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Impedancia

La impedancia (Z) es una medida de oposición que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica una tensión. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de corriente alterna (CA), y posee tanto magnitud como fase, a diferencia de la resistencia, que solo tiene magnitud. Cuando un circuito es alimentado con corriente continua (CC), su impedancia es igual a la resistencia, lo que puede ser interpretado como la impedancia con ángulo de fase cero.

Impedancia línea bifiliar

Por definición, la impedancia es la relación (cociente) entre el fasor tensión y el fasor intensidad de corriente:

Donde es la impedancia, es el fasor tensión e corresponde al fasor intensidad.

El concepto de impedancia tiene especial importancia si la corriente varía en el tiempo, en cuyo caso las magnitudes se describen con números complejos o funciones del análisis armónico. Su módulo (a veces inadecuadamente llamado impedancia) establece la relación entre los valores máximos o los valores eficaces de la tensión y de la corriente. La parte real de la impedancia es la resistencia y su parte imaginaria es la reactancia.

El concepto de impedancia permite generalizar la ley de Ohm en el estudio de circuitos en corriente alterna (CA), dando lugar a la llamada ley de Ohm de corriente alterna que indica:

El término fue acuñado por Oliver Heaviside en 1886. En general, la solución para las corrientes y las tensiones de un circuito formado por resistencias, condensadores e inductancias y sin ningún componente de comportamiento no lineal, son soluciones de ecuaciones diferenciales. Pero, cuando todos los generadores de tensión y de corriente tienen la misma frecuencia constante y sus amplitudes son constantes, las soluciones en estado estacionario (cuando todos los fenómenos transitorios han desaparecido) son sinusoidales y todas las tensiones y corrientes tienen la misma frecuencia que los generadores y amplitud constante. La fase, sin embargo, se verá afectada por la parte imaginaria (reactancia) de la impedancia.

Formalismo matemático

Definición

Sea un componente eléctrico o electrónico o un circuito alimentado por una corriente sinusoidal  . Si la tensión entre sus extremos es  , la impedancia del circuito o del componente se define como un número complejo  ; que expresado en forma polar tiene un módulo igual al cociente   y un argumento que es  :

 

o sea

 .

Que a veces, sobre todo en textos de Electrotecnia, también suele escribirse con el formato:

 .

Como se indicó anteriormente, la impedancia también se define por el cociente entre los fasores de tensión y corriente, representando la oposición total (Resistencia, Reactancia inductiva, Reactancia capacitiva) sobre la corriente.

Como la tensión y las corrientes son sinusoidales, se pueden utilizar los valores pico (amplitudes), los valores eficaces, los valores pico a pico o los valores medios. Pero hay que cuidar de tratarlos uniformemente y no mezclar los tipos. El resultado de los cálculos será del mismo tipo que el utilizado para los generadores de tensión o de corriente.

Representación binómica

La impedancia puede representarse en forma binómica como la suma de una parte real y una parte imaginaria:

 

  es la parte resistiva o real de la impedancia y   es la parte reactiva o imaginaria de la impedancia. Básicamente hay dos clases o tipos de reactancias:

  • Reactancia inductiva o  : Debida a la existencia de inductores.
  • Reactancia capacitiva o  : Debida a la existencia de capacitores.

Admitancia

La admitancia es la inversa de la impedancia:

 

La conductancia   es la parte real de la admitancia y la susceptancia   la parte imaginaria de la admitancia.

La unidad de la admitancia, la conductancia y la susceptancia es el siemens (símbolo S). Un siemens es el recíproco de un ohmio.

Representación gráfica

 
Ejemplo de fasores

Se pueden representar las tensiones de los generadores de tensión y las tensiones entre los extremos de los componentes como vectores giratorios en un plano complejo. La magnitud (longitud) de los vectores es el módulo de la tensión y el ángulo que hacen con en eje real es igual al ángulo de desfase con respecto al generador de referencia. Este tipo de diagrama también se llama diagrama de Fresnel.

Con un poco de costumbre y un mínimo de conocimientos de geometría, esas representaciones son mucho más explícitas que los valores o las fórmulas. Por supuesto, esos dibujos no son, en nuestra época, un método gráfico de cálculo de circuitos. Son una manera de "ver" como las tensiones se suman. Esos dibujos pueden facilitar la escritura de las fórmulas finales, utilizando las propiedades geométricas. Encontrarán ejemplos de la representación gráfica en los ejemplos de abajo.

