Fios de cobre esmaltados para bobinas, transformadores e indutores

Tabela de fios de cobre esmaltados padrão AWG

A seguir está a tabela os fios de cobre segundo o padrão AWG. Logo abaixo estão as explicações de como a tabela pode ser obtida a partir da especificação AWG.

O padrão AWG (American Wire Gauge)

O padrão de bitolas de fio AWG é definido pela norma técnica  ASTM B258 e existe desde 1857. A definição do padrão dita que o fio número 36 deve ter um diâmetro de 0,005 polegadas e o número 0000, um diâmetro de 0,46 polegadas. Os diâmetros dos demais 38 fios contidos entre o 0000 e o 36 devem variar segundo uma proporção geométrica.

Como decorrência da definição, a razão entre os diâmetros de dois fios consecutivos deve ser a rais 39 de 92, ou seja, um valor que elevado a potência 39 resulte em 92. Portanto, o diâmetro de um fio N padrão AWG é dado, em milímetros, pela fórmula:

Para obter o diâmetro dos fios 0, 00, 000 e 0000 com a fórmula, basta tomar N como sendo -1, -2, -3 e -4 respectivamente.

Uma vez conhecido o diâmetro do fio, o número de espiras que podem ser acomodadas a cada centímetro de enrolamento e a área da secção transversal podem ser calculadas facilmente. É importante lembrar que o diâmetro do fio refere-se apenas ao cobre. O diâmetro final do fio de cobre esmaltado será sempre um pouco maior devido a espessura do esmalte isolante.

Resistência elétrica

A resistência elétrica do fio de cobre pode ser determinada pela fórmula de Pouillet, sendo R a resistência, ρ é a resistência específica do material, A a área da secção do fio e l o seu comprimento:

Para o cobre, ρ assume um valor de 1,72E-8 Ωm. Assumindo um comprimento de 1000m, a resistência do fio por km pode ser calculada.

Corrente máxima

A corrente máxima suportada por um fio de cobre está diretamente relacionada à forma como ele é aplicado. Caso o fio aqueça demasiadamente devido à passagem da corrente elétrica, o esmalte isolante será danificado. Em enrolamentos compactos de transformadores de grande porte, é recomendável manter a corrente abaixo de 2,5A/mm², o que resulta no valor apresentado na primeira coluna de correntes da tabela. Em transformadores menores, nos quais a dissipação de calor se dá com mais facilidade, uma corrente de 3A/mm² pode ser empregada sem problemas. Em indutores pequenos, contendo poucas camadas de fio, como em transformadores de fonte chaveada, a corrente pode ser elevada até 6A/mm², entretanto pode ser necessário recorrer a ventilação forçada nesses casos.

Frequência máxima (efeito de pele)

Quando um condutor elétrico é submetido a um campo magnético variável, uma corrente elétrica é induzida em seu interior. Este fenômeno foi observado por Faraday em 1831 e é a base do funcionamento dos transformadores e geradores elétricos atuais.

Se um condutor de secção circular é atravessado por uma corrente alternada, o campo magnético alternado resultante induzira correntes no interior deste e o resultado será uma redistribuição da corrente, concentrando-se na superfície do condutor. A este fenômeno, dá-se o nome de efeito de pele, e a espessura do fio, a partir da sua superfície, onde toda a corrente se concentra é dado pela fórmula aproximada:

Na fórmula acima, δ representa a espessura da camada onde a corrente se concentra, ρ é a resistência específica do condutor, f é a frequência em Hz e μ é a permeabilidade magnética do condutor. Se a frequência da corrente for suficientemente baixa e a resistência elétrica do condutor for suficientemente alta, a espessura pode ser maior que o raio do condutor. Nessa situação pode-se garantir que 100% da área do fio está sendo usada na condução.

Para determinar qual a máxima frequência de uma corrente alternada que pode ser aplicada a um determinado fio, garantindo 100% de penetração da corrente, basta rearranjar a fórmula substituindo δ por d/2, sendo d o diâmetro do fio:

Para o cobre, a resistência específica é 1,72E-8 Ωm e a permeabilidade magnética é 1,256629E−6H/m, bastando apenas substituir o valor do diâmetro do condutor para determinar a frequência máxima.

Algumas ressalvas devem ser feitas sobre o uso desta fórmula. Ela é válida para correntes alternadas de função senoidal. Ondas complexas, como sinais de áudio, ondas quadradas ou triangulares, terão componentes de frequência superior a fundamental que devem ser levadas em conta. Ao escolher a bitola do fio em função de sua frequência máxima, deve-se levar em conta não a frequência fundamental de operação do circuito, mas sim a maior componente que se deseja distribuir uniformemente.