• Leonardo Ritter

Cap. 3.0. Os componentes: O Indutor

Atualizado: Jan 9

Neste artigo será dada a continuidade nas explicações sobre os componentes passivos da eletrônica. O componente da vez é o indutor, essencial em praticamente todos os circuitos.

Podemos encontrar o indutor em circuitos de sintonia de rádio AM e FM, nas fases de alimentação de uma CPU, GPU ou Chipset de placas-mãe e placas de vídeo, podemos encontra-lo em circuitos de sintonia de rádio Wi-Fi e Bluetooth (o indutor pode estar dentro de circuitos integrados!), bem como em relés e transformadores, bobinas de ignição de automóveis. Enfim, o indutor é essencial na eletrônica, seja ela analógica ou digital!


Os indutores são constituídos de uma bobina de fio condutor com um núcleo ferromagnético ou outro material propício. Existem também pequenos indutores em formato semelhante à resistores de cerâmica, que podem ser encontrados no formato axial ou SMD, sendo que o SMD é muito comum em placas de smartphones e outros circuitos compactos.


Abaixo, você vê a simbologia dos principais tipos de indutores:

Alguns simbolos para indutores

Tabela 1 - Simbologia dos indutores


Na imagem acima, mostramos alguns símbolos utilizados para indutores. A simbologia de transformadores e outros dispositivos que funcionam com bobinas não será detalhada neste artigo.

Para entender o funcionamento do indutor, é necessário saber que a corrente elétrica é só um meio de propagação da energia. No momento que o circuito é fechado, ocorre instantaneamente um fluxo de corrente muito lento, porém o campo eletromagnético estabelecido no circuito ocorre na velocidade da luz. Basta haver um condutor energizado, isto é, com fluxo de corrente para que se tenha uma campo magnético.


Para saber mais sobre intensidade de corrente elétrica, campo elétrico, condutores e isolantes, comece pela Unidade 1, lendo o artigo "Capítulo 1.0 - Condutores e Isolantes".


Continuando o raciocínio: Já que um simples pedaço de fio condutor não provoca o campo magnético desejado, é feito um enrolamento de fio cujo nome é indutor, que também é popularmente chamado de bobina.

Este fio é feito de Cobre na grande maioria dos casos. Ao circular uma corrente pulsante (alternada) sobre o enrolamento de fio condutor, temos a condensação de campo magnético, e consequentemente, armazenamento de energia na forma de campo magnético.

Imagem 1


O indutor armazena e filtra energia elétrica. Quando é aplicada uma corrente variável (alternada) no terminal do indutor, o campo magnético ao redor do fio varia, e conforme a variação deste campo, uma tensão é induzida em seus terminais (você verá mais complexidade à frente). Este fenômeno é conhecido como autoindução e isso tudo é explicado pela Lei de Indução de Faraday. Em resumo:

-> Todo indutor percorrido por corrente elétrica gera um campo magnético proporcional a essa corrente (seja ela contínua ou alternada);

-> Um indutor sob a influência de um campo magnético variável gera corrente elétrica proporcional a esse campo;

-> Quando uma corrente variável é aplicada em um indutor, gera campo magnético variável e este gera de volta uma corrente induzida (e consequentemente uma força contra-eletromotriz induzida) no próprio indutor;

-> Segundo a Lei de Faraday, essa contra-tensão induzida é diretamente proporcional ao número de espiras e a velocidade de variação do campo magnético.


Veja abaixo a representação de um indutor com linhas de campo eletromagnético em seu centro:

Simples diagrama de um indutor

Imagem 2


CURIOSIDADE: O indutor possui a mesma característica do capacitor, isto é, ele armazena energia. A grande diferença está na forma com que o indutor faz isto:

-> O indutor armazena energia através de campo magnético,

-> O capacitor armazena energia condensando (retendo) cargas elétricas.


De forma resumida, um indutor armazena energia em forma de campo magnético em seu enrolamento através da circulação de corrente elétrica (pulsante ou alternada) pelas espiras de fio de Cobre. Este campo induz uma força contra-eletromotriz (FCEM), bem como corrente elétrica nos terminais do componente.

