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Indutâncias (ART148)

Um componente bastante usado nas montagens eletrônicas é o indutor, cuja finalidade, como o nome sugere, é apresentar uma indutância. No entanto, 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 das indutâncias ou bobinas, dando algumas orientações que, sem dúvida, serão de utilidade para nossos leitores que usam este componente.

Foi Hans Christian Oersted, um professor Dinamarquês, que no século XIX descobriu que era possível gerar campos magnéticos a partir de correntes elétricas circulando por um condutor.

O efeito magnético da corrente elétrica se manifestava, quando uma corrente circulava por um fio e "criava" forças suficientemente intensas para mudar de posição uma agulha magnetizada colocada nas proximidades, conforme mostra a figura 1.

 


 

 

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

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

O que ocorre é que, quando cargas elétricas se movimentam, em torno de sua trajetória aparece um campo magnético, conforme mostra a figura 2.

 


 

 

 Veja que, devemos diferenciar a natureza do campo elétrico da natureza do campo elétrico. São fenômenos distintos.

Enquanto o campo elétrico aparece em torno de uma carga elétrica parada (estática), o campo magnético exige movimento para que se manifeste.

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 a orientação indicada na figura 3.

 


 

 

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

Veja que o campo produzida 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 assim campos conforme a orientação mostrada na figura 4.

 


 

 

 

Observe que as linhas de força dos campos magnéticos são sempre fechadas, ou seja, sempre saem dos pólos norte e chegam aos pólos 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, conforme mostra a figura 5.

 


 

 

 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.

 


 

 

 Qual extremidade será o pólo Norte e qual será o pólo Sul depende do sentido de circulação da corrente na bobina e isso pode ser determinado 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, aço, ou ainda o ferrite. Estes materiais têm a propriedade de concentrar as linhas de força do campo magnético, conforme mostra a figura 7.

 


 

 

 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 (armadura) quando é percorrida por uma corrente. A parte móvel tem contactos que podem então abrir ou fechar em função da corrente da bobina, conforme mostra a figura 8.

 


 

 

 Outro dispositivo é o solenóide que tem um núcleo móvel, que é 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 comum.

 


 

 

 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 um pouco diferente.

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

 

INDUTÂNCIA

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

Assim, podemos fazer circular por bobinas correntes intensas e obter com isso campos magnéticos muito fortes.

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

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

 


 

 

 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 finita.

Ora, ao se expandir estas linhas cortam as espiras da mesma bobina causando um fenômeno de indução.

O que ocorre é que, se fios cortarem as linhas de um campo, quer seja pelo seu próprio movimento como pelo movimento do campo, é induzida uma tensão neste fio, conforme mostra a figura 11.

 


 

 

 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, oferecendo 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 ser suficientemente elevada para provocar uma faísca entre os contactos 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 INDUTIVA

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" as 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 sua propriedade de se opor à circulação de uma corrente alternada.

  


 

 

 Assim, uma bobina que tenha, por exemplo, uma resistência de 10 Ω de fio para a circulação de uma corrente contínua, apresenta uma oposição, 100 Ω, por exemplo, quando num circuito de corrente alternada na freqüência da rede de energia, 60 Hz.

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, conforme mostra a figura 13.

 


 

 

 Veja que a reatância indutiva também é medida em Ω, pois ela é uma "oposição à passagem da corrente" exatamente como a resistência elétrica comum ou resistência ôhmica, como também é chamada.

 

INDUTÂNCIA

A principal característica de uma bobina é a sua indutância. A indutância vai indicar de que modo essa bobina "reage" às variações de corrente e de que modo ela produz um campo magnético no seu interior.

A unidade de indutância é o Henry (H), mas nas aplicações eletrônicas ‚ comum especificarmos as indutâncias em submúltiplos do Henry como o milihenry (mH) e o microhenry (uH).

O milihenrry 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 = quanto maior o comprimento, maior será a indutância.

d) existência ou não de núcleo = um núcleo de ferrite ou de material ferroso aumenta a indutância.

A seguir, temos a fórmula que permite calcular com boa aproximação a indutância de uma bobina.

 

 

L = 1,257 x ( ( Sx n2 ) / m ) x 10-8

 

Onde:

L é o coeficiente de auto-indução ou indutância em Henry (H)

N é o número de espiras

S é área da seção do núcleo da bobina em centímetros quadrados (cm2)

M é o comprimento do solenóide em centímetros (cm)

 

REATÂNCIA 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 freqüência como da indutância de uma bobina.

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

O fator "2 π" é uma constante que equivale a 6,28.

Um outro comportamento interessante das bobinas ocorre quando as associamos à capacitores.

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

 


 

 

 

Quando aplicamos um pulso de tensão neste circuito, esta tensão carrega imediatamente o capacitor, pois a bobina "reage" imediatamente a este pulso, não deixando de imediato 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 essa 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 invertida.

A carga do capacitor não se mantém, entretanto. 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.

 


 

 

 Se não existissem resistências no circuito de carga e descarga do capacitor que provocassem a transformação da energia neste circuito 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 constante a amplitude dessas 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 ou oscilador, conforme mostra a figura 16.

  


 

 

 

A freqüência 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 então que o circuito LC ressoa numa determinada freqüência, e nela ele tende a oscilar quando excitado.

 

Conclusão

A utilização de bobinas tanto para oferecer uma oposição à passagem de correntes ou variações bruscas é aproveitada em filtros e em muitos outros circuitos eletrônicos.

Da mesma forma, os circuitos ressonantes LC são usados em receptores, transmissores e muitos outros circuitos que devem produzir ou receber sinais de determinadas freqüências.

Assim, um componente comum nessas aplicações é justamente o indutor, componente de que falamos neste artigo.

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N° do componente 

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Este é um mês especial para nós. Comemoramos o décimo aniversário do Instituto Newton C. Braga e de nosso site. O que se pensou inicialmente que seria um pequeno blog para dar continuidade ao meu trabalho de até então 50 anos se tornou um verdadeiro portal da eletrônica com edições em espanhol e em inglês. Na verdade, quando isso ocorreu o pensamento de alguns é que as coisas na internet estavam com os dias contados. Era uma “Febre de Momento” como ouvi dizer de alguns. Não era e fomos em frente.

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