• Leonardo Ritter

Excepcional: Ruídos Audíveis em Indutores e Capacitores


Neste artigo, vamos entender o motivo que faz um indutor ou capacitor "assoviarem" enquanto estão em funcionamento. É o chamado "Coil Whine", ou choramingo da bobina em português, ruídos incômodos e contínuos resultantes de interferências ou até mesmo fadiga da peça.

Quando se trata de indutores, o ruído contínuo criado pela peça em funcionamento pode ser explicado pela magnetostrição. Mas o que é isso?

A magnetostrição é uma propriedade dos materiais ferromagnéticos que faz com que eles se contraiam e dilatem durante o processo de magnetização. É um efeito análogo ao processo de contração e dilatação de um material quando submetido a uma variação de temperatura, porém, num circuito de ondas alternadas, tudo ocorre muito rápido e o material do núcleo do indutor trabalha imperceptivelmente como uma "mola", vamos dizer assim, pra ficar mais fácil de entender.

A variação da magnetização em um determinado material altera a deformação magnetostritiva do mesmo até atingir um valor de saturação denominado " λ ". Este efeito causa perda de energia em núcleos ferromagnéticos suscetíveis devido ao aquecimento por atrito.

Quando temos uma dilatação do material, isto é, ele aumenta de tamanho, temos então uma magnetostrição positiva. Quando temos uma retração, isto é, o material diminui de tamanho, temos uma magnetostrição negativa. De qualquer forma, esta é uma propriedade difícil de medir, cujo principal efeito é causar Coil Whine e dissipar energia.

Apesar de ser quase insignificante na prática, a magnetostrição depende de algumas variáveis, a tornando um fenômeno bastante complexo. Veja abaixo, alguns destes fenômenos:

> A direção do campo magnético: Podemos usar como exemplo uma material ferromagnético tendo forma cúbica. Se um campo magnético for aplicado na direção da aresta, vai resultar em uma variação de ΔL/L. "ΔL" é a variação de comprimento do material em relação ao campo magnético aplicado e "L" é o comprimento do material em condições normais.

> O valor do campo magnético: a dilatação e contração do material depende do valor do campo magnético aplicado, sendo de forma exponencial e imprevisível, fazendo com que cada material tenha sua curva ΔL/L em função do campo magnético aplicado. Podemos citar como exemplo o Ferro (Fe), que aumenta de comprimento aplicando-se pequenos valores de campo magnético, porém ao atingir um valor de corte, começa a sofrer retração do comprimento ao se incrementar valores de campo mais altos. Outro exemplo que pode ser dado é o de uma barra de Níquel (Ní), que sofre redução de comprimento aplicando-se qualquer campo magnético.

É importante lembrar que, independente da dilatação ou contração, não ocorre alteração de massa, apenas alterações de volume e densidade do material.

A aplicação de torque, isto é, esforços mecânicos de tração e compressão, também modificam as propriedades magnéticas dos materiais, portanto sendo um efeito oposto ao da magnetostrição, porém, como podes lembrar dos artigos sobre Física do Movimento, a aplicação de torque está mais relacionada a Força Gravitacional, enquanto a magnetostrição está relacionada à outra força fundamental, a Força Eletromagnética.

Voltando ao Coil Whine, temos mais uma coisa para complementar a explicação.

Todo o material possui uma ou mais frequências naturais de vibração. É um valor de frequência diferente pra cada material, que depende das dimensões, forma e composição. Quando se aplica uma perturbação externa, podendo ser, por exemplo, uma onda alternada num indutor, cuja frequência se iguala à frequência natural do material, temos a ressonância. É aí que quero chegar: Quando a frequência do sinal elétrico aplicado no indutor se iguala a frequência natural do material do núcleo, temos então a ressonância, que pode provocar mais vibrações, no caso desse exemplo, vibrações mecânicas, que produzem som audível para os Humanos, ou seja, o Coil Whine.

Para ficar mais fácil de entender, vamos usar um exemplo fora do contexto do artigo.

EXEMPLO 1:

Normalmente, quando entramos no carro ligamos o rádio para escutar notícias e ouvir uma música enquanto enfrentamos o transito caótico. Pois bem, o rádio é um circuito elétrico, cuja função é sintonizar frequências espalhadas pelo ar, vindas de aparelhos emissores. Para ocorrer a sintonização da sua rádio preferida, você gira o botão, indo de estação em estação, até encontrar. Quando você gira o botão, está na verdade alterando a frequência do circuito sintonizador, fazendo com que ele entre em ressonância com alguma frequência espalhada pelo ar. Para isso é imprescindível a presença de uma excelente antena, para permitir que o circuito sintonizador e os diversos sinais presentes no ambiente ao seu redor interajam melhor.