Cálculo de circuitos con las impedancias

El formalismo de las impedancias consiste en unas pocas reglas que permiten calcular circuitos que contienen elementos resistivos, inductivos o capacitivos de manera similar al cálculo de circuitos resistivos en corriente continua. Esas reglas solo son válidas en los casos siguientes:

  • En régimen permanente con corriente alterna sinusoidal. Es decir, que todos los generadores de tensión y de corriente son sinusoidales y de la misma frecuencia, y que todos los fenómenos transitorios (conexiones y desconexiones bruscas, fallas de aislación repentinas, etc.) se han atenuado y desaparecido completamente.
  • Si todos los componentes son lineales. Es decir, componentes o circuitos en los cuales la amplitud (o el valor eficaz) de la corriente es estrictamente proporcional a la tensión aplicada. Se excluyen los componentes no lineales como los diodos, bobinas con núcleos de hierro y otros. Por ello, si el circuito contiene inductancias o transformadores con núcleo ferromagnético (que no son lineales), los resultados de los cálculos solo podrán ser aproximados y eso, a condición de respetar la zona de trabajo de las inductancias.

Generadores de tensión o de corriente desfasadas

Si en un circuito se encuentran varios generadores de tensión o de corriente, se elige uno de ellos como generador de referencia de fase. Si la verdadera tensión del generador de referencia es  , para el cálculo con las impedancias escribiremos su tensión como  . Si la tensión de otro generador tiene un avance de fase de   con respecto al generador de referencia y su corriente es  , para el cálculo con las impedancias escribiremos su corriente como  . El argumento de las tensiones y corrientes calculadas será el desfase de esas tensiones o corrientes con respecto al generador tomado como referencia.

Leyes de Kirchhoff

Las leyes de Kirchhoff se aplican de la misma manera: "la suma de las corrientes que llegan a un nodo es cero" y "la suma de todas las tensiones alrededor de una malla es cero". Esta vez, tanto las corrientes como las tensiones, son, en general, complejas.

Generalización de la ley de Ohm

La tensión entre las extremidades de una impedancia es igual al producto de la corriente por la impedancia:

 

Tanto la impedancia, como la corriente y la tensión son, en general, complejas.

Impedancias en serie o en paralelo

Las impedancias se tratan como las resistencias con la ley de Ohm. La impedancia de varias impedancias conectadas en serie es igual a su suma:

Serie  

La impedancia de varias impedancias conectadas en paralelo es igual al recíproco de la suma de sus recíprocos:

Paralelo  

Interpretación de los resultados

El resultado de corriente es, generalmente, un número complejo. Ese número complejo se interpreta de manera siguiente:

  • El módulo indica el valor de la tensión o de la corriente calculada. Si los valores utilizados para los generadores eran los valores pico, el resultado también será un valor pico. Si los valores eran valores eficaces, el resultado también será un valor eficaz.
  • El argumento de ese número complejo da el desfase con respecto al generador utilizado como referencia de fase. Si el argumento es positivo la tensión o la corriente calculadas estarán en avance de fase.

Generalización

Cuando todos los generadores no tienen la misma frecuencia o si las señales no son sinusoidales, el formalismo de las impedancias no puede aplicarse directamente. Se tiene que descomponer el cálculo en varias etapas en cada una de las cuales se puede utilizar el formalismo de impedancias.

En el caso de tenerse elementos lineales, se puede utilizar el teorema de superposición: se hace un cálculo separado para cada una de las frecuencias (remplazando en cada uno de los cálculos todos los generadores de tensión de frecuencia diferente por un cortocircuito y todos los generadores de corriente de frecuencia diferente por un circuito abierto). Cada una de las tensiones y corrientes totales del circuito será la suma de cada una de las tensiones o corrientes obtenidas à cada una de las frecuencias. Por supuesto, para hacer estas últimas sumas hay que escribir cada una de las tensiones en la forma real, con la dependencia del tiempo y el desfase:   para las tensiones y las fórmulas similares para las corrientes.

Si las señales no son sinusoidales, pero son periódicas y continuas, se pueden descomponer las señales en serie de Fourier y utilizar el teorema de superposición para separar el cálculo en un cálculo para cada una de las frecuencias. El resultado final será la suma de los resultados para cada una de las frecuencias de la descomposición en serie.

Origen de las impedancias

Vamos a tratar de ilustrar el sentido físico de la parte imaginaria j (donde se utiliza esta letra en vez de i para evitar confusiones con la intensidad) de las impedancias calculando, sin utilizar estas, la corriente que circula por un circuito formado por una resistencia, un inductor y un condensador en serie.

