• Leonardo Ritter

Cap. 3.0. Os componentes: O Indutor

Atualizado: Mar 10

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!). enfim, o indutor é essencial na eletrônica, seja ela analógica ou digital!


Os indutores são constituídos de uma bobina de fo condutor com um núcleo ferromagnético ou outro material propício. Existem também pequenos indutores em formato semelhante à resistores de cerâmica 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, porém 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, isto é, 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. Este fenômeno é conhecido como autoindução e isso tudo é explicado pela Lei de Indução de Faraday.


Esta tensão está relacionada com a taxa de variação da corrente na bobina. Veja abaixo a representação de um indutor com linhas de campo eletromagnético em seu centro:

Simples diagrama de um indutor

Imagem 2


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

-> 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 pelas espiras de fio de Cobre. Este campo induz uma força eletromotriz (FEM - também chamada de Potencial Elétrico, que é simbolizado por "U") 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 FEM em seus terminais, e qualquer variação brusca de corrente gerará um Potencial Elétrico infinito no mesmo instante.

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.

Indutores estão disponíveis em vários tamanhos, com várias opções de núcleos e com várias indutâncias.


O que é indutância?

Como foi dito, a corrente elétrica pulsante provoca uma mudança nas linhas de fluxo do campo magnético e induz uma tensão nos terminais da bobina. A indutância nada mais é que uma oposição do condutor à mudança de corrente elétrica, já que ela é alternada e oscila entre o polo positivo e negativo a cada ciclo.

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).

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.

O magnetismo de um material pode continuar após cessar a força magnetomotriz e, para desmagnetiza-lo devemos aplicar uma força magnetomotriz contrária com a mesma intensidade. Este fenômeno é chamado de Histerese magnética.

Veja abaixo o gráfico com a curva de histerese:

Gráfico de histerese

Gráfico 2 - Histerese magnética


Quando a bobina é energizada pela primeira vez no circuito, B e H estarão no ponto "0" do gráfico. Após a energização da bobina, B e H vão aumentar em direção a "a" pela linha pontilhada. No momento em que o indutor em questão chega a "a" ele atinge a saturação magnética. Neste ponto de saturação, quando a corrente for cessada, o enrolamento começará a descarregar indo em direção a "b" e estará completamente descarregado quando chegar no ponto "c".

Como bobinas funcionam apenas em circuitos com corrente alternada, a corrente começará a fluir no sentido oposto, fazendo com que B e H sigam em direção a "d". Quando a corrente for cortada novamente, B e H vão ir para o ponto "e" e chegarão no ponto "f" quando a bobina se descarregar completamente. Neste momento a bobina volta se carregar e a ir em direção a "a". Todo este processo fica se repetindo enquanto o circuito estiver em funcionamento.


Quanto maior a área da curva de histerese, mais energia será desperdiçada em forma de calor. É por este motivo que bobinas esquentam.

As chamadas "perdas por histerese" nada mais são do que o calor gerado pelo atrito dos dipolos magnéticos ao mudar sua orientação de norte para sul a cada semi-ciclo da corrente alternada.

Procure sempre por bobinas com a menor área possível da curva de histerese pois elas tendem a armazenar mais energia com menos perdas. O aço-silício (também chamado de aço elétrico) possui menos perdas que o ferrite, e o ferrite possui menos perdas que o ferro. Materiais com menos perda tendem a ser um pouco mais caros.

Podemos dizer que quanto maior o ponto de saturação e quanto menor a perda, melhor é a bobina.

Para calcular pequenos indutores com núcleo de ar que não possuem um comprimento de 1,5 vezes maior que o diâmetro, podemos utilizar as fórmulas dadas abaixo:

Ou

Onde:

> n é o Número de espiras;

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

> C é o Comprimento do enrolamento, dado em centímetros (cm);

> S é a Área abrangida por uma espira, em cm²;

> 1,256 é Constante da fórmula.

> 10^8 é constante da fórmula;

> 10^-8 é constante da fórmula.

Para determinar a área abrangida, deverá saber o raio da espira:

Raio da espira

Agora aplique na fórmula abaixo:

Onde:

> π vale 3,1416;

> r é o raio da espira;

> S é a Área abrangida por uma espira, em cm²;

Para calcular indutores com núcleo, você deverá saber a permeabilidade magnética do material que vai ser utilizado como núcleo.

Aplica-se a mesma fórmula matemática para indutores sem núcleo, só que adiciona-se o valor da permeabilidade magnética do material que vai ser utilizado no núcleo. O símbolo que representa essa permeabilidade é o "μ".

Outra fórmula mais simples para indutores com núcleo pode ser utilizada, e ela é dada abaixo:

Os símbolos utilizados nesta fórmula matemática são os mesmos das outras fórmulas, só que inclui-se a intensidade do campo magnético, simbolizado pela letra "M"


Lembrando novamente que utilizamos estas fórmulas para calcular pequenos indutores artesanais.

