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Conheça as Indutâncias (ART1809)

A maioria dos montadores não gosta muito das chamadas "bobinas", por diversos motivos. Um deles é o desconhecimento de seu princípio de funcionamento. O outro é a dificuldade em obtê-las. Neste artigo vamos falar um pouco dos indutores ou bobinas, que são componentes muito usados nas montagens eletrônicas, dando algumas orientações que, sem dúvida, serão de utilidade para nossos leitores.

Foi Hans Christian Oersted, um professor dinamarquês que no século passado descobriu que era possível criar campos magnéticos a partir de correntes elétricas. O efeito magnético da corrente elétrica aparecia quando

uma corrente circulava por um fio e "criava" forças suficientemente intensas para mudar de posição uma agulha magnetizada, conforme mostra a figura 1.

 

    Figura 1 – O campo magnético de uma corrente
Figura 1 – O campo magnético de uma corrente

 

 

Evidentemente, naquela época o fenômeno não passou de curiosidade, mas com o tempo, esse efeito foi aproveitado em diversos tipos de dispositivos e hoje é muito importante para eletrônica.

Para que possamos entender como esse efeito é aproveitado em diversos tipos de dispositivos eletrônicos, será interessante estudarmos sua natureza desde o início.

Quando cargas elétricas se movimentam, em torno de sua trajetória aparece um campo magnético, conforme mostra a figura 2.

 

   Figura 2 – Cargas em movimento criam campos magnéticos
Figura 2 – Cargas em movimento criam campos magnéticos

 

 

Veja que devemos diferenciar a natureza do campo elétrico da natureza do campo magnético.

Enquanto o campo elétrico aparece em torno de uma carga elétrica parada, o campo magnético exige movimento.

Assim, sempre que houver cargas elétricas em movimento, ou seja, correntes elétricas, teremos obrigatoriamente o aparecimento de campos magnéticos.

Num fio percorrido por uma corrente, se representarmos esta corrente no sentido convencional que vai do pólo positivo para o negativo, as linhas de força do campo magnético terão o sentido indicado na figura 3.

 

   Figura 3 – A orientação do campo magnético
Figura 3 – A orientação do campo magnético

 

Trata-se da conhecida "regra do saca-rolhas", estudada nos cursos técnicos, ensino médio e nos cursinhos preparatórios aos vestibulares: o campo representa o movimento do saca-rolha para que ele avance no mesmo sentido da corrente.

Veja que o campo produzido por uma corrente elétrica tem a mesma natureza que o campo produzido por um imã.

No imã, o campo tem origem nos elétrons que giram de maneira organizada em torno dos núcleos dos átomos, produzindo campos, conforme a orientação mostrada na figura 4.

 

 

   Figura 4 – Os elétrons se movimentam num imã criando um campo orientado
Figura 4 – Os elétrons se movimentam num imã criando um campo orientado

 

Observe que as linhas de força dos campos magnéticos são sempre fechadas, ou seja, sempre saem do pólo Norte e chegam ao pólo Sul e quando, como no caso da corrente, não podemos identificar esses pólos, elas formam círculos concêntricos.

 

REFORÇANDO O CAMPO

O campo magnético que aparece em torno de um fio percorrido por uma corrente é muito fraco, mal conseguindo deflexionar uma agulha imantada.

No entanto, é possível aumentar a intensidade desse campo, se enrolarmos o fio condutor de modo a formar uma bobina, como sugere a figura 5.

 

   Figura 5 – Aumentando a intensidade do campo criado pela corrente
Figura 5 – Aumentando a intensidade do campo criado pela corrente

 

 

Tendo de passar pelo mesmo lugar, dando voltas em espiras diferentes, a corrente cria campos que se somam e a bobina se comporta como um verdadeiro imã, com um pólo Norte e um pólo Sul, conforme mostra a figura 6.

 

   Figura 6 – Os campos de um imã e um solenóide são iguais
Figura 6 – Os campos de um imã e um solenóide são iguais

 

Qual extremidade será o pólo Norte e qual será o pólo Sul dependerá do sentido de circulação da corrente na bobina e pode ser determinada pela mesma regra do saca-rolhas.

O dispositivo formado por uma bobina nas condições indicadas é um solenóide.

Podemos concentrar o campo magnético criado por uma bobina se, no seu interior, colocarmos um núcleo de material ferroso, por exemplo, o ferro, o aço, ou ainda o ferrite.

Estes materiais têm a propriedade de concentrar as linhas de força do campo magnético, como mostrado na figura 7.