El circuito está alimentado con una tensión sinusoidal y hemos esperado lo suficiente para que todos los fenómenos transitorios hayan desaparecido (tenemos un régimen permanente). Como el sistema es lineal, la corriente del régimen permanente será también sinusoidal y tendrá la misma frecuencia que la de la fuente original. Lo único que no sabemos sobre la corriente es su amplitud y el desfase que puede tener con respecto a la tensión de alimentación. Así, si la tensión de alimentación es   la corriente será de la forma  , donde   es el desfase que no conocemos. La ecuación a resolver será:

 

donde  ,   y   son las tensiones entre las extremidades de la resistencia, la inductancia y el condensador, respectivamente.

Aplicando la ley de Ohm a la resistencia, resulta:

  =  

La definición de inductancia nos dice que:

 

Si L es constante, queda:

 .

La definición de capacitancia nos dice que:

 

Si C es constante:

 

Haciendo la integral, se puede comprobar que:

 .

Así, la ecuación que hay que resolver es:

 

Tenemos que encontrar los valores de   y de   que hagan que esta ecuación sea satisfecha para todos los valores de  .

Para encontrarlos, imaginemos que alimentamos otro circuito idéntico con otra fuente de tensión sinusoidal cuya única diferencia es que comienza con un cuarto de periodo de retraso. Es decir, que la tensión será  . De la misma manera, la solución también tendrá el mismo retraso y la corriente será:  . La ecuación de este segundo circuito retardado será:

 

Hay signos que han cambiado porque el coseno retardado se transforma en seno, pero el seno retardado se transforma en  coseno. Ahora vamos a sumar las dos ecuaciones después de haber multiplicado la segunda por j. La idea es de poder transformar las expresiones de la forma   en  , utilizando las fórmulas de Euler. El resultado es:

 

Como   es diferente de cero, se puede dividir toda la ecuación por ese factor:

 

se deduce:

 

A la izquierda tenemos las dos cosas que queríamos calcular: la amplitud de la corriente y su desfase. La amplitud será igual al módulo del número complejo de la derecha y el desfase será igual al argumento del número complejo de la derecha.
Y el término de la derecha es el resultado del cálculo habitual utilizando el formalismo de impedancias en el cual se tratan las impedancias de las resistencias, condensadores e inductancias de la misma manera que las resistencias con la ley de Ohm.
Vale la pena repetir que cuando escribimos:

 

admitimos que la persona que lee esa fórmula sabe interpretarla y no va a creer que la corriente pueda ser compleja o imaginaria. La misma suposición existe cuando encontramos expresiones como «alimentamos con una tensión  » o «la corriente es complej»".

Como las señales son sinusoidales, los factores entre los valores eficaces, máximos, pico a pico o medios son fijos. Así que, en el formalismo de impedancias, si los valores de entrada son pico, los resultados también vendrán en pico. Igual para eficaz u otros. Pero no hay que mezclarlos.

Ejemplos

Impedancia en elementos básicos

La impedancia de una resistencia ideal, solo contiene una componente real como:

 

En este caso, la tensión y la corriente son proporcionales y están en fase.

La impedancia en un inductor ideal o en un condensador ideal tiene una componente puramente imaginaria:

La impedancia en un inductor se incrementa con la frecuencia;

 

La impedancia de un condensador decrece cuando la frecuencia crece;

 

Un generador único

 
Una inductancia y una resistencia en serie alimentadas por un generador sinusoidal

En el diagrama de la derecha tenemos un generador sinusoidal   de 10 voltios de amplitud y de una frecuencia de 10 kHz. En serie hay una inductancia de 10 mH y una resistencia de 1,2 kΩ.

Calculemos la corriente   que circula en el circuito:

 
 

Es necesaria la aplicación del cálculo con números complejos si se utiliza esta notación.

El módulo de la corriente es:

 

Como el valor de la tensión del generador que tomamos fue un valor pico (amplitud), el valor de la corriente obtenido también es un valor pico. La corriente eficaz es:  

La fase de la corriente es el argumento del número complejo

 :

 .

La corriente está en retardo de fase con respecto a la fase del generador. Eso es lógico, ya que el circuito es inductivo.

 
Diagrama de Fresnel (o fasor) de una inductancia y una resistencia en serie. El círculo gris solo sirve de ayuda al dibujo del ángulo recto entre la tensión de la resistencia y la tensión de la inductancia.

Solo la resistencia disipa potencia:

 

La fracción   aparece porque el valor de la corriente es el valor pico.

La tensión entre los extremos de la resistencia es  

La tensión eficaz que se leería con un voltímetro sería el módulo de esta tensión divido por  :  

La tensión entre las extremidades de la inductancia es
 

La tensión eficaz leída con el voltímetro sería, igualmente:  

Constatamos que la suma de las dos tensiones "complejas" da (teniendo en cuenta los redondeos) la tensión del generador. En cambio, la suma de las dos tensiones leídas con un voltímetro es más grande que la del generador ( ). Ese resultado es típico de las medidas hechas con un voltímetro en circuitos en los cuales las tensiones no están en fase. Un voltímetro nos mide módulos en valor eficaz, los cuales no podemos sumar directamente ya que estamos tratando con fasores con sus distintas orientaciones.

