امپدانس الکتریکی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
الکترومغناطیس
VFPt Solenoid correct2.svg
برق · مغناطیس
ارائه گرافیکی تراز امپدانس مختلط

امپدانس الکتریکی یا به طور ساده امپدانس، مقدار مقاومت در برابر جریان متناوب سینوسی را توصیف می‌کند. در جریان مستقیم تفاوتی بین مقاومت و امپدانس نیست چرا که می‌شود مقاومت را به عنوان امپدانس با فاز صفر درجه تصور کرد.

امپدانس به زبان ساده: بذارید مطلب رو اینطوری بیان کنم که مثلا شما امروز کشاورزید و می‌خواهید یک زمینی رو آبیاری کنید شما آب رو می‌گزارید توی جوب تا به زمین برسه فاصلهٔ اون زمین تا موتور اب هم یک کیلومتره و موتور آب هم دو اینچ آب تحویل شما میده ایا شما وقتی که می‌رسید پای زمین همین دو اینچ آب پای زمین هست یا نه؟ مسلماَ نیست چون توی این یک کیلومتر یک سری تلفاتی داشتید حالا این تلفات بر دو نوع هستند یک نوع تلفاتی که شما با چشم می‌بینی مثلاَ سنگ یا کلوخی که جلوی آبه و مانع از عبور آب میشه و یک نوع دیگه هم هست که شما نمی‌بینید مثله آبی که افتاب بخار میکنه یا ابی که خورد زمین توی جوب میره و شما نمیتونید کاریش بکنید حالا مجموع تلفات شما می‌شود.

مجموع تلفات = تلفات حقیقی + تلفات موهومی

حالا وقتی برق توی سیم جریان پیدا میکنه ما یه مقاومت کلی داریم که به آن امپدانس (z) گفته می‌شود و تشکیل شده از یه مقاومت حقیقی (R) و یه مقاومت موهومی (x) و تعریف ریاضی اش اینگونه است

Z=R+jX

که j اینجا نشانهٔ بخش موهومی است.

در طراحی مدارات الکترونیک درک درستی از مفهوم امپدانس (مقاومت) ورودی و امپدانس (مقاومت) خروجی از اهمیت بالایی برخوردار است. برای درک موضوع بهتر است با یک مثال عملی شروع کنیم. فرض کنید روی خروجی یک دستگاه مثلا منبع تغذیه 40V-5A نوشته شده است. سئوالی که پیش می‌آید معناو مفهوم این اعداد می‌باشد. وقتی روی منبع ولتاژی فرضا نوشته شده 40V-5A یعنی طراح و سازنده آن تضمین کرده، اگر از این منبع ولتاژ، جریانی بین صفر تا ۵ آمپر کشیده شود، منبع به عنوان یک منبع ولتاژ ایده آل عمل کرده و ولتاژ آن ۴۰ ولت پایدار بماند یا نهایتا یک درصد افت کند. اما این اعداد به زبان دیگری نیز قابل بیان می‌باشد که به آن امپدانس خروجی می‌گویند.

Zout = 40V / 5A = 8 ohm یا Rout به عبارتی طراح یا سازنده می‌توانسته روی منبع تغذیه ۴۰ ولت با امپدانس خروجی ۸ اهم بنویسد. یعنی اینکه تضمین می‌کند که اگر به خروجی این منبع تغذیه مقاومت یا مدارتی با امپدانس ورودی بین بینهایت تا ۸ اهم وصل کنیم باز هم ولتاژ منبع تغذیه ۴۰ ولت باقی بماند یا نهایتا یک درصد افت کند. نکته‌ای که باید اشاره کنم اینکه مدارات از دید ورودی و خروجی یا تونن هستند یا نورتن که به ترتیب منبع ولتاژ یا منبع جریان هستند. پر واضح است باتوجه به توضیحاتی که دادم منبع ولتاژ یا در حالت کلی تر مداری ایده آل است که امپدانس کمتر و نزدیک به صفری داشته باشد تا بتواند به بار یا طبقه بعد خود جریان کافی را برساند. لیکن مداری از لحاظ امپدانس ورودی مناسب تر است که، امپدانس ورودی بیشتری داشته باشد چرا که در ولتاژ مشخص، جریان کمتری از طبقه قبل خود می‌کشد و از همه مهمتر اثر بارگذاری کمتری روی طبقه قبل خود دارد. برای نمونه یک آپ–امپ(تقویت کنندۀ عملیاتی) ۷۴۱ که نسخه توسعه یافته یک مدار تقویت کننده یک طبقه ساده بوده، با افزایش طبقات ورودی و خروجی و ایده‌های دیگر امروزه دارای امپدانس خروجی چند اهم و امپدانس ورودی چند مگا اهم است. بنابرین به علت امپدانس خروجی بسیار کم، جریان نسبتا مناسبی برای راه اندازی طبقه بعد خود دارد و به علت امپدانس ورودی زیاد اثر بارگذاری بسیار کمی روی طبقه قبل می‌گذارد.

