A indutância caracteriza as propriedades dos elementos de um circuito elétrico para acumular a energia de um campo magnético. É também uma medida da relação entre a corrente e o campo magnético. Também é comparado com a inércia da eletricidade - assim como a massa com uma medida da inércia dos corpos mecânicos.
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O fenômeno da auto-indução
Se a corrente que flui através de um circuito condutor muda de magnitude, ocorre o fenômeno de auto-indução. Nesse caso, o fluxo magnético através do circuito muda e uma fem aparece nos terminais da espira de corrente, chamada fem de auto-indução. Este EMF é oposto ao sentido da corrente e é igual a:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
É óbvio que o EMF de auto-indução é igual à taxa de variação do fluxo magnético causado por uma mudança na corrente que flui através do circuito, e também é proporcional à taxa de variação da corrente. O coeficiente de proporcionalidade entre o EMF de auto-indução e a taxa de variação da corrente é chamado de indutância e é denotado por L. Este valor é sempre positivo e tem uma unidade SI de 1 Henry (1 H). Frações fracionárias também são usadas - millihenry e microhenry. Podemos falar sobre uma indutância de 1 Henry se uma mudança na corrente de 1 ampere causar um EMF de auto-indução de 1 Volt. Não apenas o circuito possui indutância, mas também um condutor separado, bem como uma bobina, que pode ser representada como um conjunto de circuitos conectados em série.
A indutância armazena energia, que pode ser calculada como W=L*I2/2, onde:
- W—energia, J;
- L – indutância, H;
- I é a corrente na bobina, A.
E aqui a energia é diretamente proporcional à indutância da bobina.
Importante! Na engenharia, uma indutância também é um dispositivo no qual um campo elétrico é armazenado. O elemento real mais próximo de tal definição é um indutor.
A fórmula geral para calcular a indutância de uma bobina física tem uma forma complexa e é inconveniente para cálculos práticos. É útil lembrar que a indutância é proporcional ao número de voltas, ao diâmetro da bobina e depende da forma geométrica. Além disso, a indutância é afetada pela permeabilidade magnética do núcleo no qual o enrolamento está localizado, mas a corrente que flui pelas espiras não é afetada. Para calcular a indutância, sempre que você precisar consultar as fórmulas acima para um projeto específico. Assim, para uma bobina cilíndrica, sua principal característica é calculada pela fórmula:
L=μ*μ*(N2*S/l),
Onde:
- μ é a permeabilidade magnética relativa do núcleo da bobina;
- μ – constante magnética, 1,26*10-6 H/m;
- N é o número de voltas;
- S é a área da bobina;
- l é o comprimento geométrico da bobina.
Para calcular a indutância para uma bobina cilíndrica e bobinas de outras formas, é melhor usar programas de calculadora, incluindo calculadoras online.
Ligação em série e em paralelo de indutores
As indutâncias podem ser conectadas em série ou em paralelo, obtendo um conjunto com novas características.
Conexão paralela
Quando as bobinas são conectadas em paralelo, a tensão em todos os elementos é igual e as correntes (variáveis) são distribuídos inversamente com as indutâncias dos elementos.
- U=U1=U2=U3;
- eu = eu1+eu2+eu3.
A indutância total do circuito é definida como 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. A fórmula é válida para qualquer número de elementos, e para duas bobinas é simplificada para a forma L=L1*EU2/(EU1+L2). Obviamente, a indutância resultante é menor que a indutância do elemento com o menor valor.
conexão serial
Com esse tipo de conexão, a mesma corrente flui pelo circuito formado por bobinas, e a tensão (variável!) em cada componente do circuito é distribuída proporcionalmente à indutância de cada elemento:
- U=U1+U2+U3;
- eu = eu1=eu2=eu3.
A indutância total é igual à soma de todas as indutâncias e será maior que a indutância do elemento com o maior valor. Portanto, essa conexão é usada, se necessário, para obter um aumento na indutância.
Importante! Ao conectar bobinas em uma bateria em série ou paralela, as fórmulas de cálculo são corretas apenas para os casos em que a influência mútua dos campos magnéticos dos elementos entre si é excluída (blindagem, longa distância etc.). Se existir uma influência, o valor total da indutância dependerá da posição relativa das bobinas.
Algumas questões práticas e projetos de indutores
Na prática, vários projetos de indutores são usados. Dependendo da finalidade e campo de aplicação, os dispositivos podem ser feitos de várias maneiras, mas os efeitos que ocorrem em bobinas reais devem ser levados em consideração.
Fator de qualidade do indutor
Uma bobina real, além da indutância, possui vários outros parâmetros, e um dos mais importantes é o fator de qualidade. Este valor determina as perdas na bobina e depende de:
- perdas ôhmicas no fio do enrolamento (quanto maior a resistência, menor o fator de qualidade);
- perdas dielétricas no isolamento do fio e na estrutura do enrolamento;
- perda de tela;
- perdas do núcleo.