Resumindo:


-> A corrente elétrica é o meio de propagação da energia elétrica através de um condutor. O fluxo de elétrons é demasiadamente lento, porém o campo eletromagnético se estabelece na velocidade da luz no momento em que o circuito é fechado. Um indutor é um enrolamento de fio condutor justamente para maximizar esse campo magnético gerado ao redor do fio. O indutor pode ter várias espiras. O indutor também é chamado de bobina;


-> Um indutor pode ter núcleo de ar ou um núcleo preenchido com um material ferromagnético, sendo geralmente Ferro, Ferrite ou Aço-Elétrico (também chamado de Aço-Silício). É no núcleo onde há a concentração das linhas de campo magnético geradas pelo fluxo de corrente oscilante no enrolamento de fio. No caso de um indutor com núcleo de ar as linhas de campo ficam mais dispersas no espaço;


-> O Campo Magnético ocorre com o fluxo de cargas elétricas (corrente elétrica), já o Campo Elétrico (também chamado de Força Eletromotriz ou Potencial Elétrico) é ocasionado por cargas elétricas. Aplicando-se uma corrente elétrica variável (alternada), o Campo Magnético varia também e isso induz um Potencial Elétrico nos terminais da bobina. Este é um fenômeno conhecido como autoindução e explicado pela Lei de Indução de Faraday;


-> Quando se trata de bobinas, a indutância (L), medida em Henrys (H) é um fator fundamental. A indutância nada mais é que a oposição do meio à uma variação de corrente elétrica. Quando a corrente elétrica for 1 Ampere e a Tensão elétrica for 1 Volt, haverá 1 Henry de indutância;


-> A Força Mangnetomotriz "F" (medida em Ampére por espira - A/e) é diretamente proporcional ao Campo H (medido em Amperes por metro - A/m), que é a intensidade do campo magnético na bobina. A Força Magnetomotriz (abreviada por FMM) é EQUIVALENTE a Força Eletromotriz (Abreviada por FEM, também chamada de Potencial Elétrico - simbolizado por "U" - e que é medido em Volts - V);


-> O Campo B (medido em Tesla - T - ou Gauss - G) é a concentração (densidade) do campo magnético (ou indução magnética) na bobina. Ele está diretamente atrelado ao material utilizado no núcleo da bobina e não faz o Campo H variar.


-> O Campo B aumenta de acordo com o Campo H até o momento de saturação magnética do material do núcleo;


-> O material ferromagnético retém um pouco do magnetismo após a corrente ser cortada, induzindo uma corrente elétrica no sentido oposto ao da corrente aplicada no indutor;


-> Além do material utilizado, o formato físico do núcleo influência muito nas características do indutor. Além de termos a Força Magnetomotriz "F", temos também o Fluxo Magnético "Ø" (medido em Webers - Wb), a Relutância Magnética "" (medida em Ampere por Weber - A/Wb) e a Permeância Magnética "P", que é o inverso da Relutância.


-> A Relutância Magnética "" é análoga a Resistência Elétrica, assim como a Permeância Magnética "P" é Análoga a Condutância Elétrica "G". Com isso podemos concluir que a Relutância Magnética é a oposição de um meio à magnetização, e a Permeância é o quão magnetizável o material é;


-> O Fluxo Magnético "Ø" (também simbolizado por "ΦB") é análogo ao Fluxo Elétrico "ΦE". Com isso podemos concluir que o Fluxo Magnético é o número de linhas de campo de indução magnética que atravessam um meio. No caso de uma bobina é o número de linhas de campo que se concentram no núcleo do indutor. O Campo B é a densidade de Fluxo Magnético.


-> A Permeabilidade Magnética "μ" é uma constante de proporcionalidade que depende do material utilizado na fabricação do núcleo do indutor e também do campo magnético aplicado. Resumidamente é a capacidade com que um material tem de ser magnetizado quando aplicado uma Força Magnetomotriz "F" sobre ele. A permeabilidade Magnética é medida em Henrys por metro (H/m);


-> A histerese é a capacidade de um sistema de conservar suas propriedades quando o estímulo que as gerou é cessado. No caso de um indutor, é a capacidade de conservar (armazenar) energia quando a tensão / corrente é cortada;


-> O gráfico de Histerese Magnética mostra a curva de carga e descarga de um indutor. Quanto maior a área entre a curva de carga e descarga, maior é a energia elétrica dissipada em forma de calor.


-> As perdas por histerese ocorrem em decorrência do atrito gerado na mudança de orientação norte e sul dos dipolos magnéticos a cada semi-ciclo da corrente alternada.

Estas foram apenas algumas informações sobre o indutor.

No próximo artigo da série sobre eletrônica é detalhado mais coisas sobre o indutor. Para acessa-lo, CLIQUE AQUI!

Se quiser saber um pouquinho mais sobre o assunto, acesse este PDF sobre eletricidade e magnetismo.

Se você ficou com alguma dúvida, entre em contato pelo e-mail hardwarecentrallr@gmail.com. Não deixe de curtir e compartilhar nas redes sociais!

FONTES e CRÉDITOS

Texto, fotos, gráficos e tabelas: Leonardo Ritter

Fontes: Instituto Newton C. Braga; EletronPI; BrasilEscola; Mundo da Elétrica; InfoEscola; Livro "Eletronica Para Autodidatas, Estudantes e Técnicos" de Gabriel Torres; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).

Ultima atualização: 09 de Março de 2021.

665 visualizações