La impedancia eléctrica mide la oposición de un circuito eléctrico para el paso de una onda sinusoidal de corriente alterna . La definición de impedancia es una generalización de la ley de Ohm a la corriente alterna . Vamos de a , pero con y formas sinusoidales.
La palabra impedancia fue acuñada por Oliver Heaviside enJulio 1886. Viene del verbo inglés to impede, que significa "retener", "obstruir"; verbo que en sí mismo deriva del latín impedire que significa "obstaculizar".
La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) define la impedancia de un dipolo lineal pasivo de terminales A y B en condiciones de corriente y voltaje sinusoidales como el cociente del voltaje entre sus terminales y la corriente que fluye a través de él. Sea formalmente el cociente de los números complejos phaser y fasor :
El concepto de impedancia permite aplicar las fórmulas utilizadas en modo continuo a condiciones sinusoidales, integrando el efecto de elementos capacitivos e inductivos.
En este artículo se escribe la unidad imaginaria y no para evitar confusiones con la actual.
La impedancia es un número complejo , generalmente anotado .
La IEC recomienda nombrar el módulo de impedancia con el término impedancia aparente , anotado .
Ya sea un componente eléctrico o un circuito alimentado por una corriente sinusoidal . Si el voltaje a través de él lo es , la impedancia del circuito o componente se define como el número complejo de módulo y argumento .
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ya sea en notaciones polares y trigonométricas:
El módulo de impedancia es homogéneo con una resistencia y se mide en ohmios .
A menudo, por abuso del lenguaje, el término impedancia se usa para designar su módulo .
Una impedancia se puede representar como la suma de una parte real y una parte imaginaria:
es la parte real llamada resistiva y es la parte imaginaria llamada reactiva o reactancia .
Una reactancia positiva se calificará como inductiva , mientras que una reactancia negativa se calificará como capacitiva .
La admitancia es la inversa de la impedancia:
Sus partes reales e imaginarias son la conductancia eléctrica y la susceptancia . La admitancia, conductancia y susceptancia se miden en siemens , la inversa de un ohmio.
Podemos equiparar circuitos que comprenden impedancias, de la misma manera que lo hacemos con resistencias de CC. El resultado de calcular un voltaje o una corriente es, en general, un número complejo . Este número complejo se interpreta de la siguiente manera:
El cálculo de la impedancia equivalente de un conjunto de impedancias se trata como resistencias con la ley de Ohm .
Impedancias en serieLa impedancia equivalente a las impedancias en serie es la suma de las impedancias. Tenga en cuenta que esto solo funciona con impedancias en su forma compleja, después de una transformación cissoidal:
Impedancias paralelasLa inversa de la impedancia equivalente a las impedancias paralelas es la suma de las inversas de las impedancias.
Siendo la admitancia la inversa de la impedancia, podemos agregar las admitancias:
Entonces, la impedancia equivalente a las impedancias paralelas es la inversa de la suma de sus inversas:
El voltaje a través de una impedancia es igual al producto de la impedancia por la corriente:
Tanto la impedancia como la corriente y el voltaje son, en general, complejos.
Las leyes de Kirchhoff se aplican de la misma manera que el rango de voltaje y la CC, "la suma de la corriente que ingresa a un nodo es cero" y "la suma de los voltajes alrededor de una malla es nula", pero las corrientes y los voltajes se representan mediante números complejos.
Estas reglas solo son válidas:
Si todas las fuentes no tienen la misma frecuencia o si las señales no son sinusoidales, el cálculo se puede dividir en varias etapas en cada una de las cuales se puede utilizar el formalismo de impedancia.
Para modelar la realidad utilizamos tres tipos de componentes ideales elementales.
La impedancia de una resistencia ideal es igual a :
.Es el único componente que tiene una impedancia puramente real.
La impedancia de una bobina de inductancia es:
donde está el pulso de la señal. A diferencia del caso anterior, esta impedancia es puramente imaginaria y depende de la frecuencia de la señal.