Todas essas grandezas determinam a resistência à perda, e o fator de qualidade é um valor adimensional igual a Q=ωL/Rlosses, onde:
- ω = 2*π*F - frequência circular;
- L - indutância;
- ωL é a reatância da bobina.
Podemos dizer aproximadamente que o fator de qualidade é igual à razão entre a resistência reativa (indutiva) e a ativa. Por um lado, com o aumento da frequência, o numerador aumenta, mas ao mesmo tempo, devido ao efeito pelicular, a resistência à perda também aumenta devido à diminuição da seção útil do fio.
efeito de tela
Para reduzir a influência de objetos estranhos, bem como campos elétricos e magnéticos e a influência mútua de elementos através desses campos, bobinas (especialmente as de alta frequência) são frequentemente colocadas em uma tela. Além do efeito benéfico, a blindagem causa diminuição do fator de qualidade da bobina, diminuição de sua indutância e aumento da capacitância parasita. Além disso, quanto mais próximas as paredes de tela estiverem das espiras da bobina, maior será o efeito nocivo. Por isso, bobinas blindadas quase sempre são feitas com a possibilidade de ajuste dos parâmetros.
Indutância do aparador
Em alguns casos, é necessário definir com precisão o valor da indutância no local após conectar a bobina a outros elementos do circuito, compensando os desvios dos parâmetros durante o ajuste. Para isso, são utilizados diferentes métodos (mudança de torneiras das voltas, etc.), mas o método mais preciso e suave é o ajuste com a ajuda de um núcleo. É feito na forma de uma haste rosqueada, que pode ser parafusada dentro e fora da estrutura, ajustando a indutância da bobina.
Indutância variável (variômetro)
Quando é necessário um ajuste rápido da indutância ou acoplamento indutivo, são usadas bobinas de design diferente. Eles contêm dois enrolamentos - móveis e fixos. A indutância total é igual à soma das indutâncias das duas bobinas e a indutância mútua entre elas.
Ao alterar a posição relativa de uma bobina para outra, o valor total da indutância é ajustado. Tal dispositivo é chamado de variômetro e é frequentemente usado em equipamentos de comunicação para sintonizar circuitos ressonantes nos casos em que o uso de capacitores variáveis é impossível por algum motivo.O design do variômetro é bastante volumoso, o que limita seu escopo.
Indutância na forma de uma espiral impressa
Bobinas com uma pequena indutância podem ser feitas na forma de uma espiral de condutores impressos. As vantagens deste design são:
- manufaturabilidade da produção;
- alta repetibilidade de parâmetros.
As desvantagens incluem a impossibilidade de ajuste fino durante o ajuste e a dificuldade de obter grandes valores de indutância - quanto maior a indutância, mais espaço a bobina ocupa na placa.
Carretel de bobina seccional
A indutância sem capacitância está apenas no papel. Com qualquer implementação física da bobina, surge imediatamente uma capacitância parasita entre espiras. Isso é prejudicial em muitos casos. A capacitância parasita se soma à capacitância do circuito LC, reduzindo a frequência de ressonância e o fator de qualidade do sistema oscilatório. Além disso, a bobina tem sua própria frequência de ressonância, o que provoca fenômenos indesejáveis.
Vários métodos são usados para reduzir a capacitância parasita, o mais simples dos quais é a indutância do enrolamento na forma de várias seções conectadas em série. Com essa inclusão, as indutâncias se somam e a capacitância total diminui.
Indutor em um núcleo toroidal
As linhas de campo magnético de um indutor cilíndrico são desenhadas através do interior do enrolamento (se houver um núcleo, então através dele) e fechadas do lado de fora através do ar. Este fato traz várias desvantagens:
- a indutância é reduzida;
- as características da bobina são menos passíveis de cálculo;
- qualquer objeto trazido para um campo magnético externo altera os parâmetros da bobina (indutância, capacitância parasita, perdas, etc.), portanto, a blindagem é necessária em muitos casos.
Bobinas enroladas em núcleos toroidais (na forma de um anel ou um donut) são amplamente livres dessas deficiências. Linhas magnéticas passam dentro do núcleo na forma de espiras fechadas. Isso significa que objetos externos praticamente não têm efeito sobre os parâmetros de uma bobina enrolada em tal núcleo, e a blindagem não é necessária para esse projeto. A indutância também aumenta, outras coisas sendo iguais, e as características são mais fáceis de calcular.
As desvantagens das bobinas enroladas em tori incluem a impossibilidade de ajuste suave da indutância no local. Outro problema é a alta intensidade de mão de obra e a baixa capacidade de fabricação do enrolamento. No entanto, isso se aplica a todos os elementos indutivos em geral, em maior ou menor grau.
Além disso, uma desvantagem comum da implementação física da indutância é o alto peso e tamanho, confiabilidade relativamente baixa e baixa manutenção.
Portanto, na tecnologia, eles tentam se livrar dos componentes indutivos. Mas isso nem sempre é possível, portanto, os componentes do enrolamento serão usados tanto no futuro previsível quanto no médio prazo.
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