 

   Figura 7 – Materiais que concentram as linhas de um campo magnético
Figura 7 – Materiais que concentram as linhas de um campo magnético

 

Alguns dispositivos podem ser formados por bobinas com ou sem núcleo, ou ainda com núcleos móveis.

Podemos citar o caso dos relés em que temos uma bobina com um núcleo que atrai uma parte móvel quando é percorrida por uma corrente.

A parte móvel tem contatos que podem ou fechar em função da corrente de uma bobina conforme mostra a figura 8.

 

   Figura 8 –O relé
Figura 8 –O relé

 

Outro dispositivo é o solenóide que tem um núcleo móvel que e' puxado para dentro com muita força quando uma corrente na bobina cria um campo magnético.

Este movimento pode ser usado para abrir fechaduras em portas elétricas ou ainda para abrir válvulas de água, como nas máquinas de lavar roupas.

Na figura 9 mostramos o princípio de funcionamento de um solenóide.

 

 

   Figura 9 – O solenóide
Figura 9 – O solenóide

 

 

Veja que todos estes dispositivos operam com uma corrente contínua circulando pela bobina.

Se aplicarmos uma corrente de características diferentes a um dispositivo formado por fio enrolado, o efeito do campo criado pode ser diferente.

Na realidade, este efeito é tão diferente que pode ser aproveitado numa outra categoria de componentes eletrônicos de grande importância.

Se tivermos uma bobina com fio de cobre, sua resistência à passagem de uma corrente depende basicamente da resistência do fio de cobre usado.

Usando fios apropriados podemos obter campos intensos quando correntes circulam.

No entanto, existem alguns fenômenos que merecem ser comportamento da bobina quando a corrente varia.

Vejamos um primeiro caso em que temos uma bobina ligada a uma pilha por meio de uma chave e que é mostrado na figura 10.

 

   Figura 10- corrente quando fechado o circuito
Figura 10- corrente quando fechado o circuito

 

 

No momento em que fechamos a chave, a corrente não aumenta instantaneamente de intensidade até atingir o máximo.

O campo magnético tem de ser criado e isso significa que suas linhas de força se expandem com certa velocidade.

Ora, ao se expandirem, essas linhas cortam as espiras da mesma bobina e isso causa um fenômeno de indução.

Se os fios cortarem as linhas de um campo quer seja pelo seu próprio movimento quer pelo movimento do campo, é induzida uma tensão neste fio, figura 11.

 

   Figura 11 – A indução
Figura 11 – A indução

 

 

No caso da bobina a tensão induzida tende justamente a se opor ao estabelecimento da corrente.

Em suma, a bobina "reage" ao estabelecimento da corrente, com uma certa oposição.

Da mesma forma, se a corrente for interrompida quando a chave é aberta, as linhas de força do campo magnético não se contraem instantaneamente, mas demoram um certo tempo.

E, nesta contração, elas cortam as espiras da mesma bobina, agora induzindo uma tensão contrária àquela que provocou a corrente que as estabeleceu.

O resultado disso é que por um instante aparece uma tensão nas extremidades da bobina, enquanto as linhas se contraem.

Em algumas bobinas de grande número de espiras, esta tensão chega a ser suficientemente elevada para provocar uma faísca entre os contatos da chave no momento em que ela é desligada.

Em suma, o que ocorre é que as bobinas não "gostam" de variações da corrente, quer seja quando ela aumenta, quer seja quando diminui, pois isso implica em alterações do campo magnético.

As bobinas reagem a isso e este fato nos leva a dizer que as, bobinas têm uma certa reatância.

 

REATÂNCIA lNDUTlVA

Evidentemente, num circuito de corrente contínua só teremos problemas com a indutância no momento em, que a corrente for estabelecida ou desligada.

No entanto, as bobinas podem ser usadas em circuitos de correntes alternadas, onde as correntes estão variando constantemente.

Nestes circuitos, o que ocorre é que a bobina está constantemente “reagindo” às variações da corrente.

Isso significa que, a intensidade da corrente que circula numa bobina, quando ligada num circuito de corrente alternada, não depende somente da resistência do fio usado, mas de um fator adicional: a reatância.

As bobinas possuem então uma "reatância indutiva" que é a propriedade de se opor à circulação de uma corrente alternada.

Assim, uma bobina que tenha, uma resistência do fio de 10 ohms para a circulação de uma corrente contínua apresenta uma oposição, 100 ohms, por exemplo, quando num circuito de corrente alternada.

