• Leonardo Ritter

Cap. 3.0. Os componentes: O Indutor

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 com um núcleo ferromagnético ou outro material propício (o porque da bobina e do núcleo você verá se continuar lendo o artigo!). 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:

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.

Um indutor nada mais é do que um enrolamento de fio, popularmente chamado de bobina. Este fio é feito de cobre na grande maioria dos casos. Ao circular energia este fio de cobre, um campo magnético é criado ao redor dele e, afim de aumentar o campo e o fluxo magnético utilizamos espirais de fio, ao invés de usar um simples pedaço de fio.

O indutor armazena e filtra energia elétrica. Quando é aplicada uma corrente variável 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.

Esta tensão está relacionada com a taxa de variação da corrente na bobina. Veja abaixo a representação de um indutor com o campo eletromagnético ao seu redor:

O indutor possui a mesma característica do capacitor: ele armazena cargas elétricas. A grande diferença está na forma com que o indutor armazenam energia: o indutor cria um campo magnético ao seu redor, diferente do capacitor que armazena cargas elétricas em forma de campo elétrico em suas armaduras.

De forma resumida, um indutor armazena energia em forma de campo magnético em seu enrolamento através da circulação de corrente elétrica pelas espiras de fio de cobre. Este campo induz uma força magnetomotriz (que podemos chamar de tensão) nos terminais do componente.

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 tensão em seus terminais e qualquer variação brusca de corrente gerará uma tensão infinita no mesmo instante.

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

A resposta é: depende! 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", podendo interferir no funcionamento de outros componentes do circuito. 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:

Observe os indutores "1R2" entre os capacitores CPA

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

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

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

Existem também indutores toroidais, que nada mais é do que um enrolamento diferente mas, que podem utilizar os mesmo materiais no núcleo. Veja a imagem de um indutor toroidal abaixo:

No mesmo núcleo de um indutor toroidal, podem haver vários enrolamentos de fio de cobre. O indutor toroidal da imagem ao lado 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.

Existem também indutores que ao invés de utilizar ferrite, utilizam um núcleo de ferro.

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

O que é indutância?

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

Abaixo, você vê a tabela com os 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.

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).

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 : Número de espiras;

> L : Indutância desejada em Henry;

> C : Comprimento do enrolamento em centímetros;

> S : Área abrangida por uma espira, em cm²;

> 1,256 : Constante da fórmula.

> 10^8 : constante da fórmula;

> 10^-8 : constante da fórmula.

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

Onde:

> π : vale 3,1416;

> r : Raio da espira;

> S : 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 essa fórmula 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 que, utilizamos estas fórmulas para calcular pequenos indutores artesanais!

Os cálculos a seguir são mais complexos e utilizados afim de se calcular "milimetricamente" um indutor

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

Onde:

> F : Força magnetomotriz;

> n : Número de espiras;

> i : Corrente elétrica que passa pelo indutor.

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

> F : Força magnetomotriz;

> l : Comprimento do núcleo (dado em metros).

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

> π : Vale 3,1416;

> H : Campo H (intensidade do campo magnético da bobina).

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:

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 porque 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.

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:

Para descobrir a secção transversal, você deverá saber o raio do cilindro do núcleo e calcular a área utilizando a fórmula matemática apresentada lá no início, quando mostramos as fórmulas para calcular pequenos indutores caseiros.

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

Onde:

> Ø : Fluxo magnético;

> B : Campo B (concentração do campo magnético da bobina);

> A : Área da secção transversal do cilindro do núcleo.

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

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

Onde:

> 1 : Constante da fórmula;

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

> A : Área da secção transversal do cilindro do núcleo.

Chegamos a 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 : Indutância, em Henry;

> n : número de espiras da bobina;

> Ø : Fluxo magnético;

> I : Corrente elétrica.

A energia armazenada num indutor é dada pela fórmula abaixo:

Onde:

> E : É a energia armazenada em Joules;

> L : É a indutância em Henrys;

> i : Corrente elétrica em amperes.

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 : Permeabilidade magnética;

> μr : Permeabilidade relativa do material;

> μO : Permeabilidade magnética do vácuo.

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

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 nesse valor, não importa o quanto for aumentado a corrente elétrica aplicada 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:

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. 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!

Estas foram apenas algumas informações sobre o indutor! Informações sobre sua construção!

No próximo artigo da série sobre eletrônica, vamos detalhar mais coisas sobre o indutor! Aguarde!

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 Facebook ou 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: 22 de Julho de 2019.

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