AULA 13 - Eletricidade Básica - FIC
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METODOLOGIA
- Exposição dialogada dos conteúdos disponíveis, em projetor multimídia.
- Navegação assistida em outros sites e portais, de conteúdos relacionados.
- Montagens práticas e desenvolvimento em computador de aplicativos.
- Testes de verificação e validação.
Indutância
A auto-indutância ou simplesmente indutância é a capacidade que um condutor possui de induzir tensão em si mesmo, quando a corrente varia.
Seu valor depende do número de espiras, da forma em que estão dispostas (anel, espiral,...), de suas dimensões e do material do núcleo.
Para um solenóide ou bobina longa (comprimento maior que três vezes o raio), a indutância seria igual a
L = µ.N2.A / l
onde:
- N é o número de espiras
- μ é a permeabilidade magnética do núcleo
- A é a área da seção transversal
- l é o comprimento.
Genericamente, chamamos de indutor ou bobina (ou solenóide) ao elemento cuja constituição física é um fio condutor elétrico (isolado) enrolado em forma helicoidal sobre um núcleo, o qual pode ser de ar ou algum material ferromagnético (que facilite a passagem do fluxo magnético).
O indutor é um componente elétrico passivo que armazena energia na forma de campo magnético, quando percorrido por uma corrente, normalmente combinando o efeito da variação da corrente elétrica em loops (ou espiras condutoras).
O símbolo da indutância é o L e a sua unidade é o Henry (H).
Vale a pena destacar que a energia armazenada em um indutor, também pode ser descrita em Joules, ou seja, vai corresponder à quantidade de trabalho necessário para estabelecer o campo magnético no indutor.
Unidade de indutância
Um Henry é a quantidade de indutância que permite uma quantidade de indutância que permite uma indução de 1 V quando a corrente varia na razão de 1 A/ 1s.
A equação para a indutância é:
Onde:
- L : indutância, dada em H;
- VL : tensão induzida através da bobina, V;
- Δi/Δt : a taxa de variação da corrente, dada em A/s.
Como podemos observar o valor da indutância depende do tempo de variação da corrente elétrica.
Simbologia
Os símbolos usados para indutores estão na figura abaixo.
O efeito indutivo
As experiências realizadas por Oersted mostraram que um condutor percorrido por uma corrente elétrica gera um campo magnético ao seu redor.
Assim, ao redor de um condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica existe um campo magnético cujas linhas de força são circunferências concêntricas ao fio, desta forma:
O sentido das linhas de força segue a REGRA DA MÃO DIREITA:
- Posicione a mão direita como se "envolvesse" o condutor;
- Aponte seu polegar na direção do sentido da corrente;
- As linhas de força magnética terão o sentido da ponta dos dedos.
Se o condutor for disposto em forma circular, com várias voltas, ou espiras, ocorrerá a concentração
das linhas de indução em seu interior.
E se receber um núcleo ferromagnético (imantável), a concentração será maior ainda, ocorrendo assim um campo magnético de forte intensidade.
Esse conjunto apresenta um funcionamento semelhante ao de um imã em barra, com polo norte e sul magnéticos bem definidos.
A intensidade do vetor indução magnética no centro da espira depende da intensidade da corrente elétrica, do raio da espira, da quantidade de espiras e do meio onde ela se encontra.
Indução eletromagnética
É o fenômeno no qual tensões (e correntes) são produzidas pela variação do campo magnético (ou fluxo magnético), no tempo, através da seção de um indutor.
Exemplo de indução de uma corrente:
Lei de Faraday
Note que:
- Como fluxo magnético (∅) mede a quantidade de linhas de indução que atravessa cada espira, para um elemento com N espiras considera-se o fluxo magnético concatenado (∅c), que corresponde ao fluxo magnético de uma espira, multiplicado pelo número de espiras atravessadas pelo mesmo campo, no indutor considerado (∅c = N∅ ). Este é o fluxo adotado na lei de Faraday, ainda que esteja sem o índice c. Por isso a unidade Wb-e ( e não Wb ) é a mais correta.
- O sinal negativo na expressão da lei de Faraday indica que a tensão induzida se opõe à variação (crescimento ou diminuição) de sua causa. Esta oposição se manifesta na polaridade da tensão induzida ou auto-induzida e no sentido da corrente induzida (lei de Lenz).
Lei de Lenz
É a lei que rege o sentido de uma corrente induzida, que é resultado de uma tensão induzida.
Ou seja:
- Se o fluxo indutor é crescente (∆φ / ∆t > 0) → A corrente produz um fluxo induzido em oposição ao fluxo indutor;
- Se o fluxo indutor é decrescente (∆φ /∆t < 0) → A corrente produz um fluxo induzido a favor do fluxo indutor.
Indutor em CC e em CA
O indutor funciona de forma diferente quando submetido à corrente contínua ou à corrente alternada.