Regra da mão direita

Imagem 3


Para saber a direção que que o campo magnético está, devemos aplicar a regra da mão direita e notar o sentido em que a corrente elétrica está circulando pelo fio.

Duas coisas que podemos observar em um indutor é que quanto maior a variação de corrente no enrolamento, maior será a FCEM em seus terminais, e qualquer variação brusca de corrente gerará um Potencial Elétrico infinito no mesmo instante.

Indutância e Reatância indutiva


Entender o conceito de indutância é fundamental para entendermos o funcionamento de um indutor.

Devemos começar o assunto por um termo um tanto quanto incomum: a anteriormente citada "força contra-eletromotriz", que trabalha em oposição à força eletromotriz (FEM, também chamada simplesmente de tensão elétrica) aplicada nos terminais de um enrolamento.

Segundo a Lei de Lenz, toda corrente induzida gera um campo magnético que se opõe à variação do campo magnético indutor (ou gerador, isto é, o campo provocado pela corrente que alimenta o componente).

-> Se o campo está aumentando no sentido norte, a corrente gera um campo norte também;

-> Se o campo diminui no sentido norte, a corrente gera um campo no sentido sul.


Esta corrente induzida provoca sempre a ação de frenagem, ou "resistência" ao aumento da corrente de alimentação da bobina. É aí que entra a chamada "força contra-eletromotriz".

Como o próprio nome sugere, força contra-eletromotriz é um potencial elétrico que age contra. Neste caso, é gerada pela bobina contra a corrente que a alimenta.


-> Num circuito com corrente contínua: Toda bobina trabalha com o princípio da ação e reação, ou seja, quando é colocada uma corrente elétrica nela, esta gera um campo magnético. O campo gera de volta na mesma bobina uma corrente induzida de polaridade inversa. A corrente da fonte encontra a corrente induzida e elas se subtraem.

Como consequência, a corrente de alimentação vai demorar algum tempo para atingir seu valor máximo, até que o campo magnético se estabilize, ou seja, deixe de oscilar e a força contra-eletromotriz deixe de existir.

Quando o circuito já está ligado a algum tempo, o campo magnético está estável, não gerando nenhuma corrente e consequentemente não há força contra-eletromotriz. A corrente da fonte é limitada somente pela resistência ôhmica do fio da bobina.


-> Num circuito com corrente alternada ou pulsante: a corrente varia seu valor constantemente, o campo magnético gerado acompanha essa variação e a força contra-eletromotriz está presente o todo tempo, agindo contra a corrente da fonte.

É aí que chegamos: Neste caso, além da resistência elétrica (medida em Ohms) do fio da bobina, é contabilizada também a resistência dinâmica, conhecida como reatância indutiva (xL), que se somam. Esta reatância indutiva faz com que demore um determinado tempo para que a corrente máxima de alimentação (seja ela alternada ou pulsante) se estabeleça na bobina.


Em resumo, a indutância é a tendência que um condutor têm de se opor a uma mudança na corrente elétrica que flui por ele. Ou seja, a indutância, medida pela unidade Henry (simbolizada por "H"), é a mensuração desta força Contra-eletromotriz, que também provoca uma resistência indutiva, mais conhecida como reatância indutiva.

CURIOSIDADE: Este atraso na aplicação da corrente máxima de alimentação pode acontecer em qualquer bobina, seja ela de um relé, seja de um eletro-injetor de combustível (bico-injetor)...

Toda bobina que trabalhe com corrente alternada ou pulsante terá a reatância indutiva se manifestando a cada alternância de polaridade ou a cada pulso. Já num sistema onde a bobina opera com corrente contínua, com o desligamento do circuito o campo magnético se desfaz. Porém, de acordo com a Lei de Lenz, uma corrente será gerada e a polaridade da tensão será oposta à da fonte.

Como o campo magnético “some” muito rapidamente, a tensão gerada neste momento é muito grande (Lei de Faraday).

