Impedancia

Innen: testwiki
Ugrás a navigációhoz Ugrás a kereséshez

Az impedancia jelentése váltakozó áramú ellenállás. Váltakozó áramú elektromos hálózatban egy fogyasztó komplex impedanciájának nevezzük a komplex feszültség és a komplex áramerősség hányadosát, jele Z. Képlettel:

𝐙=𝐔𝐈

A komplex impedancia abszolút értékét látszólagos ellenállásnak nevezzük, jele Z. A látszólagos ellenállás mértékegysége az ohm.

A komplex impedancia értelmezése

A komplex feszültség és a komplex áramerősség (t = 0)

A komplex impedancia a definíció alapján

𝐙=𝐔𝐈=U0ei(ωt+α)I0ei(ωt+β)=U0I0ei(αβ)=U0I0eiφ.

A képletekben U0 és I0 a feszültség, illetve az áramerősség csúcsértéke; ω a körfrekvencia; t az idő; α és β a feszültség, illetve az áramerősség fázisszöge; φ a fáziskülönbség a feszültség és áramerősség között. Az i az imaginárius egység (képzetes egység), az e az Euler-féle szám.

A látszólagos ellenállás

A komplex impedancia

Mivel a látszólagos ellenállás a definícióból adódóan a komplex impedancia abszolút értéke, ezért

Z=|𝐙|=|U0I0eiφ|=U0I0.

Olyan váltakozó feszültségnél, amelynél az effektív értékek egyenesen arányosak a csúcsértékekkel (pl. a szinuszos váltakozó feszültségnél), a látszólagos ellenállás az effektív feszültség és az effektív áramerősség hányadosaként is kiszámítható:

Z=U0I0=UeffIeff.

A látszólagos ellenállás segítségével a komplex impedancia:

𝐙=Zeiφ.

A hatásos ellenállás és a meddő ellenállás

A hatásos ellenállás és a meddő ellenállás

A komplex impedancia (mint bármely komplex mennyiség) valós és képzetes részre bontható. Valós része a hatásos ellenállás (rezisztencia), jele Rh; képzetes része a meddő ellenállás (reaktancia), jele X. Képlettel:

𝐙=Rh+iX.

A hatásos ellenállás és a meddő ellenállás kifejezhető a látszólagos ellenállás, illetve a fáziskülönbség segítségével:

Rh=ZcosφésX=Zsinφ.

A fordított irányú összefüggések a látszólagos ellenállás, illetve a fáziskülönbség tangensének kiszámítására:

Z=Rh2+X2éstanφ=XRh.

A hatásos ellenállásra és a meddő ellenállásra felírt összefüggések alapján a komplex impedancia:

𝐙=Zcosφ+iZsinφ=Z(cosφ+isinφ).

Egyes eszközök impedanciája

Ohmos ellenállás impedanciája

Egy fogyasztót ohmos ellenállásnak nevezünk, ha egyenáramra vagy szinuszos váltakozó feszültségre kapcsolva a fogyasztón átfolyó áram erőssége egyenesen arányos a feszültséggel. Ha egy R ellenállású ohmos ellenállást szinuszos váltakozó feszültségre kapcsolunk, akkor a komplex impedancia:

𝐙=𝐔𝐈=R𝐈𝐈=R.
Az ohmos ellenállás impedanciája

A hatásos ellenállás és a meddő ellenállás a komplex impedancia valós, illetve képzetes része alapján határozható meg. Eszerint az ohmos ellenállás hatásos ellenállása megegyeszik az egyenáramú ellenállásával

Rh=R,

meddő ellenállása (reaktanciája) pedig nulla:

X=0.

A feszültség és áramerősség azonos fázisban van egymással, azaz

φ=0.

Mindezek alapján az ohmos ellenállás komplex impedanciája:

𝐙=Z=Rh=R.

Eszerint az ohmos ellenállás látszólagos ellenállása nem függ a frekvenciától.

Ideális tekercs impedanciája

Egy tekercset ideális tekercsnek nevezünk, ha ohmos (és kapacitív) ellenállása elhanyagolható, így szinuszos váltakozó feszültségre kapcsolva az áramerősséget csak az önindukció befolyásolja. Egy L önindukciós tényezőjű ideális tekercsnél Kirchhoff huroktörvénye miatt:

ULdIdt=0,

azaz

U=LdIdt.

Ha a komplex áramerősség

𝐈=I0eiωt,

akkor az előzőek miatt a komplex feszültség

𝐔=Ld(I0eiωt)dt=LI0iωeiωt,
Ideális tekercs impedanciája
Egy ideális tekercs látszólagos ellenállása a frekvencia függvényében

Ezek alapján a komplex impedancia:

𝐙=𝐔𝐈=LI0iωeiωtI0eiωt=iωL.