La impedancia de un capacitor ideal de capacitancia es
.Los componentes reales se aproximan mediante modelos construidos en forma de impedancias de expresión complejas que generalmente dependen de la frecuencia y amplitud de la corriente que fluye a través de ellas. Para tener en cuenta los efectos de la frecuencia, generalmente es necesario agregar dipolos elementales en serie o en paralelo al modelo. Por ejemplo, una resistencia real generalmente tiene una inductancia en serie con su resistencia. Una resistencia bobinada parece un inductor y tiene un valor de inductancia significativo. A alta frecuencia, es necesario agregar un condensador paralelo a este modelo para tener en cuenta los efectos capacitivos existentes entre dos espiras contiguas.
Del mismo modo, un condensador y una bobina reales se pueden modelar agregando una resistencia en serie o en paralelo con la capacitancia o el inductor para tener en cuenta las fallas y pérdidas. A veces, incluso es necesario agregar inductores al modelo de un condensador real y condensadores al modelo de una bobina. Las desviaciones del modelo simple utilizado a baja frecuencia pueden volverse predominantes más allá de un cierto valor de frecuencia.
En determinados casos, ocurre que se añade una resistencia cuyo valor depende de la frecuencia para tener en cuenta la evolución de las pérdidas con esta última.
En general, conviene recordar que un modelo siempre tiene un dominio de validez.
Para tener en cuenta las caídas de voltaje y los aumentos de temperatura interna observados durante el uso de un generador eléctrico de voltaje o corriente sinusoidal, con mayor frecuencia un alternador o un transformador , este generador real se modela mediante la asociación de un generador ideal y una impedancia llamada generador interno. impedancia .
El modelo Thévenin es el más común en ingeniería eléctrica (modelo Kapp del transformador o modelo Behn Eschenburg del alternador) porque permite tener en cuenta tanto las pérdidas de Joule como la caída de tensión bajo carga. Un generador de voltaje ideal se combina en serie con una impedancia inductiva.
El modelo Norton combina en paralelo un generador de corriente ideal con una impedancia o admitancia. Este modelo no tiene las mismas pérdidas por efecto Joule que el conjunto que modela, por lo que se utiliza principalmente como intermediario de cálculo para analizar el paralelismo de generadores reales.
Algunos generadores deben ser modelados por asociaciones más complejas de impedancias y fuentes de energía. Por ejemplo, el modelo más simple de máquina asíncrona utilizada como generador consiste en la asociación de una resistencia negativa -por lo tanto, proporciona potencia- cuyo valor está ligado al deslizamiento, en serie con una inductancia. Este conjunto está en paralelo con una impedancia inductiva asimilada a una inductancia pura (bobina ideal). Este modelo debe hacerse más pesado si se desea tener en cuenta las pérdidas magnéticas y las pérdidas por efecto Joule en el estator.
Un cuadrupolo cargado a la salida por una determinada impedancia de carga se comporta, visto desde sus terminales de entrada, como un dipolo pasivo cuya impedancia se puede definir y medir. Esto se llama impedancia de entrada cuadripolo.
La impedancia característica de una línea de transmisión ideal (es decir, sin pérdidas) se define por
donde L y C son respectivamente el coeficiente de autoinducción o inductancia y la capacitancia por unidad de longitud de la línea. Está indicado en los catálogos de los fabricantes. Ella depende:
Valores típicos de la impedancia característica:
El uso de una línea de transmisión es principalmente la transmisión de energía eléctrica que, mediante una modulación adecuada, respalda la información. La buena transmisión de esta información supone la buena transmisión de la energía lo que supone una buena adaptación de las impedancias a la entrada y salida del cable. Esta buena adaptación se produce cuando la impedancia de las terminaciones es igual a la impedancia característica del cable. De lo contrario, la transferencia de energía no es total y la energía no transferida se da la vuelta, lo que tiene inconvenientes con respecto al objetivo deseado. Es por esto que se han elegido algunos valores de impedancia característicos para facilitar el trabajo de los diseñadores en el uso de cables coaxiales y su terminación. (construcción de antena, componentes estándar)
Para una línea de transmisión real (con pérdidas), la impedancia característica es un número complejo :
donde R y G son respectivamente la resistencia y la conductancia de las pérdidas por unidad de longitud.
