A indutância é uma medida da capacidade dos componentes de um circuito eléctrico para reunir a energia do campo magnético. É também uma medida da relação entre a corrente e o campo magnético. Também é comparado com a inércia da electricidade, como é o caso da massa como medida da inércia dos corpos mecânicos.
Conteúdo
O fenómeno da auto-indução
O fenómeno de auto-indução ocorre quando a corrente que flui através de um circuito condutor varia em magnitude. Neste caso, o fluxo magnético através do circuito muda, e um CEM chamado CEM de auto-indução surge nos cabos do quadro de transporte de corrente. Este FME é oposto à direcção da corrente e é igual a:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Obviamente, o CEM de auto-indução é igual à taxa de variação do fluxo magnético causado pela alteração da corrente que flui através do circuito, e é também proporcional à taxa de variação da corrente. O coeficiente de proporcionalidade entre o FME de auto-indução e a taxa de mudança de corrente é chamado de indutância e é denotado por L. Este valor é sempre positivo e tem uma unidade SI de 1 Henry (1 Gn). São também utilizadas fracções fraccionadas - miligenarias e microgéneros. Pode-se dizer uma indutância de 1 Henry se uma mudança na corrente de 1 ampere causar um FME de 1 Volt de auto-indução. Não é apenas um circuito que tem indutância, mas também um único condutor e uma bobina, que pode ser imaginado como uma multiplicidade de circuitos em série.
A energia é armazenada em indutância, que pode ser calculada como W=L*I2/2, onde:
- W - energia, J;
- L - indutância, Gn;
- I é a corrente na bobina, A.
Aqui a energia é directamente proporcional à indutância da bobina.
Importante! Em engenharia, indutância refere-se também ao dispositivo em que o campo eléctrico é armazenado. O elemento realmente mais próximo desta definição é a bobina indutora.
A fórmula geral para calcular a indutância de uma bobina física é complexa e para cálculos práticos inconvenientes. É útil lembrar que a indutância é proporcional ao número de voltas, ao diâmetro da bobina e depende da forma geométrica. A indutância é também afectada pela permeabilidade magnética do núcleo sobre o qual a bobina é colocada, mas não é afectada pela corrente que flui através das bobinas. A fim de calcular a indutância, as fórmulas dadas para o desenho específico devem ser consultadas de cada vez. Por exemplo, para uma bobina cilíndrica, a sua característica básica é calculada de acordo com a fórmula:
L=μ*μ*(N2*S/l),
onde:
- μ é a permeabilidade magnética relativa do núcleo da bobina;
- μ - é constante magnética, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - número de voltas;
- S - área da bobina
- l - comprimento geométrico da bobina.
Para calcular a indutância para bobinas cilíndricas e outras formas de bobina, é melhor utilizar calculadoras, incluindo calculadoras em linha.
Ligação de indutores em série e em paralelo
As indutâncias podem ser ligadas em série ou em paralelo, criando um conjunto com novas características.
Ligação paralela
Quando as bobinas estão ligadas em paralelo, as tensões de todos os elementos são iguais e as correntes (alternando) são inversamente proporcionais às indutâncias dos elementos.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
A indutância total de um circuito é definida como 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. A fórmula é válida para qualquer número de elementos, e para duas bobinas é simplificada para L=L1*L2/(L1+L2). É óbvio que a indutância resultante é menor do que a indutância do elemento com o mais baixo
Ligação em série
Com este tipo de ligação, a mesma corrente flui através de um circuito composto por bobinas, e a tensão (CA!) em cada componente do circuito é distribuída em proporção à indutância de cada elemento:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
A indutância total é igual à soma de todas as indutâncias, e será maior que a indutância do elemento com o valor mais elevado. Por conseguinte, esta ligação é utilizada quando é necessário aumentar a indutância.
Importante! Ao ligar bobinas em série ou em paralelo, as fórmulas de cálculo só são correctas para os casos em que a influência mútua dos campos magnéticos dos elementos uns nos outros é eliminada (por blindagem, grandes distâncias, etc.). Se houver influência, então o valor total da indutância dependerá da disposição mútua das bobinas.
Algumas questões práticas e desenhos de bobinas indutoras
Vários desenhos de bobinas indutoras são utilizados na prática. Dependendo da finalidade e aplicação, os dispositivos podem ser feitos de várias maneiras, mas os efeitos das bobinas reais devem ser tidos em conta.
Factor de qualidade de uma bobina indutora
Uma bobina real tem vários parâmetros para além da indutância, e um dos mais importantes é o factor qualidade. Este valor determina as perdas na bobina e depende de:
- perdas ôhmicas no fio de enrolamento (quanto maior a resistência, menor o factor de qualidade);
- Perdas dieléctricas no isolamento do fio e da moldura do enrolamento;
- perdas de escudos;
- Perdas do núcleo.
Todas estas quantidades definem a resistência à perda, e o factor de qualidade é um valor sem dimensão igual a Q=ωL/R perda, onde:
- ω = 2*π*F - frequência circular;
- L - indutância;
- ωL - reactância de bobina.