A hatásos ellenállás és a meddő ellenállás a komplex impedancia valós, illetve képzetes része alapján határozható meg. Eszerint az ideális tekercs hatásos ellenállása nulla

R𝐡=0,

meddő ellenállása (reaktanciája) pedig

X=ωL.

Az ideális tekercsnél az áramerősség 90°-ot késik a feszültséghez képest, azaz

φ=90.

Az ideális tekercs látszólagos ellenállása:

Z=X=ωL.

Eszerint az ideális tekercs látszólagos ellenállása egyenesen arányos a váltakozó feszültség körfrekvenciájával, illetve frekvenciájával.

Az impedanciára kapott összefüggés jobb oldalát i-vel szorozva és osztva a komplex impedancia

𝐙=iωL=ωLi

alakban is felírható.

Ideális kondenzátor impedanciája

Egy kondenzátort ideális kondenzátornak nevezünk, ha ohmos (és induktív) ellenállása elhanyagolható, így szinuszos váltakozó feszültségre kapcsolva az áramerősséget csak a kapacitása befolyásolja. Egy C kapacitású ideális kondenzátort szinuszos váltakozó feszültségre kapcsolva a komplex feszültség:

𝐔=U0eiωt.

Az áramerősség megegyezik a töltés idő szerinti deriváltjával, ezért a Q = CU összefüggést felhasználva

I=dQdt=CdUdt.

A fentiek alapján komplex áramerősség:

𝐈=Cd(U0eiωt)dt=CU0iωeiωt.
Ideális kondenzátor impedanciája
Egy kondenzátor látszólagos ellenállása a frekvencia függvényében

Ezek alapján a komplex impedancia:

𝐙=𝐔𝐈=U0eiωtCU0iωeiωt=1iωC=i1ωC.

A hatásos ellenállás és a meddő ellenállás a komplex impedancia valós, illetve képzetes része alapján határozható meg. Eszerint az ideális kondenzátor hatásos ellenállása nulla

R𝐡=0,

meddő ellenállása (reaktanciája) pedig

X=1ωC.

Az ideális kondenzátornál az áramerősség 90°-ot siet a feszültséghez képest, azaz

φ=90.

Mindezek alapján az ideális kondenzátor látszólagos ellenállása:

Z=X=1ωC.

Eszerint az ideális kondenzátor látszólagos ellenállása fordítottan arányos a váltakozó feszültség körfrekvenciájával, illetve frekvenciájával.

Komplex impedanciájú fogyasztókból álló kapcsolások

Az előzőkben felírt

𝐙=𝐔𝐈ésZ=UeffIeff

összefüggések szerint a komplex impedancia és a látszólagos ellenállás a váltakozó áramú hálózatokban hasonló szerepet tölt be, mint az egyenáramú hálózatokban az ellenállás. Igazolható, hogy az egyenáramú hálózatokra vonatkozó Ohm-törvény valamint a Kirchhoff-törvények, illetve az ezekből levezethető összefüggések átvihetők a (szinuszos) váltakozó áramú hálózatokra.

Impedanciák összegzése soros RLC-körben

Például a Z1, Z2, ... komplex impedanciájú fogyasztók soros, illetve párhuzamos kapcsolása esetén az eredő Z komplex impedanciára teljesülnek a

𝐙=𝐙1+𝐙2+...,illetve1𝐙=1𝐙1+1𝐙2+...

összefüggések.

A párhuzamos kapcsolásra vonatkozó képlet két fogyasztó esetén felírható

𝐙=𝐙1𝐙2𝐙1+𝐙2

formában is.

Soros RL-kör impedanciája

Soros RL-kör

Ha egy ohmos ellenállást és egy ideális tekercset sorosan kapcsolunk, akkor a komplex impedancia:

𝐙=𝐙R+𝐙L=R+iωL.

Ebből a látszólagos ellenállás, illetve a fázisszög tangense:

Z=Rh2+X2=R2+ω2L2,
tanφ=XRh=ωLR.

Mivel a valóságban a tekercset alkotó vezetéknek mindig van valamekkora ellenállása, egy valóságos tekercs egy ohmos ellenállás és egy ideális tekercs soros kapcsolásának tekinthető. A fenti összefüggés szerint a tekercs látszólagos ellenállása függ a váltakozó feszültség körfrekvenciájától, illetve frekvenciájától: nagyobb frekvenciákon nagyobb a látszólagos ellenállás.

Ha a tekercset alkotó vezeték egyenáramú ellenállása elég kicsi, és a tekercs öninduktivitása elég nagy, akkor

RωL.

Emiatt az előzőleg kapott összefüggésekben az R elhanyagolható, így

Z=R2+ω2L20+ω2L2=ωL

és

tanφ=ωLRφ90.