É aqui que se mostra a necessidade da utilização de um diodo em ante-paralelo (ou diodo de roda-livre) com a bobina de um relé para consumir essa energia e evitar que o dispositivo de manobra, geralmente um transistor bipolar, seja destruído com a alta tensão. Ou seja, este diodo é montado com o objetivo de evitar que pulsos de tensão negativa fluam para outros componentes. É uma maneira de se evitar uma espécie de “avalanche” na forma de tensão aplicada em sentido oposto, o que, para um sistema formado por semicondutores, ocasionaria graves consequências a médio e longo prazo.


Para entender as fórmulas matemáticas que iremos apresentar ao longo deste texto, você deve saber que a unidade de medida padrão do SI para quantizar a indutância é o Henry, abreviado pela letra "H".

Abaixo, você vê a tabela com os prefixos do Henry:

Submúltiplos de Henry

Tabela 2 - Prefixos do Henry


Quando a corrente elétrica que passa pela bobina for 1 Ampére e a Tensão 1 Volt, a indutância será de 1 Henry.

Observe a fórmula abaixo:

Onde:

> T é a Tensão, em Volts (V);

> L é a Indutância, em Henry (L);

> Δi/Δt é a variação da corrente em um dado período de tempo.


A indutância é um valor que surge a partir das dimensões e características da bobina. Devemos dimensiona-la para saber que indutância terá, e a partir dai calcular a energia que ela irá armazenar e o efeito que este enrolamento fará no circuito.

Entre as características e dimensões estão:


-> Diâmetro da espiral;

-> Área abrangida por uma espira ou área da secção transversal do núcleo;

-> Quantidade de espiras (quantidade de "voltas" do fio para formar o enrolamento);

-> Comprimento da bobina;

-> Permeabilidade magnética do núcleo;

-> Características do fio de cobre utilizado (diâmetro e comprimento).


Pra finalizar o assunto "reatância indutiva"...

CURIOSIDADE: A reatância, seja ela indutiva ou capacitiva, tem como unidade de medida o Ohm (simbolizado por Ω). A reatância indutiva de um indutor aumenta proporcionalmente com a frequência (medida em Hertz), portanto, um indutor conduz menos corrente para uma dada tensão alternada aplicada à medida que a frequência aumenta. Como a tensão induzida é maior quando a corrente está aumentando, as formas de onda da tensão e da corrente estão fora de fase, defasados em 90°. Você vê mais sobre este assunto no Capítulo 2 desta série sobre indutores, basta CLICAR AQUI!

Mas e o "miolo" do indutor? Não tem nada, é só um enrolamento de fio mesmo?


Indutores podem ter um núcleo, isto é, o fio de cobre pode ser enrolado em um material que concentra mais o fluxo magnético (as linhas de força deste campo) produzido pelo fluxo da corrente elétrica, e isso traz benefícios para o funcionamento geral da bobina. É o que veremos na sequência.

Um indutor também pode ter o núcleo de ar, isto é, não há nada em seu "miolo", é literalmente uma espiral de fio de Cobre.


Como foi dito, a função do núcleo do indutor é concentrar o fluxo magnético no componente, sem ter chance de "espalha-lo", o que pode ocasionar interferência no funcionamento de outros componentes do circuito e até mesmo uma maior dissipação de energia elétrica.

Placas-mãe de desktop, notebook e placas de vídeo mais novas possuem bobinas cobertas com o mesmo material do núcleo (normalmente é ferrite), tornando o isolamento do componente mais eficaz. Estes indutores são fáceis de identificar: são pequenas "caixinhas" na placa. Veja a imagem abaixo:

Indutores

Imagem 4 - Observe os indutores "1R2" entre os capacitores CPA

Abaixo, indutores de ferrite com a bobina completamente escondida (as caixinhas):

Indutor de ferrite completamente isolado

Imagem 5


Abaixo, você a imagem de um indutor com núcleo de ar:

Indutores com núcleo de ar

Imagem 6


Abaixo, você vê vários modelos de indutores com núcleo de ferrite:

Indutores de ferrite

Imagem 7


Existem também indutores toroidais, em que a única diferença é o formato físico do núcleo. Veja a imagem de um indutor toroidal abaixo:

Indutor toroidal

Imagem 8


No mesmo núcleo de um indutor toroidal podem haver vários enrolamentos de fio de Cobre. O indutor toroidal da Imagem 9 possui apenas um enrolamento (são apenas dois terminais por enrolamento). Estes indutores são comuns em fontes de alimentação ATX de computadores de mesa, além de vários outros equipamentos.