CONCLUINDO A DISCUSSÃO

Normalmente, o ruído audível vindo do indutor é proveniente da dilatação e contração do material devido as ações do campo magnético variável (magnetostrição, explicada lá no início) somados a ressonância do material com a onda elétrica. Lembrando que, ainda temos a agitação das partículas causado pelo atrito (no caso dos núcleos ferromagnéticos), pela Relutância magnética (análoga a Resistência elétrica) e até mesmo pela onda elétrica oscilante (resistência elétrica "normal" do fio de cobre e também o Fator Q da bobina), provocando a geração de calor no componente, ou seja, além de termos vibrações mecânicas dissipando a energia temos também o calor.

Você pode entender mais sobre estes fatores nos artigos piloto sobre indutores CLICANDO AQUI e AQUI!

Sinceramente, nunca ouvi o termo "Caps Whine", porém acho interessante usar este nome, já que é um choramingo análogo ao do indutor, no entanto ocasionado por outros efeitos.

As vezes também podemos escutar zumbidos vindo de capacitores, e como você sabe, para funcionar, um capacitor precisa estar em um circuito pulsante, ou seja, de corrente / tensão alternadas. Nessas ondas podem acontecer vários harmônicos, isto é, de forma sucinta, várias ondas juntas e sobrepostas, e com isso, forças eletrostáticas variantes podem aparecer.

O grau em que ondas harmônicas podem ser toleradas em um sistema elétrico depende da susceptibilidade da carga. Os equipamentos menos sensíveis são, geralmente, os de aquecimento (Resistência elétrica), pois nestes a forma de onda não é muito relevante.

Se você não se lembra, a eletrostática é o estudo de propriedades e comportamento de cargas elétricas em repouso. Forças eletrostáticas são forças de interação entre duas cargas elétricas através da atração e repulsão. As forças eletrostáticas, ou também chamadas de Forças de Coulomb, estão diretamente atreladas a Piezoletricidade. Mas o que é isso? Vou explicar:

A Piezoeletricidade é a capacidade de alguns cristais (cerâmicas e polímeros, por exemplo) gerarem tensão elétrica em resposta a uma pressão mecânica. Lembrou do cristal de Quatzo que faz o clock do processador do seu computador?

Porém, o que mais se encaixa com este zumbido do capacitor é, na verdade, o efeito piezoelétrico inverso, que é quando uma tensão elétrica aplicada em um cristal produz uma pressão mecânica, que pode ser uma dilatação ou contração, resultando em som audível (o que depende das características do material) e também calor. Fugindo do contexto, em alguns casos, por exemplo, o efeito piezoelétrico inverso é usado para gerar ondas de ultrassom.

É valido ressaltar também que, os capacitores são projetados para trabalharem dentro de uma faixa de temperatura, ou seja, a dilatação da estrutura do capacitor (dentro dos limites estipulados) provocada pela agitação das partículas já está no projeto e não tem muita relação com a geração de ruídos, todavia, pode intensifica-los se somado com os fenômenos descritos acima.

Capacitores eletrolíticos de Óxido de Alumínio de marcas duvidosas são vilões do circuito, pois além não durarem muito, a falta de qualidade de projeto, dos materiais utilizados, a vaporização do eletrólito (que pode causar a explosão do capacitor e vazamento do eletrólito) intensifica o superaquecimento e também o ruído. E isso também pode acontecer com capacitores eletrolíticos velhos, que já estão fazendo "hora extra" no circuito. Veja abaixo a imagem de um capacitor eletrolítico comum:

CONCLUINDO A DISCUSSÃO

Como as ondas sonoras que escutamos são vibrações mecânicas longitudinais feitas a partir de deslocamento dos meios materiais (que possuem massa e elasticidade, como por exemplo o ar), a vibração proveniente do fluxo de cargas elétricas, que provocam forças elétricas e contração e dilatação do meio (neste caso, a estrutura do capacitor) geram o tal ruído chato.

É importante dizer que, os fenômenos estudados aqui, sobre o capacitor, são respostas da eletrostática, já a magnetostrição tem relação com a magnetostática, portanto, apesar de serem parecidos, são bem distintos.

Em fontes de alimentação de desktop genéricas, a placa de circuito pode ser uma verdadeira "banda" emitindo uma variedade de ruídos chatos provenientes dos capacitores e indutores.

Placas de vídeo e placas-mãe quando estão sendo exploradas ao máximo em games e edição ou exibição de conteúdo multimídia também podem sofrer muitos ruídos provenientes dos indutores, porém, isto é "fruto" da magnetostrição e não há motivos para se preocupar.

Enfim, concluímos este artigo e complementamos mais ainda a nossa biblioteca de informações sobre capacitores e indutores. Reclamações, correções, ideias, é só entrar em contato via e-mail hardwarecentrallr@gmail.com

FONTES e CRÉDITOS

Texto e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas); TodaMatéria; SóFísica, UOL Educação; TecMundo


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