Observamos que a alta frecuencia (lo suficientemente grande) R y G son despreciables al frente y, por lo tanto, la buena aproximación en una línea real de alta frecuencia de
Determinación práctica de la impedancia característica: depende de los parámetros físicos de la línea. Por ejemplo, para un cable coaxial, Zc depende de la relación de los diámetros del conductor interno y del conductor externo, así como de la constante dieléctrica del aislante. Se adoptaron valores estandarizados porque minimizan las pérdidas de Joule. Para una línea de microbanda impresa, la impedancia característica depende de la relación entre el ancho de la tira (W), el espesor (h) del aislamiento entre la tira y el plano de tierra y la constante dieléctrica del aislamiento.
La adaptación de impedancia es una técnica eléctrica para optimizar la transferencia de energía eléctrica entre un transmisor (fuente) y una carga eléctrica (carga):
Existe una gran cantidad de arreglos de puentes, análogos al puente de Wheatstone utilizado para medir resistencias, que permiten medir impedancias: puente Sauty , puente Maxwell , etc.
Existe una amplia variedad de dispositivos comerciales más o menos sofisticados para medir la impedancia de un componente o un dipolo. Se encuentran bajo los nombres de "analizador de impedancia", "puente RLC", "puente de medición electrónica", etc.
Consisten en un generador de corriente sinusoidal creado utilizando el voltaje de salida de un oscilador ajustable. Esta corriente fluye a través del dipolo a medir y la descomposición de la tensión en sus terminales en una componente en fase y otra en cuadratura con la tensión entregada por el oscilador permite determinar las partes real e imaginaria de la impedancia. Siendo conocido el pulso, es posible a partir de la reactancia mostrar L o C.
Los dispositivos más simples funcionan con un oscilador que entrega un voltaje de amplitud y frecuencia fijas (a menudo, 1 kHz ). A veces se agrega un componente de CC para la medición de condensadores electroquímicos. Si bien los avisos técnicos indican detalles del orden del uno por ciento, se debe tener en cuenta que el modelado de un dipolo por un modelo en serie (resistencia Rs y reactancia Xs) o paralelo (resistencia Rp y reactancia Xp) depende en gran parte de la magnitud y frecuencia del voltaje a través de él. Algunos puentes de impedancia automáticos permiten ajustar estos parámetros.
Al igual que con los ohmímetros, a veces es necesario tomar precauciones de cableado: montaje de 4 cables o uso de una protección (blindaje de los cables de conexión por una envoltura conductora, cuyo potencial se mantiene en un cierto valor para limitar los errores debidos a impedancias parasitarias).
La espectroscopia de impedancia es un término general que engloba todas las técnicas que consisten en medir y analizar la impedancia eléctrica de una muestra, en general en función de la frecuencia, para obtener información sobre sus propiedades fisicoquímicas. También se conoce como espectroscopia dieléctrica , cuando se aplica a materiales dieléctricos .
Las balanzas de impedancia permiten separar la masa grasa y la masa magra durante un pesaje. Actualmente disponibles comercialmente, estos dispositivos aprovechan las diferencias de conductividad entre estos diferentes tejidos para rastrear esta información.
La impedancia de la neumografía es una técnica para monitorear los movimientos respiratorios (cambios en el volumen pulmonar) mediante cambios en la impedancia entre electrodos colocados apropiadamente.
La tomografía de impedancia eléctrica es una técnica de obtención de imágenes del cuerpo humano mediante la cual se reconstituye una imagen en tres dimensiones a partir de múltiples mediciones de impedancia entre electrodos colocados sobre la piel.