Pode dizer-se, grosso modo, que o factor de qualidade é igual à relação entre a resistência reactiva (indutiva) e a resistência activa. Por um lado, o numerador cresce com frequência crescente, mas ao mesmo tempo, devido ao efeito da pele, a resistência à perda também cresce reduzindo a secção transversal efectiva do fio.
Efeito de pele
A fim de reduzir a influência de corpos estranhos, bem como campos eléctricos e magnéticos e a influência mútua de elementos através destes campos, as bobinas (especialmente as de alta frequência) são frequentemente colocadas num escudo. Para além do seu efeito benéfico, a blindagem provoca uma diminuição do valor Q da bobina, uma diminuição da indutância e um aumento da capacitância parasitária. Além disso, quanto mais próximas as paredes do escudo estiverem dos enrolamentos da bobina, maior será o efeito prejudicial. As bobinas blindadas são, portanto, quase sempre concebidas para serem ajustáveis.
Indutância ajustável
Em alguns casos é necessário definir com precisão o valor da indutância após a ligação da bobina a outros elementos do circuito, compensando os desvios de afinação. São utilizados métodos diferentes para isto (mudando as voltas, etc.), mas o método mais preciso e suave é o ajustamento do núcleo. Isto é feito na forma de uma haste roscada que pode ser virada para dentro e para fora dentro da estrutura, ajustando a indutância da bobina.
Indutância variável (variómetro)
Quando é necessário um ajustamento operacional da indutância ou acoplamento indutivo, são utilizadas bobinas de concepção diferente. Contêm dois enrolamentos, um enrolamento móvel e um enrolamento estacionário. A indutância total é igual à soma das indutâncias das duas bobinas e a indutância mútua entre elas.
Ao alterar a posição relativa de uma bobina para a outra, o valor total da indutância é ajustado. Tal dispositivo é chamado variómetro e é frequentemente utilizado em equipamento de comunicação para afinar circuitos ressonantes em casos em que os condensadores variáveis não podem ser utilizados por alguma razão. O variómetro é bastante pesado, o que limita a sua utilização.
Indutância sob a forma de bobina impressa
Bobinas com baixa indutância podem ser feitas como uma espiral de condutores impressos. As vantagens deste desenho são:
- manufacturabilidade;
- alta repetibilidade.
As desvantagens são a impossibilidade de ajuste fino durante o ajustamento e a dificuldade de alcançar altas indutâncias - quanto maior for a indutância, mais espaço a bobina ocupa no tabuleiro.
Bobina com enrolamento seccional
A indutância sem capacidade só existe no papel. Com qualquer implementação física de uma bobina, há imediatamente uma capacitância parasitária entre bobinas. Este é um fenómeno prejudicial em muitos casos. A capacitância de desvio soma-se à capacitância do circuito LC, reduzindo a frequência ressonante e o factor de qualidade do sistema oscilante. A bobina também tem a sua própria frequência de ressonância que causa fenómenos indesejáveis.
Para reduzir a capacidade de desgarramento, são utilizados vários métodos, o mais simples dos quais é enrolar o indutor em várias secções ligadas em série. Com este tipo de ligação, as indutâncias são somadas e a capacidade total é reduzida.
Bobina de indução sobre um núcleo toroidal
As linhas do campo magnético de um indutor cilíndrico conduzem através do interior da bobina (se um núcleo estiver presente, então através dela) e são curto-circuitadas para o exterior através do ar. Este facto implica várias desvantagens
- a indutância é reduzida;
- as características da bobina são menos calculáveis;
- Qualquer objecto introduzido no campo magnético externo altera os parâmetros da bobina (indutância, capacidade perdida, perdas, etc.), pelo que em muitos casos é necessária uma blindagem.
As bobinas enroladas em núcleos toroidais (sob a forma de anel ou 'bagel') estão largamente livres destas desvantagens. As linhas magnéticas correm dentro do núcleo sob a forma de loops fechados. Isto significa que os objectos externos não têm praticamente nenhum efeito sobre os parâmetros de uma bobina enrolada em tal núcleo, e a blindagem não é necessária para um tal desenho. A indutância é também aumentada, sendo as outras coisas iguais, e as características são mais fáceis de calcular.
Uma das desvantagens das bobinas toroidais é a impossibilidade de ajustar suavemente a sua indutância in situ. Outro problema é a alta intensidade de trabalho e a baixa tecnologia de enrolamento. Isto, contudo, aplica-se a todos os elementos indutivos em geral, em maior ou menor grau.
Também uma desvantagem comum da implementação física da indutância é a elevada dimensão da massa, a fiabilidade relativamente baixa e a baixa capacidade de manutenção.
Por conseguinte, na tecnologia, tenta-se dispensar os componentes indutivos. Mas isto nem sempre é possível, pelo que os componentes sinuosos estarão em uso num futuro previsível, bem como a médio prazo.
Artigos relacionados:
