resistência ôhmica que se deve ao condutor com o qual é confeccionado.

O fator de qualidade Q é uma relação entre a reatância indutiva e a resistência ôhmica de um indutor.

R

Q =XL

onde: Q = é o fator de qualidade X (^) L = reatância indutiva R = resistência ôhmica da bobina

Um indutor ideal deveria apresentar resistência ôhmica zero. Isto determinaria um fator de qualidade infinitamente grande. No entanto, na prática, este indutor não existe. Existe sempre a resistência ôhmica do condutor que constitui o indutor.

Por exemplo: o fator de qualidade de um indutor com reatância indutiva de 3768 Ω (indutor de 10H em 60Hz) e com resistência ôhmica de 80 Ω é:

R

Q X

L =

Determinação experimental da indutância de um condutor Quando se deseja utilizar um indutor e sua indutância é desconhecida, é possível determiná-la aproximadamente por processo experimental.

O valor encontrado não será exato porque é necessário considerar que o indutor é puro (R = 0).

Aplica-se ao indutor uma corrente alternada com freqüência e tensão conhecidas.

Associação de indutores

Relação de fase entre

corrente e tensão

Os indutores podem ser associados em série, em paralelo e até mesmo de forma mista, embora esta última não seja muito utilizada.

A associação série é utilizada como forma de obter uma maior indutância.

A indutância de uma associação série é dada pela equação: LT = L 1 + L 2 + ... + Ln

onde: LT = indutância total L 1 , L 2 , ... Ln = indutâncias associadas

As figuras a seguir mostram uma associação série de indutores e sua representação esquemática.

A associação paralela pode ser utilizada como forma de obter indutâncias menores ou como forma de dividir uma corrente entre diversos indutores.

A indutância total de uma associação paralela de indutores é dada pela equação:

1 2 n

T L

...^1

L

L

L^1

onde: LT = indutância total L 1 , L 2 , ... Ln = indutâncias associadas

Observa-se que as equações para cálculo da indutância se assemelham as equações para o cálculo de associações de resistores.

Relação de fase entre corrente e tensão nos indutores

Devido ao fenômeno de auto indução ocorre um defasamento entre corrente e tensão nos indutores ligados em CA.

A auto indução provoca um atraso na corrente em relação a tensão. Este atraso é de 90º (um quarto de ciclo).

Nos indutores a corrente está 90º atrasada em relação a tensão.