É o que ocorre com um pequeno transformador: se medirmos com o multímetro a resistência de seu enrolamento primário encontramos um valor baixo que nos levaria a calcular uma corrente muito alta quando ele fosse ligado na rede de energia.

No entanto, ao ser ligado na rede de energia, o transformador cujo enrolamento primário é uma bobina ou indutor, deixa circular uma corrente muito menor.

Veja que a reatância indutiva também é medida em ohms, pois ela é uma "oposição à passagem da corrente" exatamente como a resistência.

 

lNDUTÂNClA

A principal característica de uma bobina é a sua indutância.

A indutância indica de que modo essa bobina "reage" às variações de corrente e de que modo ela produz um campo magnético no seu interior.

A indutância é medida em henrys (H) mas nas aplicações eletrônicas é comum especificar mos as indutâncias em submúltiplos do henry como o milihenry (mH) e o microhenry (uH). O milihenry é a milésima parte do henry e o microhenry a milionésima parte do henry.

A indutância de uma bobina depende de diversos fatores como:

a) Número de espiras: quanto maior o número de espiras, maior a indutância.

b) Diâmetro: quanto maior o diâmetro, maior será a indutância.

c) Comprimento: quando maior o comprimento, maior será a indutância.

d) Existência ou não de núcleo: um núcleo de ferrite ou de material ferroso aumenta a indutância.

 

Na figura 12 temos a fórmula que permite calcular com aproximação a indutância de uma bobina.

 

     Figura 12 – Cálculo da indutância
Figura 12 – Cálculo da indutância

 

 

REATÂNClA E OSCILAÇÕES

Conforme vimos, as bobinas reagem às variações da corrente, apresentando uma oposição que denominamos reatância indutiva.

Ora, quanto mais rápidas forem as variações da corrente, maior será a reação da bobina.

Isso nos leva a concluir que a reatância depende tanto da frequência como da indutância de uma bobina.

Assim, na figura 13 mostramos que a reatância indutiva depende tanto da frequência como da indutância numa proporção direta.

 

   Figura 13 – Reatância versus frequência
Figura 13 – Reatância versus frequência

 

 

O fator 2Pi é urna constante que equivale a 6,28.

Um outro comportamento interessante das bobinas ocorre quando são associadas a capacitores.

Na figura 14 temos um caso importante que é o do circuito ressonante LC, em que temos uma bobina ligada em paralelo com um capacitor.

 

    Figura 14 – O circuito ressonante LC
Figura 14 – O circuito ressonante LC

 

 

Quando aplicamos um pulso de tensão neste circuito, ele carrega imediatamente o capacitor, pois a bobina "reage" a este pulso, não deixando inicialmente circular corrente alguma.

No entanto, tão logo o capacitor esteja carregado, a bobina não reage mais, deixando agora que o capacitor se descarregue através dela.

Ora, com a descarga, um forte campo magnético é produzido na bobina.

No entanto, este campo não pode durar muito, pois a corrente que o produz, com a descarga do capacitor desaparece.

O campo, depois disso se contrai, induzindo na bobina uma tensão que carrega o capacitor, mas com polaridade contrária.

Entretanto, a carga do capacitor não se mantém.

Uma vez que o capacitor esteja carregado e a bobina sem corrente alguma circulando, não há impedimento para a descarga do capacitor.

Uma forte corrente de descarga circula novamente com a produção de outro campo.

Na figura 15 mostramos o que ocorre.

 

   Figura 15  - As oscilações de um circuito LC
Figura 15 - As oscilações de um circuito LC

 

 

Se não existissem resistências no circuito de carga e descarga do capacitor que provocassem a transformação da energia em calor, e se nenhuma parte da energia fosse irradiada na forma de ondas eletromagnéticas, ele se manteria nesse ciclo eternamente, ou seja, em oscilação.

Na prática, entretanto, à medida que a energia vai se dissipando no circuito as oscilações vão se tornando mais fracas.

Podemos manter constantes essas oscilações se, à medida que a energia for se dissipando ou sendo aproveitada externamente, a repusermos através de um circuito externo.

Temos então um circuito oscilante, figura 16.

 

Figura 16 – O circuito oscilante
Figura 16 – O circuito oscilante

 

 

A frequência deste circuito é justamente determinada pelas características da bobina e do capacitor, ou seja, da sua tendência em manter o ciclo de carga e descarga numa velocidade constante.

Dizemos que o circuito LC ressoa numa determinada frequência e nela ele tende a oscilar quando excitado.

 

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N° do componente 

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