Dos generadores desfasados

 
Condensador y resistencia en serie entre dos generadores senoidales desfasados

En el circuito de la derecha, un condensador de   y una resistencia de   en serie, están conectados entre dos generadores sinusoidales. Tomamos como generadores dos fases del suministro trifásico. El generador de izquierda será nuestro generador de referencia  . El generador de derecha está en avance de fase de  . Es decir,  . Con el formalismo de impedancias, el generador de izquierda será   y el de derecha  . Comencemos calculando la diferencia de tensión entre los dos generadores:

 
 

El módulo de esta tensión es   y está retardada de 0,5774 radianes (30°) con respecto a la tensión de referencia.

 
Diagrama de Fresnel correspondiente al segundo ejemplo. El primer círculo sirve de guía a las tensiones de los dos generadores. El segundo para el ángulo recto entre la tensión del condensador y la de la resistencia.

La corriente que circula es:

 

Como los valores de tensión utilizados para los generadores eran valores eficaces, la corriente calculada también viene como valor eficaz: 91 mA en avance de fase 16,71° con respecto a la tensión de referencia.

La tensión entre los extremos de la resistencia es  

La tensión entre los extremos del condensador es:
 .

La tensión entre las extremidades del condensador está en retardo de 73,3° con respecto a la tensión de referencia. Como en el ejemplo precedente, la suma de los módulos de las tensiones (las que se medirían con un voltímetro) de la resistencia y del condensador (563 V) es más grande que la tensión total aplicada (398 V).

La tensión en el punto A del circuito será:

 
 

La tensión del punto A es más grande que la de cada generador.

Véase también

Bibliografía

  • GRUPO EDITORIAL OCÉANO, ed. (1987). «Volumen 5». Gran Enciclopedia de la Ciencia y la Técnica. Barcelona:Ediciones Océano-Éxito S.A. ISBN 84-7069-452-9. 
  •   Datos: Q179043
  •   Multimedia: Electrical impedance

