Impedenza elettrica

L'impedenza elettrica è la quantità di opposizione che un circuito presenta alla variazione di corrente o di tensione.

I due modi principali per scrivere un'impedenza sono: (vedere la seconda figura, "piano di impedenza complessa")

con la resistenza "R" (parte reale) e la reattanza "X" (parte immaginaria), per esempio Z = 1 + 1 j {\displaystyle Z=1+1j} $Z=1+1j$
con una grandezza e una fase (la grandezza | Z | {\i} {\i\i\i}}displaystyle $\left\vert Z\right\vert$ \fscx130\fscy130\frx40}e l'angolo ∠ θ {\i\i\i}displaystyle \i\i}angle \i\i}theta \i\i} $\angle \theta$ ), per esempio Z = 1.4 ∠ 45 ∘ {\a6}}}(*displaystyle Z=1.4\a6}(*displaystyle Z=1.4\a6}(angolo 45^{\circ }}}} $Z=1.4\angle 45^{\circ }$ (1,4 ohm a 45 gradi)

L'impedenza e la resistenza sono abbastanza simili:

Nel caso di resistenza, una resistenza resiste a qualsiasi corrente che la attraversa. Maggiore è la resistenza, maggiore è la tensione necessaria per ottenere una data corrente. La formula è:

V = R ∗ I {\i} $V=R*I$ , dove V è la tensione, R è la resistenza, e I è la corrente.

Nel caso dell'impedenza, un induttore resiste alle variazioni di corrente e il condensatore resiste alle variazioni di tensione.

La differenza fondamentale tra resistenza e impedenza è la parola "cambiamento", il tasso di cambiamento influenza l'impedenza. Di solito il "cambiamento" è espresso come frequenza, il numero di volte al secondo che la corrente o la tensione cambiano direzione. Le formule sono:

Per l'induttore: Z = j 2 π f L {\fscx130\fscy130\frx40}Stile di visualizzazione Z=j2\pi fL,} $Z=j2\pi fL\,$

Per il condensatore: Z = 1 j 2 π f C {\an8}}{\an8}displaystyle Z={\an8}{\an8}frac {1}{j2\pi fC}} $Z={\frac {1}{j2\pi fC}}$

Dove Z è il simbolo per l'impedenza, j è il numero immaginario - 1 {\sqrt {-1}}}}} dove Z è il simbolo per l'impedenza, j è il numero immaginario - 1 {\sqrt {-1}} {\sqrt ${\sqrt {-1}}$ , π {\fscx130\fscy130\frx40} $\pi$ è la costante pi greco, f è la frequenza, L è l'induttanza e C è la capacità. Le unità di misura per la resistenza e l'impedenza sono le stesse, l'ohm con il simbolo Ω {\i} \i\i} $\Omega$ (omega maiuscolo).

Come indicato dalle formule sopra riportate, l'impedenza varia a seconda della frequenza, ad esempio, a zero Hertz, o DC, l'impedenza dell'induttore è pari a zero, la stessa di un corto circuito, e l'impedenza del condensatore è infinita, la stessa di un circuito aperto. La maggior parte dei segnali sono la somma di molte sinusoidi a varie frequenze (vedi la trasformata di fourier per maggiori dettagli), ed ognuno di essi ha un'impedenza diversa.

Analogamente alla resistenza, maggiore è l'impedenza, maggiore è la tensione necessaria per ottenere una data corrente. La formula è:

V = Z ∗ I {\i} $V=Z*I$ , dove V è la tensione, Z è l'impedenza e I è la corrente.

A livello fisico, semplificando molte cose:

la resistenza è causata dalle collisioni degli elettroni con gli atomi all'interno delle resistenze.
l'impedenza in un condensatore è causata dalla creazione di un campo elettrico.
l'impedenza in un induttore è causata dalla creazione di un campo magnetico.

Una differenza importante tra la resistenza e l'impedenza è che una resistenza dissipa l'energia, si surriscalda, ma un induttore e un condensatore immagazzinano l'energia e possono restituirla alla sorgente quando scende.