Eszerint egy tekercs annál inkább ideális tekercsként viselkedik, minél kisebb az egyenáramú ellenállása és minél nagyobb az öninduktivitása.

Párhuzamos RC-kör impedanciája

Párhuzamos RC-kör

Ha egy ohmos ellenállást és egy ideális kondenzátort párhuzamosan kapcsolunk, akkor a komplex impedancia reciproka:

1𝐙=1𝐙R+1𝐙C=1R+iωC.

Ennek abszolút értéke a valós és képzetes rész alapján számítható ki:

1Z=1R2+ω2C2

Ebből a látszólagos ellenállás:

Z=11R2+ω2C2

A fázisszög tangensének kiszámításához szükség van a komplex impedanciára:

𝐙=11R+iωC=11R+iωC1RiωC1RiωC=1R1R2+ω2C2iωC1R2+ω2C2.

Ebből a hatásos ellenállás és a meddő ellenállás:

Rh=1R1R2+ω2C2,illetveX=ωC1R2+ω2C2.

Ezek alapján a fázisszög:

tanφ=XRh=ωC1R=ωRC

Mivel a valóságban a kondenzátor fegyverzetei közti szigetelőnek mindig van valamekkora vezetőképessége, egy valóságos kondenzátor egy ohmos ellenállás és egy ideális kondenzátor párhuzamos kapcsolásának tekinthető. A fenti összefüggés szerint a kondenzátor látszólagos ellenállása függ a váltakozó feszültség körfrekvenciájától, illetve frekvenciájától: nagyobb frekvenciákon kisebb a látszólagos ellenállás.

Ha a fegyverzetek közti szigetelő egyenáramú ellenállása és a kondenzátor kapacitása elég nagy, akkor

1RωC.

Ebben az esetben az előzőleg kapott összefüggések:

Z=11R2+ω2C210+ω2C2=1ωC

és

tanφ=ωRCφ90.

Eszerint egy kondenzátor annál inkább ideális kondenzátorként viselkedik, minél nagyobb az egyenáramú ellenállása és a kapacitása.

Párhuzamos LC-kör impedanciája

Párhuzamos LC-kör

Ha egy ideális tekercset és egy ideális kondenzátort párhuzamosan kapcsolunk, akkor a komplex impedancia reciproka:

1𝐙=1𝐙C+1𝐙L=iωCiωL=i(ωC1ωL).

Ennek alapján az impedancia:

𝐙=1i(ωC1ωL)=i1ωC1ωL.

Ebből a párhuzamos LC-kör hatásos ellenállása és a meddő ellenállása:

Rh=0,
X=1ωC1ωL.

A párhuzamos LC-kör látszólagos ellenállása:

Z=1ωC1ωL.

Eszerint a párhuzamos LC-kör látszólagos ellenállása függ a váltakozó feszültség körfrekvenciájától, illetve frekvenciájától. Az összefüggés azonban most viszonylag bonyolult. Az azonban könnyen belátható, hogy a látszólagos ellenállás végtelen naggyá válik annál az ω0 körfrekvenciánál, amelynél az

ω0C1ω0L=0

feltétel teljesül. Ebből a feltételből ez az ω0 körfrekvencia, illetve a hozzá tartozó f0 frekvencia:

ω0=1LC,f0=12πLC.

Ezt az f0 frekvenciát a párhuzamos LC-kör sajátfrekvenciájának, vagy rezonanciafrekvenciájának nevezzük.

Mivel a hatásos ellenállás nulla, a fázisszög most nem értelmezhető a meddő ellenállás és a hatásos ellenállás hányadosa alapján. A komplex impedanciára vonatkozó képlet alapján azonban megállapítható, hogy

φ={90, ha f<f0nem értelmezhető, ha f=f090, ha f>f0

Soros RLC-kör impedanciája

Ha egy ohmos ellenállást, egy ideális tekercset és egy ideális kondenzátort sorosan kapcsolunk, akkor a komplex impedancia:

Soros RLC-kör impedanciája
Soros RLC-kör
𝐙=𝐙R+𝐙L+𝐙C=R+iωLi1ωC=R+i(ωL1ωC).

Ebből a látszólagos ellenállás, illetve a fázisszög tangense:

Z=Rh2+X2=R2+(ωL1ωC)2,
tanφ=XRh=ωL1ωCR.
Egy soros RLC-kör látszólagos ellenállása a frekvencia függvényeként

A látszólagos ellenállásra vonatkozó fenti képlet alapján látható, hogy a soros RLC-kör látszólagos ellenállása függ a váltakozó feszültség körfrekvenciájától, illetve frekvenciájától. Az összefüggés azonban most viszonylag bonyolult. Az azonban könnyen belátható, hogy a látszólagos ellenállásnak minimuma van annál az ω0 körfrekvenciánál, amelynél az

ω0C1ω0L=0

feltétel teljesül. Ebből a feltételből ez az ω0 körfrekvencia, illetve a hozzá tartozó f0 frekvencia:

ω0=1LC,f0=12πLC.

