Impedans

En Impedans, også kalt vekselstrømsmotstand, er forholdet mellom vekselspenning over og vekselstrøm gjennom en topol ved en gitt frekvens. Impedansens størrelse er (matematisk) kompleks.

Begrepet impedans er en utvidelse av begrepet resistans, og trengs når betraktningen utvides til å inkludere reaktanser i tillegg til resistanser, det vil si når likestrømsbetraktninger utvides til vekselstrømsbetraktninger. Reaktanser, og derfor også impedanser, har frekvensavhengig motstand for strømledning. 

Impedansen erstatter resistansen i formelen R = U/I, og U og I er nå vekselspenning og -strøm. Impedansen får bokstaven Z som symbol i stedet for R, og måles også i Ohm, eller .  

Z = u/i, der små bokstaver gjelder vekselstørrelser. 

 En impedans er satt sammen som en seriekopling av to komponenter, en reaktans og en resistans.
 En reaktans kan være enten en kapasitans eller en induktans, som uttrykk for virkningene av henholdsvis en kondensator eller en spole.

For hver frekvens finnes alltid én reaktansverdi og én resistansverdi for topolen, og vektorsummen deres utgjør impedansen ved denne frekvensen.
Dette gjelder for alle tenkelige (linjære) nettverk mellom polene, uten begrensning av antall resistanser og reaktanser som den består av. 
Reaktansens fortegn bestemmer typen; en negativ reaktans er kapasitiv og en positiv reaktans er induktiv. Ved frekvensendring er det særlig reaktansen X som endrer sin verdi, verdien av R er i forhold langt mer konstant. 

 

Impedansen, seriekoplingen av resistansen og reaktansen blir:
 
hvor

 Z er impedansen
 X er reaktansen
 R er resistansen
alle målt i Ohm [].
 j er den imaginære enheten fra komplekse tall i matematikken.

Siden resistanser og reaktanser er ortogonale til hverandre i tid (derfor "j", se senere i artikkelen), kan ikke Ohmverdiene deres bare adderes. Impedansen er vektorsummen.

Resistansen står for energitapet i topolen. De reaktive komponentene, reaktansene, opptar og avgir elektrisk energi i løpet av signalets periode, men de avgir aldri energi i form av varme.

Reaktanser for komponentene kapasitet og induktivitet 
For en gitt, fast verdi av komponenten kondensator eller spole blir den tilhørende reaktansen frekvensavhengig.
Sammenhengene er som følger, hvor X er størrelsen av reaktansen. 
  for en kondensator,
 som helst uttrykkes som   fordi nevneren da er reell.
 Tallverdien blir 
og for en spole:
  
 Tallverdien blir 
hvor
 C er kapasitansen i Farad
 L er induktiviteten i Henry
 f er frekvensen i Hz eller [perioder/sek]
  er vinkelfrekvensen i [radianer/sek]
 1 radian = 360 grader/
 j plasserer X på den imaginære aksen, og her ses hvorfor kapasitansen XC alltid er negativ.

Tallverdien for reaktansen til en spole er proporsjonal med frekvensen, mens tallverdien for kondensatorens reaktans er omvendt proporsjonal med frekvensen.

Komponenter er ikke perfekte; kondensatorer og (særlig) spoler er i praksis beheftet med noe energitap, som gjerne er frekvensavhengig. Det føyes en serieresistans til komponentens symbol for å beskrive dette.

Inverse verdier, ledningsevner 
For parallellkopling blir matematikken mye enklere ved bruk av de inverse verdiene av resistansen og reaktansen i formlene. De inverse størrelsene kalles

Suseptans, B = 1/X som den inverse av reaktans X. Måles i Siemens [S] eller Mho
Admittans, Y =1/Z som den inverse av impedans Z. Måles i Siemens [S] eller Mho

En positiv suseptans er kapasitiv og en negativ suseptans er induktiv (!).

Admittansen, parallellkoplingen av konduktansen G = 1/R og suseptansen B=1/X blir Y=G+jB

hvor

Y er admittansen
B er suseptansen
G er konduktansen

alle målt i Siemens (S), eller Mho.

Se ellers motstand for videre formler.

Topoler med resistanser og reaktanser 
Det er ved frekvenser som frembringer de samme absoluttverdier for reaktans og resistans (som ved lav- og høypassfiltre, se pol), eller like absoluttverdier for induktivitet og kapasitet (som ved resonans), at grense- eller resonansfrekvenser for den tiltenkte funksjonen finnes.
I det videre gjelder altså  (pol) eller (pol) eller(resonans, som har en dobbelt pol). Lave og høye frekvenser i forhold til den frekvensen som oppfyller likheten kommenteres også nedenfor.