impedancia, impedancia, medida, oposición, presenta, circuito, corriente, cuando, aplica, tensión, impedancia, extiende, concepto, resistencia, circuitos, corriente, alterna, posee, tanto, magnitud, como, fase, diferencia, resistencia, solo, tiene, magnitud, c. La impedancia Z es una medida de oposicion que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica una tension La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de corriente alterna CA y posee tanto magnitud como fase a diferencia de la resistencia que solo tiene magnitud Cuando un circuito es alimentado con corriente continua CC su impedancia es igual a la resistencia lo que puede ser interpretado como la impedancia con angulo de fase cero Impedancia linea bifiliar Por definicion la impedancia es la relacion cociente entre el fasor tension y el fasor intensidad de corriente Z V I displaystyle Z frac V I Donde Z displaystyle Z es la impedancia V displaystyle V es el fasor tension e I displaystyle I corresponde al fasor intensidad El concepto de impedancia tiene especial importancia si la corriente varia en el tiempo en cuyo caso las magnitudes se describen con numeros complejos o funciones del analisis armonico Su modulo a veces inadecuadamente llamado impedancia establece la relacion entre los valores maximos o los valores eficaces de la tension y de la corriente La parte real de la impedancia es la resistencia y su parte imaginaria es la reactancia El concepto de impedancia permite generalizar la ley de Ohm en el estudio de circuitos en corriente alterna CA dando lugar a la llamada ley de Ohm de corriente alterna que indica I V Z displaystyle I frac V Z El termino fue acunado por Oliver Heaviside en 1886 En general la solucion para las corrientes y las tensiones de un circuito formado por resistencias condensadores e inductancias y sin ningun componente de comportamiento no lineal son soluciones de ecuaciones diferenciales Pero cuando todos los generadores de tension y de corriente tienen la misma frecuencia constante y sus amplitudes son constantes las soluciones en estado estacionario cuando todos los fenomenos transitorios han desaparecido son sinusoidales y todas las tensiones y corrientes tienen la misma frecuencia que los generadores y amplitud constante La fase sin embargo se vera afectada por la parte imaginaria reactancia de la impedancia Indice 1 Formalismo matematico 1 1 Definicion 1 2 Representacion binomica 1 3 Admitancia 1 4 Representacion grafica 2 Calculo de circuitos con las impedancias 2 1 Generadores de tension o de corriente desfasadas 2 2 Leyes de Kirchhoff 2 3 Generalizacion de la ley de Ohm 2 4 Impedancias en serie o en paralelo 2 5 Interpretacion de los resultados 2 6 Generalizacion 3 Origen de las impedancias 4 Ejemplos 4 1 Impedancia en elementos basicos 4 2 Un generador unico 4 3 Dos generadores desfasados 5 Vease tambien 6 BibliografiaFormalismo matematico EditarDefinicion Editar Sea un componente electrico o electronico o un circuito alimentado por una corriente sinusoidal I cos w t displaystyle scriptstyle I circ cos omega t Si la tension entre sus extremos es V cos w t f displaystyle scriptstyle V circ cos omega t varphi la impedancia del circuito o del componente se define como un numero complejo Z displaystyle scriptstyle Z que expresado en forma polar tiene un modulo igual al cociente V I displaystyle scriptstyle V circ over I circ y un argumento que es f displaystyle scriptstyle varphi Z V I arg Z f displaystyle begin aligned Z amp V circ over I circ arg Z amp varphi end aligned o sea Z V I e j f V I cos f j sin f displaystyle Z V circ over I circ e j varphi V circ over I circ left cos varphi j sin varphi right Que a veces sobre todo en textos de Electrotecnia tambien suele escribirse con el formato Z V I f displaystyle Z V circ over I circ angle varphi Como se indico anteriormente la impedancia tambien se define por el cociente entre los fasores de tension y corriente representando la oposicion total Resistencia Reactancia inductiva Reactancia capacitiva sobre la corriente Como la tension y las corrientes son sinusoidales se pueden utilizar los valores pico amplitudes los valores eficaces los valores pico a pico o los valores medios Pero hay que cuidar de tratarlos uniformemente y no mezclar los tipos El resultado de los calculos sera del mismo tipo que el utilizado para los generadores de tension o de corriente Representacion binomica Editar La impedancia puede representarse en forma binomica como la suma de una parte real y una parte imaginaria Z R j X displaystyle Z R jX R displaystyle scriptstyle R es la parte resistiva o real de la impedancia y X displaystyle scriptstyle X es la parte reactiva o imaginaria de la impedancia Basicamente hay dos clases o tipos de reactancias Reactancia inductiva o X L displaystyle X L Debida a la existencia de inductores Reactancia capacitiva o X C displaystyle X C Debida a la existencia de capacitores Admitancia Editar Vease tambien Admitancia La admitancia es la inversa de la impedancia Y 1 Z y c j y s displaystyle Y textstyle 1 over Z y c jy s La conductancia y c displaystyle scriptstyle y c es la parte real de la admitancia y la susceptancia y s displaystyle