Quando ligado a uma fonte de alimentação CC (Corrente Contínua) o campo magnético gerado ao redor de suas bobinas se dará em um único sentido, ou seja, neste caso teríamos um campo magnético ordenado.
Porém, quando submetido a uma corrente alternada, o campo induzido também se comportará de forma alternada, invertendo constantemente o seu sentido.
A forma mais comum de se conectar um indutor em circuito eletrônico é em série com um resistor.
Observa-se que sua função é um pico de corrente elétrica no momento em que se liga e desliga uma chave on/off, por exemplo.
Observe a imagem abaixo que ilustra essa utilização do indutor.
Em corrente alternada o indutor oferece uma oposição à passagem da corrente alternada.
Essa oposição é denominada reatância indutiva, que depende da frequência e da indutância do indutor e será vista na próxima aula.
O comportamento do indutor em DC: Regimes Permanente e Transitório
No circuito abaixo, considere que a chave “S” sofra duas operações sucessivas, sendo levada para a posição "1", no instante ton ( carga ) e no instante toff, levada para a posição "2" ( descarga ).
Os gráficos a seguir mostram o comportamento da corrente e da tensão no indutor (e no resistor), diante das operações de liga e desliga consideradas, utilizando-se “positivo” para “queda de tensão” e “negativo” para “elevação de tensão”:
Note que:
- A corrente no indutor não varia bruscamente. Daí que a corrente se atrasa da tensão;
- Nas operações liga-desliga, surgem picos de tensão no indutor ( VL = L∆i/∆t);
- Em regime permanente, o indutor funciona como um curto-circuito para a corrente (VL = 0);
- O regime permanente ocorre após decorrido 5 constantes de tempo ( “5 τ”), onde τ = L/R.
Composição e Natureza do Indutor
Um indutor é basicamente construído por um material condutor como o cobre e por um núcleo ferromagnético com o objetivo de concentrar as linhas de forças do campo magnético aumentando, assim, sua indutância.
De acordo com o tipo de material e a forma que for construído teremos diferentes tipos de indutores com características específicas de aplicação.
Os indutores tem um processo de fabricação trabalhosa e muitos deles, para terem um desempenho satisfatório, são volumosos e caros, por demandarem muitas espiras de cobre, material de alto custo.
Exemplo disso são os estabilizadores, transformadores de energia em postes de rua e bobinas de alto-falantes.
Assim, cada vez mais têm sido usado os relés de estado sólido (ou SSR) substituindo os relés eletromecânicos, que se baseiam no princípio indutivo.
Tipos de indutores
Os indutores diferenciam-se devido suas características construtivas.
Então, os principais tipos de indutores são:
Indutor do Tipo Núcleo de ar
Este tipo é chamado assim por não usar material ferromagnético no seu núcleo. Atenção que alguns componentes podem vir com um núcleo não magnético como plástico e cerâmica. Isso pode haver baixas perdas de sinal e baixa indutância e é usado em aplicações que necessitam de altas frequências.
Indutor com núcleo constituído por material ferromagnético
Este tipo de indutor possui um núcleo ferromagnético que aumenta a concentração do campo magnético.
Devido à presença do núcleo, no entanto, as perdas são mais elevadas e é usado em projetos que necessitam de alta indutância e frequência de operação.
Indutor do Tipo Núcleo Laminado
Este é um tipo de indutor que é construído com núcleo laminado de aço silício envolvida com verniz isolante, este tipo de construção previne altas perdas e produz baixa frequência sendo muito utilizado na construção de transformadores.
Indutor do Tipo Núcleo de Ferrite
Este tipo de núcleo é construído com material cerâmico ferromagnético muito resistente, as perdas são reduzidas e sua aplicação tem melhor eficiência em circuitos de altas frequências.
Indutor do Tipo Núcleo Toroidais
Este tipo tem um formato circular e é construído com um fio de cobre enrolado em um material magnético.
É o tipo que possui menos perdas devido à característica circular garantir que o campo magnético percorra um caminho fechado.
Sua aplicação principal é em circuito de corrente alternada.
Associação de indutores
O sistema de associação de indutores é o mesmo de resistores e capacitores, ou seja, em série, paralelo e mista.
O método de cálculo para se chegar à indutância equivalente é o mesmo para resistores.
Isto é, os indutores EM SÉRIE têm suas indutâncias somadas.
O indutor equivalente a indutores EM PARALELO é o inverso da soma dos inversos das indutâncias.
Exercícios
1. Determinar a indutância equivalente entre os extremos da associação mista abaixo. Dados: L1 = 20 H ; L2 = 60 H ; L3 = 30 H:
2. Calcule a indutância equivalente nos circuitos abaixo.
3. Determine Leq para os circuitos abaixo:
A energia no indutor
Ao ser percorrido por uma corrente elétrica ( i ) o indutor de indutância L apresentará uma energia E armazenada em seu campo magnético, calculada por:
E = L .i2/2 (J)
Exemplo:
Se L = 10 mH e i = 1,5 A , então: E = 11,25 mJ
Exercício:
Um indutor de 8 H tem uma corrente de 3 A fluindo por ele. Quanta energia é armazenada no campo magnético do indutor? ◦
Utilização de indutores
Estes conceitos são aplicados na construção de instrumentos de medidas, em eletros-imã, solenóides, reles, trancas eletrônicas, transformadores, filtros, motores elétricos, etc.