Ezt az f0 frekvenciát a soros LC-kör sajátfrekvenciájának, vagy rezonanciafrekvenciájának nevezzük.

Párhuzamos RLC-kör impedanciája

Párhuzamos RLC-kör

Ha egy ohmos ellenállást, egy ideális tekercset és egy ideális kondenzátort párhuzamosan kapcsolunk, akkor a komplex impedancia reciproka:

1𝐙=1𝐙R+1𝐙L+1𝐙C=1Ri1ωL+iωC=1R+i(ωC1ωL).

Ennek abszolút értéke a valós és képzetes rész alapján számítható ki:

1Z=1R2+(ωC1ωL)2.

Ebből a látszólagos ellenállás:

Z=11R2+(ωC1ωL)2.

A komplex impedancia:

𝐙=11R+i(ωC1ωL)=1R1R2+(ωC1ωL)2i(ωC1ωL)1R2+(ωC1ωL)2.

Ebből a hatásos ellenállás és a meddő ellenállás:

Rh=1R1R2+(ωC1ωL)2,X=(ωC1ωL)1R2+(ωC1ωL)2.

Ezek alapján a fázisszög tangense:

tanφ=XRh=(ωC1ωL)1R=R(ωC1ωL).

A látszólagos ellenállásra vonatkozó fenti képlet alapján látható, hogy a párhuzamos RLC-kör látszólagos ellenállása függ a váltakozó feszültség körfrekvenciájától, illetve frekvenciájától. Az összefüggés azonban most viszonylag bonyolult. Az azonban könnyen belátható, hogy a látszólagos ellenállásnak maximuma van annál az ω0 körfrekvenciánál, amelynél az

ω0C1ω0L=0

feltétel teljesül. Ebből a feltételből ez az ω0 körfrekvencia, illetve a hozzá tartozó f0 frekvencia:

ω0=1LC,f0=12πLC.

Ezt az f0 frekvenciát a párhuzamos RLC-kör sajátfrekvenciájának, vagy rezonanciafrekvenciájának nevezzük.

Párhuzamos (RL)C-kör impedanciája

Párhuzamos (RL)C-kör

Ha egy ohmos ellenállást és egy ideális tekercset sorosan kapcsolunk, majd az így kapott rendszerrel párhuzamosan kapcsolunk egy ideális kondenzátort akkor a komplex impedancia két lépésben határozható meg. Elsőként a sorosan kapcsolt ellenállás és tekercs impedanciája:

𝐙RL=𝐙R+𝐙L=R+iωL.

Ennek alapján a teljes rendszer impedanciája:

𝐙=𝐙RL𝐙C𝐙RL+𝐙C=(R+iωL)(iωC)R+i(ωL1ωC)=R(ωC)2R2+(ωL1ωC)2iR2ωC+ωL2CLωC2R2+(ωL1ωC)2.

Az impedancia valós és képzetes része alapján a látszólagos ellenállás és a fázisszög tangense:

Z=R2ω4C4+(R2ωC+ωL2CLωC2)2R2+(ωL1ωC)2,
tanφ=R2ωC+ωL2CLωC2Rω2C2.
Egy párhuzamos (RL)C-kör látszólagos ellenállása a frekvencia függvényében

A látszólagos ellenállásra vonatkozó fenti képlet alapján látható, hogy a párhuzamos (RL)C-kör látszólagos ellenállása függ a váltakozó feszültség körfrekvenciájától, illetve frekvenciájától. Az összefüggés azonban most viszonylag bonyolult, de a látszólagos ellenállásnak maximuma van egy meghatározott az f0 frekvenciánál. Ezt az f0 frekvenciát a párhuzamos (RL)C-kör sajátfrekvenciájának, vagy rezonanciafrekvenciájának nevezzük.

Láttuk, hogy egy valóságos tekercs egy ohmos ellenállás és egy ideális tekercs soros kapcsolásának tekinthető. Az előbbiekben tárgyalt eset tehát alkalmazható egy valóságos tekercs és egy (ideális) kondenzátor párhuzamos kapcsolására is. (A valóságos kondenzátorok többnyire ideálisnak tekinthetők.)

Ha azonban a tekercset alkotó vezeték egyenáramú ellenállása elég kicsi, akkor a látszólagos ellenállás:

Z=R2ω4C4+(R2ωC+ωL2CLωC2)2R2+(ωL1ωC)2ωL2CLωC2(ωL1ωC)2=1ωC1ωL.

Kapcsolódó szócikkek

Források

Sablon:Nemzetközi katalógusok Sablon:Elektromágnesség-box Sablon:Portál