R og C i serie
 Lav f: Z går mot XC, går mot uendelig
 Grense: 
 Høy f: Z går mot R
R og C i parallell
 Lav f: Z går mot R
 Grense: 
 Høy f: Z går mot XC, som går mot null
R og L i serie
 Lav f: Z går mot R
 Grense: 
 Høy f: Z går mot XL, som går mot uendelig
R og L i parallell
 Lav f: Z går mot XL, går mot null
 Grense: 
 Høy f: Z går mot R
C og L i serie
 Lav f: C dominerer, |Z| høy, går mot uendelig
 Z går mot XL+XC, som går mot null siden Xc er negativ (serieresonans)
 Høy f: L dominerer, |Z| høy, går mot uendelig
C og L i parallell
 Lav f: L dominerer, |Z| lav, går mot null
 Z går mot XL*XC/(XL+XC) som går mot uendelig (Xc er negativ, nevneren går mot null, parallellresonans)
 Høy f: C dominerer, |Z| lav, går mot null

Ved resonans er begge reaktansene like store, altså er
  og fra dette finner vi
  og
  og
 resonansfrekvensen blir

Analogier 
Det er ofte lettere å få begrep om kompliserte forhold hvis vi bruker analogier til mer dagligdagse ting som vi alt har en brukbar forestilling om. Her assosieres den elektriske spenningen med kraft og strømmen med hastighet. Analogien her er god fordi matematisk behandling av begge systemene frembringer de samme løsningene på differensialligningene. Energibetraktninger er ikke gyldige i denne anlogien.

 Kapasitans kan assosieres med en spiralfjær. Kondensatoren lades  = fjæra trekkes ut (positiv spenning) eller stuves sammen (negativ spenning). En høy kapasitet tilsvarer en slapp fjær. Når fjæra går tilbake gis energien tilbake; bevegelsen frem og tilbake koster ikke energi.
 Induktans kan betraktes som en masse, eksempelvis målt i kg. Massen tilføres energi ved flytting høyere opp i rommet. En høy induktivitet tilsvarer en stor masse. Det er ikke energiforbruk ved å flytte massen opp og så ned igjen; når massen senkes gis energien tilbake.
 Resistans tilsvarer friksjon. Det er bare ved friksjon at omgivelsene tilføres varme, noe som koster energi.
 Resonansfrekvensen ved induktans og kapasitans tilsvarer resonansfrekvensen som ses ved at massen henges i fjæra (som på den andre siden er fast til en referanse, eksempelvis et tak eller en bjelke) og så eksitere massen med en dult i retning langs fjæra. Det er ved svingningene som oppstår at kraft og hastighet skifter periodisk på, ved resonansfrekvensen. Frekvensen øker for mindre masser og stivere fjærer, altså for mindre induktiviteter og mindre kapasiteter.

Matematisk grunnlag 
 Kapasitansen koplet til en spenningskilde fører størst strøm når spenningen stiger hurtigst. Uttrykt matematisk: Strømmen er proporsjonal til den deriverte av spenningen, du/dt.
 Induktansen koplet til en strømkilde oppviser størst spenning når strømmen økes hurtigst. Tilsvarende er spenningen proporsjonal til den deriverte av strømmen, dI/dt.
Med formler:
 for kapasitet  
 for induktivitet 
 
Regneeksempel:
Vi bruker en motstand på 150 Ohm koplet i serie med en kondensator på 1.2 µF og en spole på 3.3 mH.
Impedansen blir generelt:

 Ved 2kHz er  ca. 12566 rad/sek og

 
 

 Impedansen domineres av resistansen og er ellers kapasitiv

 

 Impedansens størrelse blir:
 

Ved 20kHz er  ca. 125663 rad/sek og

 
 

 Impedansen domineres av induktiviteten og er derfor induktiv

Impedansens størrelse blir:

Beskrivelse med kompleks matematikk 
Impedanser kan beskrives ved hjelp av vektorer, men det er nokså tungvint.

Impedansbeskrivelser og kompleks matematikk har det til felles at begge bruker to størrelser som er ortogonale til hverandre, altså alltid står 90 grader på hverandre. Av den grunn passer denne grenen av matematikken ypperlig som verktøy for beskrivelse av og operasjoner med, impedanser. Begreper som imaginær og reell kommer fra matematikken som vi benytter, men det er ingenting som er imaginært med fysikken som vi betrakter.

Ved å definere reaktansen som imaginær, kan hele regelverket fra den komplekse matematikken brukes for å beskrive eller behandle kompliserte impedanser.

En impedans beskrives som 
 
Impedansens tallverdi blir da:
 
Fasevinkelen mellom R og X er
 
Beskrivelse av Z kan også gjøres med formelen

Beregning for parallellkopling av reaktans og resistans 
Først finnes admittansen ved addisjon:

 
Impedansen er den inverse av admittansen:

Nå ganges både teller og nevner med den kompleks konjugerte. 

Grunnen til denne multiplikasjonen ses over; nevneren er blitt reell.

Elektrisitet
Fysiske størrelser