Impedancias complejas en serie
La noción de impedancia surge de una extensión de la noción de resistencia. Incorpora el tema de la fase y la variación con la frecuencia, que surgen cuando se utiliza un circuito de alterna que incluye capacitores e inductores.
La relación entre tensión y corriente en un capacitor está siempre en fase. Por eso mismo no fue necesario en lo ejercitado hasta ahora con resistencias incorporar los cálculos con números complejos. La resistencia se obtiene por ley de Ohm dividiendo la tensión respecto de la corriente
R = V/I
Si la tensión aplicada fuere VR= 1 V[0º] y la corriente provocada fuese IR = 0.1 A [0º], al dividir estos valores se obtiene
R = 1V [0º]/0.1A [0º] = 10 ohms [0º]
Reactancia inductiva e impedancia inductiva
Ahora, si estamos trabajando con un inductor (una bobina), la tensión y la corriente de la bobina están desfasadas 90º. En una bobina la tensión adelanta a la corriente (recordar lo mencionado en clase del uso de la palabra CIVIL, en donde las tres últimas letras permitirían recordar que V está antes que I para una L).
Si se tuviese una tensión de VL = 1V [0º] en cierta bobina, la corriente podría ser IL = 0.1 A [-90º]. Dependiendo del valor de la inductancia de la bobina (L) y de la frecuencia, la corriente podría tener un módulo diferente, pero siempre estaría atrasada 90º respecto de la tensión aplicada a dicha bobina.
Intentando obtener una "resistencia equivalente" podríamos dividir la tensión respecto de la corriente
1V [0º] / 0.1A [-90º] = 10 ohms [90º]
Es así que puede considerarse que esta bobina tiene un valor de 10 ohms (como relación entre tensión y corriente) pero que además posee un valor de fase de 90º, lo que hará que en los cálculos de la ley de ohm extendida a los complejos nos brinde además los resultados correctos de las fases de tensión y corriente.
Se denomina reactancia inductiva (XL) al valor del módulo de la división (longitud del fasor, sin incluir el ángulo). En el ejemplo sería XL = 10 ohms
Se denomina impedancia (ZL) a la división compleja entre estas mismas variables. En el ejemplo sería ZL = 10 ohms [90º].
Reactancia capacitiva e impedancia capacitiva
Al trabajar con un capacitor en un circuito de alterna, la tensión atrasa respecto de la corriente en 90º.
Si se tiene una tensión de 1V [0º] aplicada al capacitor, podría tenerse una corriente de 01 A [90º]. Dependiendo del valor de capacidad (C) y de la frecuencia utilizada, el módulo de la corriente podrá variar, pero siempre se mantendrá una diferencia de fase de 90º entre corriente y tensión (recordar que aquí sirve pensar en las primeras tres letras de la palabra CIVIL para indicar que para un Capacitor (C), la corriente (I) llega al máximo antes que la tensión (V)).
Para un capacitor puede calcularse la impedancia como
Zc = VC/IC = 1V [0º] / 0.1A [90º] = 10 ohms [-90º]
Se denomina reactancia capacitiva (XC) al valor del módulo de la división (longitud del fasor, sin incluir el ángulo). En el ejemplo sería XC = 10 ohms.
Se denomina impedancia (ZC) a la división compleja. En el ejemplo ZC = 10 ohms [-90º]
La impedancia de una resistencia siempre tiene 0º, la de una bobina siempre tiene [90º] y la de un capacitor siempre tiene [-90º].
Cuando se colocan estos elementos en serie y se desea obtener la impedancia total del circuito, hay que sumar los componentes. En serie será Z12 =Z1+Z2, pero esta suma debe ser realizada con número complejos.
Ejemplo 1:
Se tiene un circuito con una resistencia de 300 ohms y un inductor cuya reactancia inductiva es de 400 ohms. Hallar la impedancia total de estos dos elementos en serie.
ZR = 300 ohms [0º] = 300
ZL = 400 ohms [90º] = j400
Ztotal = 300 + j400
Pasando este resultado al formato polar se tiene que
htotal = raiz (300^2 +6 400^2) = 500 ohms
fase=arc tg(400/300) = 53.13º
Por lo tanto, el resultado será
Ztotal = 500 ohms [53.13º]
Ejemplo 2:
Se tiene un circuito con una resistencia de 200 ohms, en serie con un capacitor cuya reactancia capacitiva es de 200 ohms. Calcular la impedancia total de estos elementos en serie.
ZR = 200 ohms [0º] = 200
ZC = 200 ohms [-90º] = - j200
Ztotal = 200 - j200
Pasando este resultado a formato polar se tiene que
htotal = raiz(200^2 + 200^2) = 282.84 ohms
fase = arc tg(-200/200) = - 45º