Se l'impedenza della sorgente, del cavo e del carico non sono tutti uguali, allora una frazione del segnale viene riflessa alla sorgente, sprecando energia e creando interferenze. Il rapporto della riflessione può essere calcolato con:

Γ = Z L - Z S Z S Z L + Z S {\a6}} Γ = Z L - Z S Z L + Z S \a6} $\Gamma ={Z_{L}-Z_{S} \over Z_{L}+Z_{S}}$ dove Γ \a6} \a6} \a6} dove \a6\a6\a6\a6\a6\a6\a6\a6\A $\Gamma$ (gamma maiuscola) è il coefficiente di riflessione, Z S {\displaystyle Z_{S}} $Z_{S}$ è l'impedenza della sorgente, Z L {\displaystyle Z_{L}} $Z_{L}$ è l'impedenza del carico.

Qualsiasi mezzo che può avere un'onda ha un'impedenza d'onda, anche lo spazio vuoto (la luce è un'onda elettromagnetica e può viaggiare nello spazio) ha un'impedenza di circa 377 Ω {\i\i} $\Omega$ .

Una rappresentazione grafica del complesso piano di impedenza

Un'alimentazione a corrente alternata che applica un voltaggio V {\i} $\scriptstyle V$ , attraverso un'impedenza Z \displaystyle \displaystyle \scriptstyle Z} $\scriptstyle Z$ , alla guida di una corrente I \displaystyle \scriptstyle I} $\scriptstyle I$ .

Un segnale viene parzialmente riflesso dove cambia l'impedenza.

Fase

Attraverso una resistenza, sia la tensione che la corrente salgono e scendono allo stesso tempo, si dice che siano in fase, ma con un'impedenza diversa, la tensione viene spostata di 1/4 di lunghezza d'onda dietro la corrente in un condensatore, e in avanti in un induttore.

Una lunghezza d'onda di 1/4 è solitamente rappresentata con il numero immaginario "j", che equivale anche ad uno spostamento di 90 gradi.

L'uso del numero immaginario "j" rende la matematica molto più semplice, permette di calcolare l'impedenza totale nello stesso modo in cui si fa con i resistori, per esempio un resistore più un'impedenza in serie è R+Z, e in parallelo è (R*Z)/(R+Z).

Attraverso un condensatore (in alto), la tensione (rossa) cambia dopo la corrente (blu), attraverso un induttore (in basso) è prima. La differenza di fase tra la tensione e la corrente è di 1/4 di lunghezza d'onda.

Domande e risposte

D: Che cos'è l'impedenza elettrica?

R: L'impedenza elettrica è la quantità di opposizione che un circuito presenta alla variazione di corrente o di tensione.

D: Come si scrive l'impedenza elettrica?

R: L'impedenza elettrica può essere scritta con la resistenza "R" (parte reale) e la reattanza "X" (parte immaginaria), oltre che con una magnitudine, una fase, una dimensione e un angolo.

D: Qual è la differenza tra resistenza e impedenza?

R: La differenza chiave tra resistenza e impedenza è la parola "cambiamento"; in altre parole, la velocità di cambiamento influisce sull'impedenza. La resistenza resiste a qualsiasi corrente che la attraversa, mentre un induttore resiste alle modifiche della corrente e un condensatore resiste alle modifiche della tensione.

D: Quali sono alcune formule associate alla resistenza e all'impedenza?

R: Per la resistenza, V=R*I dove V è la tensione, R è la resistenza e I è la corrente; per gli induttori Z=j2πfL; per i condensatori Z=1/j2πfC; dove Z rappresenta l'impedenza, j rappresenta il numero immaginario -1 , π rappresenta la costante pi, f rappresenta la frequenza, L rappresenta l'induttanza, C rappresenta la capacità.

D: Quali sono alcune spiegazioni fisiche della resistenza e dell'impedenza?

R: La resistenza è causata dagli elettroni che si scontrano con gli atomi all'interno dei resistori, mentre l'impedenza di un induttore deriva dalla creazione di un campo elettrico e quella di un condensatore dalla creazione di un campo magnetico. Inoltre, i resistori dissipano energia, mentre gli induttori e i condensatori immagazzinano energia che può essere restituita alla sorgente quando si abbassa.

D: Come si calcola il coefficiente di riflessione?

R: Il coefficiente di riflessione può essere calcolato utilizzando Γ=(ZL-ZS)/(ZL+ZS) dove Γ (gamma maiuscola) indica il coefficiente di riflessione; ZS indica l'impedenza della sorgente; ZL indica l'impedenza del carico.