Indutância

Indutores - tipicamente na forma de bobinas - são comumente usados em muitas aplicações de circuito. Seu objetivo é armazenar energia magnética quando uma corrente de estado constante flui.

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

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

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

A taxa de mudança do fluxo magnético determina a polaridade da força eletromotiva induzida. O sinal negativo na expressão para a lei de Faraday significa que se o campo magnético diminuir com o tempo, o EMF é positivo. Se aumentar com o tempo, o EMF fica negativo. Quando o loop é um circuito fechado, o EMF induzido aciona 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 enrolarem em torno da direção da corrente no laço, então o polegar da mão direita apontaria na direção do campo magnético gerado. A corrente induzida deve fluir na direção que cria um campo magnético opondo-se à taxa de mudança do campo magnético externo.

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

Agora vamos passar de um loop para um solenoide, que é simplesmente múltiplos laços de arame enrolado 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 solenoide, cria um campo magnético dentro do indutor. A direção deste campo magnético é dada pela regra da mão direita. Este campo, por sua vez, produz um fluxo magnético na direção igual ao do campo, e a quantidade deste fluxo é proporcional à corrente. Portanto, se a corrente muda com o tempo, o fluxo magnético também muda. Seguindo a lei de Faraday, a mudança do fluxo induz uma tensão que impulsiona a corrente através da bobina de tal forma que o campo magnético da corrente induzida se opõe à mudança no fluxo original. Este fenômeno de indução de tensão em seus próprios terminais em resposta à corrente variada é chamado de autoindução, e a tensão total induzida através do solenoide é o número de curvas N, multiplicado pelo EMF de um único loop.

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

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

Primeiro, obtenha um solenoide com um núcleo oco, um ímã de vara com polos norte e sul claramente rotulados, e o amômetro bipolar analógico. Em seguida, conecte o solenoide ao amímetro. Para o primeiro ensaio, insira o polo norte do ímã na extremidade do solenoide conectado ao terminal negativo do amômetro. Observe o amômetro e regise a polaridade e a magnitude aproximada da deflexão da agulha. Retire o ímã do solenoide e registe a polaridade e a magnitude aproximada da deflexão da agulha amímetro.

Agora vire o ímã e insira e remova o polo sul da extremidade do solenoide conectado ao terminal negativo do amômetro. Repita este experimento inserindo o polo sul do ímã na bobina e, em seguida, removendo-o mais lentamente e depois mais rapidamente do que no primeiro teste. Quando o polo norte se aproxima e entra no solenoide, ele induz corrente que causa uma deflexão positiva momentânea do amômetro. Quando o polo norte é removido do solenoide, a deflexão é negativa. Reverter a orientação do ímã também inverte a resposta do amômetro.

Finalmente, a velocidade de movimento afeta a mudança do campo magnético com o tempo, que determina a tensão induzida e a corrente. 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 autoindutores, conecte uma lâmpada, bobina indutora, conjunto de alimentação de tensão a um volt positivo, comuta e o amômetro analógico, como mostrado. Monte o circuito com o interruptor aberto para que não flua de corrente.

Feche o interruptor para conectar a fonte de tensão à lâmpada e à bobina do indutor. Observe a lâmpada, que parece estar mal acesa. Abra o interruptor para desconectar a fonte de tensão do circuito. Observe a lâmpada e o amômetro no momento em que o interruptor é aberto e registo o resultado. A lâmpada ilumina brevemente e o amômetro mostra uma leitura positiva ao mesmo tempo. Isso acontece devido à autoindução e vários eventos ocorrem durante este breve período de tempo.

Inicialmente, quando o interruptor está 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 relação à 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 que a corrente original. A combinação da corrente original e transitória produz a corrente total do indutor, que agora flui através da lâmpada e acende-a brevemente, e ao mesmo tempo faz com que uma deflexão no amômetro indique uma corrente positiva.

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

A indução é o princípio central por trás do funcionamento de dispositivos chamados transformadores. Um transformador tem um par de terminais de entrada conectados a uma bobina ou enrolamento primário e um par de terminais de saída conectados a um enrolamento secundário. Um núcleo composto por aço, ferrite ou mesmo simplesmente ar, acotoda magneticamente os dois enrolamentos. Uma tensão através de 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 de indutores são os motores de indução CA, que são os cavalos de trabalho 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 de estator, que consiste em bobinas estacionárias ao redor de uma cavidade. Suspenso na cavidade está o rotor, que é um par de anéis finais que tampam um arranjo cilíndrico de barras. Um motor de indução CA trifásico usa potência trifásica, com cada fase conectada ao seu próprio conjunto separado de bobinas de 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 a corrente no rotor, semelhante à forma 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 a introdução de JoVE à indução eletromagnética. Agora você deve entender como um campo magnético variado do tempo induz uma força eletromotiva em um condutor, e como a corrente resultante produz seu próprio campo magnético. Obrigado por assistir!