scriptstyle y s la parte imaginaria de la admitancia La unidad de la admitancia la conductancia y la susceptancia es el siemens simbolo S Un siemens es el reciproco de un ohmio Representacion grafica Editar Ejemplo de fasores Veanse tambien Corriente Alternay Fasor Se pueden representar las tensiones de los generadores de tension y las tensiones entre los extremos de los componentes como vectores giratorios en un plano complejo La magnitud longitud de los vectores es el modulo de la tension y el angulo que hacen con en eje real es igual al angulo de desfase con respecto al generador de referencia Este tipo de diagrama tambien se llama diagrama de Fresnel Con un poco de costumbre y un minimo de conocimientos de geometria esas representaciones son mucho mas explicitas que los valores o las formulas Por supuesto esos dibujos no son en nuestra epoca un metodo grafico de calculo de circuitos Son una manera de ver como las tensiones se suman Esos dibujos pueden facilitar la escritura de las formulas finales utilizando las propiedades geometricas Encontraran ejemplos de la representacion grafica en los ejemplos de abajo Calculo de circuitos con las impedancias EditarEl formalismo de las impedancias consiste en unas pocas reglas que permiten calcular circuitos que contienen elementos resistivos inductivos o capacitivos de manera similar al calculo de circuitos resistivos en corriente continua Esas reglas solo son validas en los casos siguientes En regimen permanente con corriente alterna sinusoidal Es decir que todos los generadores de tension y de corriente son sinusoidales y de la misma frecuencia y que todos los fenomenos transitorios conexiones y desconexiones bruscas fallas de aislacion repentinas etc se han atenuado y desaparecido completamente Si todos los componentes son lineales Es decir componentes o circuitos en los cuales la amplitud o el valor eficaz de la corriente es estrictamente proporcional a la tension aplicada Se excluyen los componentes no lineales como los diodos bobinas con nucleos de hierro y otros Por ello si el circuito contiene inductancias o transformadores con nucleo ferromagnetico que no son lineales los resultados de los calculos solo podran ser aproximados y eso a condicion de respetar la zona de trabajo de las inductancias Generadores de tension o de corriente desfasadas Editar Si en un circuito se encuentran varios generadores de tension o de corriente se elige uno de ellos como generador de referencia de fase Si la verdadera tension del generador de referencia es V cos w t displaystyle scriptstyle V circ cos omega t para el calculo con las impedancias escribiremos su tension como V displaystyle scriptstyle V circ Si la tension de otro generador tiene un avance de fase de a displaystyle scriptstyle alpha con respecto al generador de referencia y su corriente es I 1 cos w t a displaystyle scriptstyle I 1 cos omega t alpha para el calculo con las impedancias escribiremos su corriente como I 1 e j a displaystyle scriptstyle I 1 e j alpha El argumento de las tensiones y corrientes calculadas sera el desfase de esas tensiones o corrientes con respecto al generador tomado como referencia Leyes de Kirchhoff Editar Las leyes de Kirchhoff se aplican de la misma manera la suma de las corrientes que llegan a un nodo es cero y la suma de todas las tensiones alrededor de una malla es cero Esta vez tanto las corrientes como las tensiones son en general complejas Generalizacion de la ley de Ohm Editar La tension entre las extremidades de una impedancia es igual al producto de la corriente por la impedancia V z Z I z displaystyle V z ZI z Tanto la impedancia como la corriente y la tension son en general complejas Impedancias en serie o en paralelo Editar Las impedancias se tratan como las resistencias con la ley de Ohm La impedancia de varias impedancias conectadas en serie es igual a su suma Serie Z Z 1 Z 2 Z n displaystyle Z Z 1 Z 2 cdots Z n La impedancia de varias impedancias conectadas en paralelo es igual al reciproco de la suma de sus reciprocos Paralelo Z 1 1 Z 1 1 Z 2 1 Z n displaystyle textstyle Z textstyle 1 over scriptstyle 1 over Z 1 1 over Z 2 cdots 1 over Z n Interpretacion de los resultados Editar El resultado de corriente es generalmente un numero complejo Ese numero complejo se interpreta de manera siguiente El modulo indica el valor de la tension o de la corriente calculada Si los valores utilizados para los generadores eran los valores pico el resultado tambien sera un valor pico Si los valores eran valores eficaces el resultado tambien sera un valor eficaz El argumento de ese numero complejo da el desfase con respecto al generador utilizado como referencia de fase Si el argumento es positivo la tension o la corriente calculadas estaran en avance de fase Generalizacion Editar Cuando todos los generadores no tienen la misma frecuencia o si las senales no son sinusoidales el formalismo de las impedancias no puede aplicarse directamente Se tiene que descomponer el calculo en varias etapas en cada una de las cuales se puede utilizar el formalismo de impedancias En el caso de tenerse elementos lineales se puede utilizar el teorema de superposicion se hace un calculo