Aplicações desse componente eletrônico é o que não falta. Existem vários tipos e modelos de dispositivos e componentes que usam indutores em sua construção para funcionar, como aplicações nas áreas da eletrônica, comandos elétricos e robótica.
Vamos citar alguns exemplos:
Solenóide
Dispositivo muito usado em projetos industriais e até na refrigeração, podem ser do tipo pneumática, hidráulica ou mecânica, porém todas acionadas pelo princípio indutivo com o objetivo principal a conversão de corrente elétrica em força.
Relés
O relé é um interruptor eletromecânico que possui partes móveis que são acionadas com excitação provida da corrente elétrica por um indutor, ou seja, outra aplicação do processo indutivo em nosso dia a dia. Você encontra relés em automação industrial, carros, aviões e módulo isolador.
Motores
O motor desmontado mostrando suas bobinas e sua carcaça Os motores elétricos ou os motores de passo convertem energia elétrica em energia mecânica rotacional, usado em ambientes industriais, automotivos, residenciais, ou seja, em quase tudo a sua volta tem um tipo de indutor aplicado a um motor.
Sensores
3 tipos de sensores, indutivo e módulos de rádio frequência A finalidade de um sensor magnético é detectar a presença de qualquer material metálico no ambiente a sua frente. Quando este material passa por ele, o campo magnético do componente é alterado e é produzido um sinal lógico para o microcontrolador em que estiver conectado, como o Arduino por exemplo.
Alto-Falantes
Os indutores na bobina do alto-falante têm a função de deslocar o material do cone, produzindo o deslocamento do ar, ou seja, transformar energia elétrica em sonora.
Transformadores
Transformadores de energia elétrica ilustrando uma aplicação dos indutores na vida real E, por último, temos os transformadores que são dispositivos que tem como finalidade diminuir ou elevar a tensão e a corrente elétrica. Os transformadores são construídos com dois enrolamentos de fios, sendo um primário e o outro secundário que estão envolvidos em um núcleo metálico.
Prática
1) Energização e desernergização do indutor
Monte o circuito mostrado a seguir no Proto Board com R=220 &Ohmega; e L = 1,5 mH
31Ajuste o gerador de funções para fornecer uma onda quadrada com 5V pico a pico e frequência de 10kHz.32Verifique se o osciloscópio está calibrado.33Faça os ajustes necessários de posicionamento dos dois canais do osci-loscópio.34Coloque a chave AC-GND-DC na posição GND e sobreponha os traços na tela do osciloscópio.Coloque agora a chave na posição AC.35Coloque a ponta n°1 na posição A e a ponta n°2 na posição C. O GND do osciloscópio deve ser ligado na posição B. O sinal do canal 2 deve ser invertido.36Meça a tensão no resistor e noindutor. Anote as formas de onda e valo-res encontrados.
Compare o resultado com a forma de onda abaixo obtida na simulação do circuito
Fontes Bibliográficas
BABOS, Flávio. Indutor: Entenda Sua Definição, Aplicação e Principais Tipos. Disponível em: https://flaviobabos.com.br/indutor/
COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELÉTRICO NO ESTADO DE SÃO PAULO - CPN. Eletricidade Básica - Manual de treinamento curso básico segurança em instalações e serviços com eletricidade - NR 10 . Disponível em: https://portalidea.com.br/cursos/9f2909192195f210d6c6fa89c0894301.pdf
LEMES, Andryos da Silva. APOSTILA DE ELETRICIDADE BÁSICA. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO, IFSP - CAMPUS DE PRESIDENTE EPITÁCIO. Disponível em:https://pt.scribd.com/document/280039386/Apostila-Eletricidade-Basica
ROCHA, Helder da. Introdução à Eletrônica para Artistas. Apostila de curso livre. 2017. Disponível em: http://www.argonavis.com.br/cursos/eletronica/IntroducaoEletronicaArtistas.pdf.
SAMBAQUI, ANA BARBARA KNOLSEISEN; TAQUES, BÁRBARA OGLIARI. Apostila de Eletricidade. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO - IFSC - CAMPUS JOINVILLE. Joinville, agosto, 2010. Disponível em: http://wiki.itajai.ifsc.edu.br/images/c/c1/Apostila_de_Eletricidade_IFSC_JOINVILE.pdf
Souza, Giovani Batista. ELETRICIDADE. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO - IFSC - CAMPUS ARARANGUÁ. Edição: fev, 2009. Disponível em: https://wiki.sj.ifsc.edu.br/images/e/e6/Aru-2009-Agosto-eletricidade_basica.pdf
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