Toroide com duas bobinas. No Problema 1, N é o número de espiras no enrolamento e a corrente nesse mesmo enrolamento. Sobrepondo-se a um segundo enrolamento de N2 espiras sobre o primeiro, de modo que essas duas bobinas fiquem isoladas. c) mostre que se a indutância mútua é dada por .
Resp. a)
Passo 1
Vamos entender o que a questão está pedindo. Temos um toroide com duas bobinas:
Primeira bobina: possui espiras e transporta uma corrente .
Segunda bobina: possui espiras, está sobreposta à primeira e fica isolada dela.
O objetivo é mostrar que, se , a indutância mútua é dada por:
Para resolver isso, vamos precisar entender os conceitos de autoindutância e indutância mútua, além de como elas se relacionam.
Passo 2
Primeiro, vamos relembrar o que é autoindutância. A autoindutância de uma bobina é a propriedade que mede a capacidade da bobina de gerar um fluxo magnético () quando uma corrente () passa por ela. A fórmula é:
Assim, para as duas bobinas temos:
Onde:
é o fluxo magnético através da primeira bobina devido à sua própria corrente.
é o fluxo magnético através da segunda bobina devido à sua própria corrente.
Passo 3
Agora, vamos falar sobre a indutância mútua. Essa grandeza mede como a variação de corrente em uma bobina induz um fluxo magnético na outra bobina. A definição é:
Onde:
é o fluxo magnético na segunda bobina induzido pela corrente da primeira.
é o fluxo magnético na primeira bobina induzido pela corrente da segunda.
Passo 4
Para relacionar , e , vamos considerar a energia magnética armazenada no sistema das duas bobinas. A energia total é dada por:
Essa expressão leva em conta:
A energia armazenada na primeira bobina ().
A energia armazenada na segunda bobina ().
A energia de acoplamento entre as bobinas devido à indutância mútua ().
Passo 5
Vamos agora calcular a autoindutância de cada bobina no toroide. Para um toroide com espiras, a autoindutância é dada por:
Onde:
é a permeabilidade do vácuo.
é a altura do toroide.
e são os raios interno e externo do toroide, respectivamente.
Aplicando isso para as duas bobinas:
Passo 6
Agora, vamos calcular a indutância mútua entre as duas bobinas. A fórmula para em um toroide é:
Observando as expressões de e , podemos notar que:
Resposta
Portanto, demonstramos que se , a indutância mútua é dada por: