O indutor, um componente fundamental em circuitos elétricos e eletrônicos, é notável pela sua simplicidade de fabricação
e pela importância de sua função. Consiste em um fio condutor, tipicamente de cobre, enrolado em uma forma helicoidal
sobre um núcleo que pode ter diversas geometrias, como circular, quadrada ou elíptica. A indutância do indutor, que é
a propriedade de gerar uma força eletromotriz oposta à variação da corrente elétrica que o atravessa, é diretamente
influenciada por essa geometria. A unidade de medida padrão da indutância é o henry (H), e para valores menores,
utiliza-se seus submúltiplos: milihenry (mH), microhenry (µH) e nanohenry (nH). Esses componentes são essenciais
para o armazenamento de energia magnética, filtragem de sinais e em muitas outras aplicações que dependem da sua
capacidade de resistir a mudanças na corrente elétrica.
Como nos capacitores, também podemos variar a indutância de um indutor mudando
o material que preenche seu núcleo. Assim, podemos ter indutores com núcleo a ar,
ferrite ou outro material ferromagnético qualquer.
Cabe ressaltar que quando uma corrente elétrica, de qualquer natureza, circula
pelo enrolamento do indutor, esta gera um fluxo magnético no seu interior.
Este fluxo magnético pode ser constante ou variável.
Por definição, a indutância
de um indutor é dada por:
eq. 04-01
Nesta equação, N é o número de espiras do indutor, enquanto Φ é o
fluxo magnético em webers e i é a corrente elétrica, em ampère,
que circula pelo indutor.
Em análise de circuitos, a tensão no indutor sempre tem uma polaridade oposta à fonte
que a gerou, e assim, a tensão média sobre o indutor é:
eq. 04-02
Esta equação significa que se não houver variação na corrente elétrica que circula pelo indutor,
então a tensão nos seus terminais será igual a ZERO. Esta é uma característica muito
importante do indutor e veremos com mais detalhes no item 5.
O que caracteriza uma associação série é termos ligado a um nó
somente dois componentes. Assim, podemos dizer que se o circuito fosse alimentado por uma
fonte de corrente, a corrente que atravessaria o
circuito seria a mesma em qualquer indutor do circuito.
Na Figura 04-01 vemos uma associação série .
Podemos substituir todos os indutores que fazem parte do
circuito por um único indutor equivalente. O valor do indutor
equivalente é dado pela equação abaixo. Ou seja, é o mesmo caso
de resistores em série.
Leq = L1 + L2 + L3
Evidentemente podemos generalizar para "n" indutores em série,
conforme a eq.04-03, mostrada abaixo.
O que caracteriza uma associação paralelo é que todas os indutores
estão submetidos a mesma diferença de potencial.
Na Figura 04-02 vemos uma associação paralela de indutores.
Podemos substituir todos os indutores que fazem parte do
circuito por um único indutor equivalente. Caso tenhamos indutores
podemos calcular o valor do indutor
equivalente pela equação abaixo, ou seja, é o mesmo caso
de resistores em paralelo.
Na associação mista , mostrada na Figura 04-03, como o próprio nome está dizendo,
teremos um circuito que contém, tanto associação em paralelo, como em série. Para resolvê-lo, primeiramente
encontramos o resultado do paralelo entre L2 e L3 e, posteriormente,
somamos com o valor de L1.
Assim como capacitores podem armazenar energia no Campo Elétrico que surge
quando se aplica uma tensão elétrica entre suas placas, como vimos no capítulo 3, os indutores
também podem acumular energia no Campo Magnético gerado pela passagem da corrente
elétrica através do seu enrolamento. Essa energia só depende da indutância e da
corrente elétrica que circula pelo indutor e podemos calculá-la
utilizando a eq. 04-05, mostrada abaixo.
5. Comportamento do Indutor em CorrenteContínua - Transientes
Neste item, veremos qual o comportamento de um indutor em relação à corrente
contínua (CC) ou direct current (DC). Vamos supor, inicialmente,
que no indutor não circula corrente elétrica em seu enrolamento, portanto, possui
energia inicial igual a zero.
Quando não for este o caso, explicitaremos a condição inicial.
Abaixo, está descrita uma das propriedades fundamentais de um indutor.
Baseado na propriedade acima, o indutor assume características especiais quando
submetido a variações de corrente elétrica em seus terminais. Normalmente, usa-se um resistor
em série com o indutor para limitar a corrente elétrica que circula por ele. Assim,
quando o indutor é submetido, bruscamente, a uma variação de tensão elétrica,
ele comporta-se como um circuito aberto.
Na Figura 04-04 podemos ver um circuito clássico
para estudar o comportamento do indutor.
Neste circuito, temos uma chave S, que permite ligar e desligar a fonte de tensão
que alimenta o circuito. Ao ser fechada, aplica uma
tensão elétrica proveniente da fonte de tensão V
no circuito formado pelo resistor em série com o indutor. Na literatura técnica,
representa-se o instante de fechamento da chave S, como o tempo igual a
t = 0+.
A velocidade com que circula corrente elétrica no indutor ,
depende dos valores da indutância do indutor e da
resistência elétrica do resistor que encontra-se em série com o indutor.
Os valores destes dois componentes determinam a chamada constante de tempo do
circuito e é representada pela letra grega τ (tau). Então podemos escrever
a eq. 04-06, ou:
eq. 04-06
Ao aplicarmos, bruscamente, uma tensão elétrica sobre o indutor, sua
indutância não permite que ocorra uma variação instantânea da corrente
elétrica no circuito. Portanto, se não há corrente circulando pelo circuito,
toda a tensão da fonte estará sobre o indutor. Nesse caso, VL = V.
Quando o circuito começa a conduzir corrente elétrica, esta cresce rapidamente
no início da condução e atinge o valor final de i = V / R
de uma forma exponencial. A Figura 04-05 mostra graficamente esse comportamento do circuito.
E isso está intimamente relacionado com a equação abaixo.
eq. 04-07
Atente para o fato que quando o tempo cresce, a corrente no circuito tende
para o valor final iL = V/R. E, aproximadamente, após cinco
constantes de tempo, podemos dizer que o circuito atingiu o regime permanente.
A partir desse momento, toda a tensão da fonte estará sobre o resistor e,
naturalmente, a tensão sobre o indutor será zero. Isto devido ao
fato que a corrente torna-se constante, ou seja, não varia com relação ao tempo,
e como dito anteriormente, a tensão sobre o indutor é nula. Então, para
cálculos em circuitos elétricos, devemos considerar o indutor como um
curto-circuito quando em regime permanente. Podemos calcular a tensão sobre o
indutor a qualquer momento usando a eq. 04-08 abaixo.
eq. 04-08
Esta foi uma breve abordagem sobre o comportamento de um indutor quando este
está em um circuito que utiliza somente corrente contínua. Em breve abordaremos
com mais profundidade esse problema recorrendo
a solução de equações diferenciais, bem como demonstrar de onde surgiram as equações acima.
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