Indutor

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Um indutor é um dispositivo elétrico passivo que armazena energia na forma de campo magnético, normalmente combinando o efeito de vários loops da corrente elétrica.

O indutor pode ser utilizado em circuitos como um filtro passa baixa, rejeitando as altas frequências.^[1]

Também costuma ser chamado de bobina, choke ou reator.

Um indutor é geralmente construído como uma bobina de material condutor, por exemplo, fio de cobre. Um núcleo de material ferromagnético aumenta a indutância concentrando as linhas de força de campo magnético que fluem pelo interior das espiras. Indutores podem ser construídos em circuitos integrados utilizando o mesmo processo que é usado em chips de computador. Nesses casos, normalmente o alumínio é utilizado como material condutor. Porém, é raro a construção de indutores em CI's; eles são volumosos em uma pequena escala, e praticamente restritos, sendo muito mais comum o uso de um circuito chamado "gyrator", que utiliza um capacitor comportando-se como se fosse um indutor.^[2]

Pequenos indutores usados para frequências muito altas são algumas vezes feitos com um fio passando através de um cilindro de ferrite.

Indutância é a grandeza física associada aos indutores, é simbolizada pela letra L, medida em henry (H), e representada graficamente por um fio helicoidal.^[3] Em outras palavras é um parâmetro dos circuitos lineares que relaciona a tensão induzida por um campo magnético variável à corrente responsável pelo campo. A tensão entre os terminais de um indutor é proporcional à taxa de variação da corrente que o atravessa. Matematicamente temos:

u ( t ) = L d i ( t ) d t {\textstyle u(t)=L{\frac {di(t)}{dt}}}

onde:

u(t) é a tensão instantânea -> sua unidade de medida é o volt (V)

L é a indutância -> sua unidade de medida é o henry (H)

i(t) é a corrente instantânea -> sua unidade de medida é o ampere (A)

t é o tempo (s)

A energia (medida em joules, no SI) armazenada num indutor é igual à quantidade de trabalho necessária para estabelecer o fluxo de corrente através do indutor e, consequentemente, o campo magnético. É dada por:

E a r m a z e n a d a = 1 2 L I 2 {\displaystyle E_{\mathrm {armazenada} }={1 \over 2}LI^{2}}

onde I é a corrente que circula pelo indutor.^[4]

Um indutor resiste somente a mudanças de corrente.^[5] Um indutor ideal não oferece resistência para corrente contínua, exceto quando a corrente é ligada e desligada, caso em que faz a mudança de modo mais gradual. Os indutores reais são construídos a partir de materiais com condutividade elétrica finita, que atenua até mesmo a corrente direta. Materiais supercondutores não oferecem resistência a passagem de correntes elétricas contínuas, e suas aplicações implicam propriedades distintas para os indutores feitos deste tipo de material.

No geral, a relação entre a variação da tensão de acordo com o tempo u(t) através de um indutor com indutância L e a variação da corrente de acordo com o tempo i(t) que passa por ele é descrita pela equação diferencial:

u ( t ) = L d i ( t ) d t {\displaystyle u(t)=L{\frac {di(t)}{dt}}}

Quando uma corrente alternada (CA) senoidal flui por um indutor, uma tensão alternada senoidal (ou força eletromotriz, Fem) é induzida. A amplitude da Fem está relacionada com a amplitude da corrente e com a frequência da senóide pela seguinte equação:

U = I × ω L {\displaystyle U=I\times \omega L}

onde ω é a frequência angular da senóide definida em termos da frequência f por:

ω = 2 π f {\displaystyle \omega =2\pi f\,}

A reatância indutiva é definida por:

X L = ω L = 2 π f L {\displaystyle X_{L}=\omega L=2\pi fL\,}

onde X_Lé a reatância indutiva medida em Ohms (medida de resistência), ω é a freqüência angular, f é a frequência em hertz, e L é a indutância.

A reatância indutiva é o componente positivo imaginário da impedância.

A impedância complexa de um indutor é dada por:

Z = j ω L = j 2 π f L   = j X L , {\displaystyle Z=j\omega L=j2\pi fL\ =jX_{L},}

onde j é a unidade imaginária.

Os problemas de análise de circuitos, que resultam num sistema de equações lineares, nos quais se busca encontrar os valores de corrente e de variação de tensão para cada componente (incógnitas) são resolvidos por extensão dos problemas de circuitos com apenas fontes e resistores. Neste modelo estendido, a indutância e a capacitância são consideradas como resistências complexas^{[nota 1]}, que passam a se denominar impedância. Os resultados são interpretados na forma polar, sendo o ângulo do vetor encontrado interpretado como fase da corrente alternada ou tensão alternada.^[6]

Ligação em paralelo

Cada indutor de uma configuração em paralelo possui a mesma diferença de potencial (tensão) que os demais. A indutância equivalente (L_eq) é calculada por:^[7]

1 L e q = 1 L 1 + 1 L 2 + ⋯ + 1 L n ⇒ L e q = ∏ i = 1 n L i ∑ j = 1 n ∏ k ≠ j L k {\displaystyle {\frac {1}{L_{\mathrm {eq} }}}={\frac {1}{L_{1}}}+{\frac {1}{L_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{L_{n}}}\Rightarrow L_{\mathrm {eq} }={\frac {\prod _{i=1}^{n}L_{i}}{\sum _{j=1}^{n}\prod _{k\neq j}L_{k}}}}

Ligação em série

A corrente através de indutores em série permanece a mesma, mas a tensão de cada indutor pode ser diferente. A soma das diferenças de potencial é igual à tensão total. A indutância equivalente (L_eq) é calculada por:^[8]

L e q = L 1 + L 2 + ⋯ + L n {\displaystyle L_{\mathrm {eq} }=L_{1}+L_{2}+\cdots +L_{n}\,\!}

O fator Q de um indutor pode ser encontrado através desta fórmula, onde R é a resistência elétrica interna:

Q = ω L R {\displaystyle Q={\frac {\omega {}L}{R}}}

Os indutores estão relacionados aos eletromagnetos em estrutura, mas são usados para um propósito diferente: armazenar energia em um campo magnético.

Por sua habilidade de alterar sinais CA, os indutores são usados extensivamente em circuitos analógicos e processamento de sinais, incluindo recepções e transmissões de rádio. Como a reatância indutiva X L {\displaystyle X_{L}} muda com a frequência, um filtro eletrônico pode usar indutores em conjunto com capacitores e outros componentes para filtrar partes específicas da frequência do espectro.

Dois (ou mais) indutores acoplados formam um transformador, que é um componente fundamental de qualquer rede elétrica nacional.^[9]

Um indutor é normalmente usado como saída de uma fonte chaveada de alimentação. O indutor é carregado para uma fração específica da frequência de troca do regulador e descarregado pelo restante do ciclo. Esta relação de carrega/descarrega é o que reduz (ou impulsiona) a tensão de entrada para seu novo nível.

O indutor 3D consolida a distribuição do campo magnético e o armazenamento de energia no espaço 3D - enquanto mantém a pouca impressão que se espera que caiba no chip. O indutor de microchip é capaz de dezenas de indução magnética no nível de militesla.^[10]

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