Indutância

Os indutores - normalmente na forma de bobinas - são comumente usados em muitas aplicações de circuito. Seu objetivo é armazenar energia magnética quando uma corrente de estado estacionário flui.

Em um loop que forma um circuito fechado, a mudança do campo magnético induz uma força eletromotriz que impulsiona a corrente. Esse fenômeno é chamado de indução eletromagnética. Um indutor é simplesmente uma bobina de fio e tem a propriedade de auto-indutância, que relaciona a tensão em seus terminais com a mudança em seu próprio campo magnético.

Este vídeo ilustrará os conceitos por trás da indutância e, em seguida, demonstrará um experimento de indução usando uma barra magnética e uma bobina. Por fim, revisaremos algumas das aplicações atuais para indutores.

O fluxo magnético pode ser pensado como a quantidade de campo magnético que passa por uma área. Para um campo magnético uniforme B perpendicular a uma área A, o fluxo magnético phi é simplesmente o produto dos dois. De acordo com a lei da indução de Faraday, um fluxo magnético variável em um loop de fio gera uma força eletromotriz, ou EMF, ao longo do loop. Este EMF é igual ao negativo da taxa de variação do fluxo magnético ao longo do tempo.

A taxa de variação do fluxo magnético determina a polaridade da força eletromotriz induzida. O sinal negativo na expressão da lei de Faraday significa que, se o campo magnético diminui com o tempo, o EMF é positivo. Se aumentar com o tempo, o EMF é negativo. Quando o loop é um circuito fechado, o EMF induzido impulsiona a corrente que, por sua vez, gera seu próprio campo magnético. Este campo magnético tem uma orientação dada pela Regra da Mão Direita. Se os dedos da mão direita se curvarem na direção da corrente no loop, o polegar da mão direita apontará na direção do campo magnético gerado. A corrente induzida deve fluir na direção que cria um campo magnético oposto à taxa de variação do campo magnético externo.

Por exemplo, o campo magnético desse ímã aponta para cima através de um único laço de fio. Mover o ímã para longe do loop diminui a força do campo magnético através do loop. A mudança no fluxo magnético - representado por um vetor apontando para baixo - induz um EMF positivo que impulsiona a corrente no sentido anti-horário, conforme mostrado. Pela Regra da Mão Direita, a corrente cria um campo magnético que aponta para cima dentro do loop para se opor ao campo magnético ou fluxo decrescente. Em contraste, mover o ímã em direção ao loop aumenta o campo magnético lá. A mudança no fluxo magnético é representada por um vetor apontando para cima. Nesse caso, induz um EMF negativo que aciona a corrente no sentido horário. Pela Regra da Mão Direita, a corrente nessa direção cria um campo magnético que aponta para baixo dentro do loop para se opor ao aumento do campo magnético ou fluxo.

Agora vamos passar de um loop para um solenóide, que é simplesmente vários loops de fio enrolados em torno de um núcleo de ar ou material magnético. É um indutor comumente usado em circuitos elétricos. Se a corrente flui através de um solenóide, ela cria um campo magnético dentro do indutor. A direção desse campo magnético é dada pela regra da mão direita. Este campo, por sua vez, produz um fluxo magnético na mesma direção que a do campo, e a quantidade desse fluxo é proporcional à corrente. Portanto, se a corrente muda com o tempo, o mesmo acontece com o fluxo magnético. Seguindo a lei de Faraday, a mudança de fluxo induz uma tensão que impulsiona a corrente através da bobina, de modo que o campo magnético da corrente induzida se opõe à mudança no fluxo original. Esse fenômeno de indução de tensão em seus próprios terminais em resposta à variação de corrente é chamado de autoindução, e a tensão total induzida no solenóide é o número de voltas N, multiplicado pelo EMF de um único loop.

Agora que explicamos o básico, vamos ver como estudar a indução eletromagnética em um laboratório de física.

Todos os experimentos a seguir usam um amperímetro bipolar analógico, que possui uma agulha que desvia para a direita ou esquerda do ponto zero, dependendo da direção do fluxo de corrente.

Primeiro, obtenha um solenóide com um núcleo oco, um ímã de haste com pólos norte e sul claramente rotulados e o amperímetro bipolar analógico. Em seguida, conecte o solenóide ao amperímetro. Para o primeiro teste, insira o pólo norte do ímã na extremidade do solenóide conectado ao terminal negativo do amperímetro. Observe o amperímetro e registre a polaridade e a magnitude aproximada da deflexão da agulha. Puxe o ímã para fora do solenóide e registre a polaridade e a magnitude aproximada da deflexão da agulha do amperímetro.