Nos artigos seguintes desta Unidade são mostrados os diferentes materiais que podem ser utilizados num núcleo de indutor. O ferrite é apenas um deles. As bobinas mostradas nas imagens acima também podem ter versões com núcleo de aço-elétrico ou pó de ferro.

A capacidade de um capacitor armazenar energia vem da tensão aplicada em seus terminais, já num indutor a capacidade de armazenar energia vem da força magnetomotriz do componente, que é dada pela fórmula abaixo:

Onde:

> F é a Força magnetomotriz, dada em A/e (Amperes por espira);

> n é o número de espiras;

> i é a Corrente elétrica que passa pelo indutor, dada em Amperes (A).


Temos também o campo H, que é a intensidade do campo magnético da bobina. Para calcularmos estes valores, devemos saber o comprimento do núcleo e sua força magnetomotriz. O campo H é diretamente proporcional a força magnetomotriz e será sempre o mesmo se mantivermos a quantidade de espiras e a mesma corrente elétrica. Veja a fórmula abaixo:

Onde:

> H é o Campo H (intensidade do campo magnético da bobina), em Amperes por metro (A/m);

> F é a Força magnetomotriz, dada em A/e (Amperes por espira);

> l é o comprimento do núcleo (dado em metros).


OBSERVAÇÃO: Não confundir o campo H com a unidade de medida Henry, que também é simbolizada pela letra "H".

O campo induzido B depende do material utilizado como núcleo do indutor. Este campo não faz o campo H variar. O campo B só vai variar se colocarmos outro núcleo com permeabilidade magnética diferente. Veja a fórmula abaixo:

Onde:

> B é o Campo B (concentração do campo magnético da bobina), que possui como unidade de medida o Tesla (T);

> π vale 3,1416;

> H é o Campo H (intensidade do campo magnético da bobina), medido em Amperes por metro (A/m).

Podemos observar que, o campo induzido B aumenta de acordo com o campo H, porém chega um momento em que mesmo aumentando o campo H, o campo B para de aumentar, e este é o momento em que o material atinge sua saturação magnética. O ponto de saturação magnética depende do material utilizado no núcleo do indutor.

Veja o gráfico abaixo:

Ponto de saturação magnética de alguns materiais

Gráfico 1 - Saturação magnética do indutor


Num indutor em que o núcleo seja algum material ferromagnético, quando a energia que passa pelo enrolamento de fio é cessada (como foi dito, indutores só funcionam com corrente alternada), o campo magnético e a indução magnética não são interrompidos no mesmo instante, isto pois o material ferromagnético retém um pouco do magnetismo após a corrente ser cortada. Este magnetismo retido vai induzir uma corrente elétrica no sentido oposto a corrente aplicada no indutor, o que significa que indutores armazenam energia após seu desligamento. Veja mais no tópico "Histerese Magnética".

A energia em um indutor é armazenada em seu fluxo magnético, que depende do campo B e área da secção transversal "A" do núcleo. Como assim?

Veja a imagem abaixo para entender o que é secção transversal:

O campo B e o fluxo magnético no indutor

Imagem 9


Para descobrir a secção transversal, você deverá saber o raio do cilindro do núcleo e calcular a área utilizando a fórmula matemática apresentada no tópico "Calculando", lá no final deste texto, onde mostramos as fórmulas para calcular pequenos indutores caseiros.

A fórmula que utilizamos para calcular o fluxo magnético é dada a seguir:

Onde:

> Ø é o Fluxo magnético, que possui como unidade de medida o Weber (Wb);

> B é o Campo B (concentração do campo magnético da bobina), medido em Tesla (T);

> A é a Área da secção transversal do cilindro do núcleo.