separado para cada una de las frecuencias remplazando en cada uno de los calculos todos los generadores de tension de frecuencia diferente por un cortocircuito y todos los generadores de corriente de frecuencia diferente por un circuito abierto Cada una de las tensiones y corrientes totales del circuito sera la suma de cada una de las tensiones o corrientes obtenidas a cada una de las frecuencias Por supuesto para hacer estas ultimas sumas hay que escribir cada una de las tensiones en la forma real con la dependencia del tiempo y el desfase V i cos w i t f i displaystyle scriptstyle V i cos omega i t varphi i para las tensiones y las formulas similares para las corrientes Si las senales no son sinusoidales pero son periodicas y continuas se pueden descomponer las senales en serie de Fourier y utilizar el teorema de superposicion para separar el calculo en un calculo para cada una de las frecuencias El resultado final sera la suma de los resultados para cada una de las frecuencias de la descomposicion en serie Origen de las impedancias EditarVamos a tratar de ilustrar el sentido fisico de la parte imaginaria j donde se utiliza esta letra en vez de i para evitar confusiones con la intensidad de las impedancias calculando sin utilizar estas la corriente que circula por un circuito formado por una resistencia un inductor y un condensador en serie El circuito esta alimentado con una tension sinusoidal y hemos esperado lo suficiente para que todos los fenomenos transitorios hayan desaparecido tenemos un regimen permanente Como el sistema es lineal la corriente del regimen permanente sera tambien sinusoidal y tendra la misma frecuencia que la de la fuente original Lo unico que no sabemos sobre la corriente es su amplitud y el desfase que puede tener con respecto a la tension de alimentacion Asi si la 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tratan las impedancias de las resistencias condensadores e inductancias de la misma manera que las resistencias con la ley de Ohm Vale la pena repetir que cuando escribimos I V R j w L 1 j w C displaystyle I textstyle V circ over R j omega L scriptstyle 1 over j omega C dd admitimos que la persona que lee esa formula sabe interpretarla y no va a creer que la corriente pueda ser compleja o imaginaria La misma suposicion existe cuando encontramos expresiones como alimentamos con una tension V e j w t displaystyle scriptstyle Ve j omega t o la corriente es complej Como las senales son sinusoidales los factores entre los valores eficaces maximos pico a pico o medios son fijos Asi que en el formalismo de impedancias si los valores de entrada son pico los resultados tambien vendran en pico Igual para eficaz u otros Pero no hay que mezclarlos Ejemplos EditarImpedancia en elementos basicos Editar La impedancia de una resistencia ideal solo contiene una componente real como Z R R displaystyle Z R R En este caso la tension y la corriente son proporcionales y estan en fase La impedancia en un inductor ideal o en un condensador ideal tiene una componente puramente imaginaria La impedancia en un inductor se incrementa con la frecuencia Z L j w L displaystyle Z L j omega L La impedancia de un condensador decrece cuando la frecuencia crece Z C j w C displaystyle Z C frac j omega C Un generador unico Editar Una inductancia y una resistencia en serie alimentadas por un generador sinusoidal En el diagrama de la derecha tenemos un generador sinusoidal V 10 cos w t displaystyle scriptstyle V 10 cos omega t de 10 voltios de amplitud y de una frecuencia de 10 kHz En serie hay una inductancia de 10 mH y una resistencia de 1 2 kW Calculemos la corriente I displaystyle scriptstyle I que circula en el circuito I V Z L Z R V j w L R 10 j 2 p 10 4 0 01 1200 displaystyle I textstyle V over Z L Z R V over j omega L R 10 over j2 pi 10 4 0 01 1200 10 1200 j 628 3 A displaystyle textstyle 10 over 1200 j628 3 mathrm A dd Es necesaria la aplicacion del calculo con numeros complejos si se utiliza esta notacion El modulo de la corriente es I 10 1200 j 628 3 7 38 m A displaystyle I left textstyle 10 over 1200 j628 3 right 7 38 mathrm mA Como el valor de la tension del generador que tomamos fue un valor pico amplitud el valor de la corriente obtenido tambien es un valor pico La corriente eficaz es I e f 7 38 2 5 22 m A displaystyle scriptstyle I mathrm ef 7 38 over sqrt 2 5 22 mathrm mA La fase de la corriente es el argumento del numero complejo10 1200 j 628 3 displaystyle scriptstyle 10 over 1200 j628 3 a r g 10 1200 j 628 3 0 482 3 r a d 27 63 displaystyle mathrm arg left textstyle 10 over 1200 j628 3 right 0 4823 mathrm rad 27 63 circ La corriente esta en retardo de fase con respecto a la fase del generador Eso es logico ya que el circuito es inductivo Diagrama de Fresnel o fasor de una inductancia y una resistencia en serie El circulo gris solo sirve de ayuda al dibujo del angulo recto entre la tension de la resistencia y la tension de la inductancia Solo la resistencia disipa potencia P R 1 2 R I 2 1 2 1200 7 38 10 3 2 32 7 m W displaystyle P R textstyle 1 over 2 R left I right 2 textstyle 1 over 2 1200 cdot left 7 38 10 3 right 2 32 7 mathrm mW La fraccion 1 2 displaystyle scriptstyle 