Agora gire o ímã e insira e remova o pólo sul da extremidade do solenóide conectado ao terminal negativo do amperímetro. Repita este experimento inserindo o pólo sul do ímã na bobina e, em seguida, removendo-o primeiro mais lentamente e depois mais rapidamente do que na primeira tentativa. Quando o pólo norte se aproxima e entra no solenóide, ele induz uma corrente que causa uma deflexão positiva momentânea do amperímetro. Quando o pólo norte é removido do solenóide, a deflexão é negativa. Inverter a orientação do ímã também reverte a resposta do amperímetro.

Finalmente, a velocidade do movimento afeta a mudança do campo magnético com o tempo, que determina a tensão e a corrente induzidas. O movimento mais lento induz menos corrente e uma leitura menor, e o movimento mais rápido induz mais corrente e uma leitura maior.

Para o experimento de auto-indutância, conecte uma lâmpada, bobina indutora, alimentação de tensão definida em um volt positivo, interruptor e o amperímetro analógico conforme mostrado. Monte o circuito com o interruptor aberto para que nenhuma corrente flua.

Feche o interruptor para conectar a fonte de tensão à lâmpada e à bobina indutora. Observe a lâmpada, que parece estar mal iluminada. Abra o interruptor para desconectar o voltage alimentação do circuito. Observe a lâmpada e o amperímetro no momento em que o interruptor é aberto e registre o resultado. A lâmpada acende brevemente e o amperímetro mostra uma leitura positiva ao mesmo tempo. Isso acontece devido à auto-indução e vários eventos ocorrem durante esse breve período de tempo.

Inicialmente, quando o interruptor é fechado, a corrente flui através da bobina e da lâmpada, mas muito mais corrente flui através da bobina em comparação com a lâmpada, uma vez que a bobina tem menor resistência em comparação com a lâmpada. Abrir o interruptor desconecta a fonte de tensão. Isso faz com que a corrente através do indutor diminua.

Essa mudança de corrente através do indutor causa uma mudança em seu fluxo magnético, que por sua vez induz uma corrente transitória que se opõe à diminuição fluindo na mesma direção da corrente original. A combinação dos dois - corrente original e transitória - produz a corrente indutora total, que agora flui através da lâmpada e a acende brevemente e, ao mesmo tempo, causa uma deflexão no amperímetro para indicar uma corrente positiva.

A indução eletromagnética tem muitas aplicações em dispositivos modernos e é um método fundamental de transferência de energia e informações sem contato físico.

A indução é o princípio fundamental por trás do funcionamento de dispositivos chamados transformadores. Um transformador tem um par de terminais de entrada conectados a um enrolamento primário - ou bobina - e um par de terminais de saída conectados a um enrolamento secundário. Um núcleo composto por aço, ferrite ou mesmo simplesmente ar, acopla magneticamente os dois enrolamentos. Uma tensão em um enrolamento faz com que a corrente flua através dele, criando um campo magnético. O fluxo magnético, ou a densidade do campo magnético, é então acoplado ao enrolamento secundário através do núcleo, onde induz uma tensão. Este princípio é chamado de indução mútua.

Outra aplicação dos indutores são os motores de indução CA, que são os cavalos de batalha da indústria moderna devido à sua simplicidade, robustez e confiabilidade. Um motor de indução tem apenas duas partes principais. A primeira é a parte estacionária, chamada estator, que consiste em bobinas estacionárias em torno de uma cavidade. Suspenso na cavidade está o rotor, que é um par de anéis finais que cobrem um arranjo cilíndrico de barras. Um motor de indução CA trifásico usa energia trifásica, com cada fase conectada ao seu próprio conjunto separado de bobinas do estator. As bobinas são dispostas em um padrão que gera um campo magnético para cada fase da energia fornecida. O campo magnético líquido resultante, chamado de "campo magnético do estator", gira com velocidade constante.

O fluxo magnético rotativo induz corrente no rotor, semelhante à maneira como um transformador transfere energia da bobina primária para a secundária. A corrente através das barras do rotor, por sua vez, cria seu próprio campo magnético, chamado de "campo magnético do rotor induzido". A interação entre esses dois campos produz uma força no rotor, o que faz com que ele siga o campo magnético do estator, como uma barra de ferro seguindo os ímãs ao seu redor.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à indutância eletromagnética. Agora você deve entender como um campo magnético variável no tempo induz uma força eletromotriz em um condutor e como a corrente resultante produz seu próprio campo magnético. Obrigado por assistir!