O formato do núcleo também influência no funcionamento do indutor. Observe o desenho abaixo:

Imagem 10


Para calcular o comprimento do núcleo, devemos medir seus lados ou sua circunferência (caso ele seja do tipo toroidal) levando em conta o centro do núcleo, onde está localizado "o principal" do fluxo magnético. Observe as linhas vermelhas no desenho acima para entender melhor.

A relutância de uma bobina é quando relacionamos o fluxo magnético com a força magnetomotriz.

Perceba as semelhanças:


-> A força magnetomotriz "F" (medida em Ampere por espira - A/e) é equivalente a tensão elétrica (medida em Volts - V);

-> A relutância "" (medida em Ampere por Weber - A/Wb) é análoga a resistência elétrica (media em Ohms - Ω);

-> O fluxo magnético "Ø" (Medido em Webers - Wb) é análogo ao fluxo elétrico (medido em Volts x metro - V.m).


Portanto podemos concluir que, a força magnetomotriz, relutância e fluxo magnético são utilizadas em circuitos magnéticos e equivalem as grandezas elétricas tensão, resistência e ao fluxo elétrico utilizadas em circuitos elétricos. A relutância oferecida pelo material utilizado no núcleo do indutor é dada pela fórmula:

Onde:

> é a relutância, em Ampére por Weber (A/Wb);

> μ é a permeabilidade magnética do material utilizado no núcleo (capacidade do material de concentrar o campo magnético);

> A é a Área da secção transversal do cilindro do núcleo.


CURIOSIDADE: O inverso da relutância é chamado de permeância magnética. Assim como a relutância é análoga a resistência elétrica, a permeância é análoga a condutância elétrica.


Para calcular a permeância magnética (P), utiliza-se a fórmula:


Outras formas de calcular a Relutância, força magnetomotriz e fluxo magnético são dadas abaixo:

Note que as três fórmulas seguem a mesma lógica para cálculo de tensão, corrente e resistência elétrica.

Chegamos na fórmula para saber a indutância da bobina.

No capacitor relacionamos a tensão com a carga elétrica acumulada e chamamos isso de capacitância. Já no indutor, relacionamos a corrente com o fluxo magnético e temos a indutância. Observe a fórmula abaixo:

Onde:

> L é a Indutância, em Henry;

> n é o número de espiras da bobina;

> Ø é o Fluxo magnético, medido em Webers (Wb);

> I é a Corrente elétrica, medida em Amperes (A).

A energia armazenada num indutor é dada pela fórmula abaixo:

Onde:

> E é a energia armazenada, medida em Joules (J);

> L é a Indutância, medida em Henrys (H);

> i é a Corrente elétrica, medida em Amperes (A).

Sobre a permeabilidade magnética do núcleo, devemos calculá-la levando em conta a permeabilidade magnética do vácuo e a permeabilidade relativa do material em questão:

Onde:

> μ é a Permeabilidade magnética do núcleo;

> μr é a Permeabilidade relativa do material usado na confecção do núcleo;

> μO é a Permeabilidade magnética do vácuo.


OBSERVAÇÃO: A permeabilidade magnética é medida em Henrys por metro (H/m).


Veja abaixo a permeabilidade de alguns materiais ferromagnéticos e também a permeabilidade do ar:

Tabela 3 - Permeabilidade magnética de alguns materiais


Lembre-se que estes utilizados em indutores são materiais ferromagnéticos (exceto o ar). Existem os paramagnéticos e os diamagnéticos que vamos ver em artigos futuros, quando falarmos mais sobre magnetismo.

Ainda falando sobre permeabilidade, a permeabilidade magnética também pode ser entendida como a capacidade de um material de se magnetizar quando aplicado uma força magnetomotriz sobre ele. Todo material possui um nível máximo de magnetização, e quando este valor máximo for atingido o material vai se estabilizar, não importando se for aplicado um valor de corrente elétrica a mais em seus terminais.