1 over 2 aparece porque el valor de la corriente es el valor pico La tension entre los extremos de la resistencia es V R I R 0 006 54 j 0 003 424 1200 7 84 j 4 109 V p i c o displaystyle scriptstyle V R I R 0 00654 j0 003424 1200 7 84 j4 109 V mathrm pico La tension eficaz que se leeria con un voltimetro seria el modulo de esta tension divido por 2 displaystyle scriptstyle sqrt 2 6 26 V e f displaystyle scriptstyle 6 26 V mathrm ef La tension entre las extremidades de la inductancia esV L j w L I j 628 3 0 006 54 j 0 003 424 2 15 j 4 109 V p i c o displaystyle scriptstyle V L j omega L I j628 3 0 00654 j0 003424 2 15 j4 109 V mathrm pico La tension eficaz leida con el voltimetro seria igualmente 3 28 V e f displaystyle scriptstyle 3 28 V mathrm ef Constatamos que la suma de las dos tensiones complejas da teniendo en cuenta los redondeos la tension del generador En cambio la suma de las dos tensiones leidas con un voltimetro es mas grande que la del generador 7 07 V e f displaystyle scriptstyle 7 07V mathrm ef Ese resultado es tipico de las medidas hechas con un voltimetro en circuitos en los cuales las tensiones no estan en fase Un voltimetro nos mide modulos en valor eficaz los cuales no podemos sumar directamente ya que estamos tratando con fasores con sus distintas orientaciones Dos generadores desfasados Editar Condensador y resistencia en serie entre dos generadores senoidales desfasados En el circuito de la derecha un condensador de 1 m F displaystyle scriptstyle 1 mu F y una resistencia de 3 k W displaystyle scriptstyle 3 k Omega en serie estan conectados entre dos generadores sinusoidales Tomamos como generadores dos fases del suministro trifasico El generador de izquierda sera nuestro generador de referencia V 1 230 2 cos 314 t displaystyle scriptstyle V 1 230 sqrt 2 cos 314 t El generador de derecha esta en avance de fase de 2 p 3 displaystyle scriptstyle 2 pi 3 Es decir V 2 230 2 cos 314 t 2 p 3 displaystyle scriptstyle V 2 230 sqrt 2 cos 314 t 2 pi over 3 Con el formalismo de impedancias el generador de izquierda sera V 1 230 V e f displaystyle scriptstyle V 1 230 V mathrm ef y el de derecha V 2 230 e j 2 p 3 V e f displaystyle scriptstyle V 2 230 e j 2 pi over 3 V mathrm ef Comencemos calculando la diferencia de tension entre los dos generadores V 12 230 1 e j 2 p 3 230 1 cos 2 p 3 j sin 2 p 3 displaystyle V 12 230 left 1 e j 2 pi over 3 right 230 left 1 cos left textstyle 2 pi over 3 right j sin left textstyle 2 pi over 3 right right 230 1 5 j 0 866 345 j 199 19 V e f 398 37 e j 0 577 4 displaystyle 230 1 5 j0 866 345 j199 19 V mathrm ef 398 37e j0 5774 dd El modulo de esta tension es 398 37 V e f displaystyle scriptstyle 398 37V mathrm ef y esta retardada de 0 5774 radianes 30 con respecto a la tension de referencia Diagrama de Fresnel correspondiente al segundo ejemplo El primer circulo sirve de guia a las tensiones de los dos generadores El segundo para el angulo recto entre la tension del condensador y la de la resistencia La corriente que circula es I V 12 R 1 j w C 398 37 e j 0 523 6 3000 j 3185 398 37 e j 0 523 6 4375 41 e j 0 815 3 0 091 0 e j 0 291 7 displaystyle I textstyle V 12 over R scriptstyle 1 over j omega C 398 37 e j0 5236 over 3000 j3185 398 37 e j0 5236 over 4375 41 e j0 8153 0 0910 e j0 2917 Como los valores de tension utilizados para los generadores eran valores eficaces la corriente calculada tambien viene como valor eficaz 91 mA en avance de fase 16 71 con respecto a la tension de referencia La tension entre los extremos de la resistencia es V R R I 3000 0 091 0 e j 0 291 7 273 e j 0 291 7 V e f displaystyle scriptstyle V R R I 3000 cdot 0 0910 e j0 2917 273 e j0 2917 V mathrm ef La tension entre los extremos del condensador es V C Z C I j 3185 0 091 0 e j 0 291 7 3185 e j p 2 0 091 0 e j 0 291 7 289 83 e j 1 279 1 V e f displaystyle scriptstyle V C Z C I j3185 cdot 0 0910 e j0 2917 3185 e j pi over 2 0 0910 e j0 2917 289 83 e j1 2791 V mathrm ef La tension entre las extremidades del condensador esta en retardo de 73 3 con respecto a la tension de referencia Como en el ejemplo precedente la suma de los modulos de las tensiones las que se medirian con un voltimetro de la resistencia y del condensador 563 V es mas grande que la tension total aplicada 398 V La tension en el punto A del circuito sera V A V 1 V C 230 289 83 e j 1 279 1 230 83 35 j 277 6 displaystyle V A V 1 V C 230 289 83 e j1 2791 230 83 35 j277 6 146 65 j 277 6 314 e j 1 085 V e f displaystyle 146 65 j277 6 314 e j1 085 V mathrm ef dd La tension del punto A es mas grande que la de cada generador Vease tambien EditarConductancia Conductor electrico Conductividad electrica Resistencia electrica Resonancia electrica Superconductividad Impedancia mecanica en cimentaciones profundas Numero complejoBibliografia EditarGRUPO EDITORIAL OCEANO ed 1987 Volumen 5 Gran Enciclopedia de la Ciencia y la Tecnica Barcelona Ediciones Oceano Exito S A ISBN 84 7069 452 9 Datos Q179043 Multimedia Electrical impedanceObtenido de https es wikipedia org w index php title Impedancia amp oldid 135126395, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

español

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