قانون اهم[ویرایش]

بر طبق این قانون هرگاه دمای یک رسانای فلزی ثابت باشد نسبت اختلاف پتانسیل دو سر رسانا به شدت جریانی که از ان عبور می‌کند مقدار ثابتی است که این نسبت را مقاومت الکتریک رسانا می‌نامیم و از رابطهٔ R=V/I تبیعیت می‌کند که در ان V یا ولتاژ برحسب ولت و I یا آمپر بر حسب امپر و R بر حسب اهم است. تقریباً تمام مقاومت‌های خطی از رابطهٔ بالا پیروی می‌کنند.

جریان و ولتاژ مرکب[ویرایش]

امپدانس کلی در یک مدار می‌تواند با یک مقاومت یا یک جعبه برچسب دار نشان داده شود

مثالی از راه حلی خلاقانه[ویرایش]

گوشه‌های فاز در این معادلات برای امپدانس القاگرها و خازن‌ها نشان می‌دهد که ولتاژ در خازن، جریان را با اختلاف فاز \scriptstyle{\pi/2} پس می‌زند در حالی که ولتاژ در یک القاگر، جریان را به اندازه \scriptstyle{\pi/2} به جلو می‌راند. از آنجا که دامنه نوسان ولتاژ و جریان باهم برابرند لذا می‌توان گفت که بزرگی امپدانس برابر با یک است

مقاومت و رآکتانس[ویرایش]

مقاومت رسانا[ویرایش]

نوشتار اصلی: مقاومت الکتریکی

معمولاً مواد را از جنبهٔ رسانایی به سه دسته کلی ۱-مواد رسانا :موادی که حرارت و جریان الکتریکی را به خوبی از خود عبور می‌دهند مانند فلزاتی از قبیل (طلا، مس، آهن و...) رسانایی این مواد تحت تاثیر دما دستخوش تغییراتی می‌شود و با بالا رفتن دما مقاومت انها زیاد می‌شود و با پایین آمدن دما مقاومت‌های آنها نیز پایین می اید که حتی در دماهای خیلی پایین حالت ابر رسانا نیز رخ می‌دهد. معمولاً در دمای ثابت مقاومت را با توجه به سطح (مساحت) مقطع جسم، طول جسم و خصوصیات فیزیکی جسم (جنس جسم و....) واز ربطه R=ρ(L/A)اندازه‌گیری می‌کنند که در ان R یا مقاومت بر حسب اهم، L یا طول رسانا برحسب متر و A مساحت سطح مقطع بر حسب متر -مربع می‌باشد و ρ نیز رسانایی ویژه رسانا می‌باشد که به خصوصیات ذاتی ماده بر می‌گردد و در آزمایشگاه اندازه‌گیری می‌شود. لازم به توضیح بسیار مهم است که مقاومت به اختلاف پتانسیل و جریان عبوری وابسته نیست بلکه جنس و شکل ماده بستگی دارد که از رابطه بالا همین نیجه قابل استنباط می‌باشد.

۲- مواد نیمه رسانا: این دسته از مواد دارای هدایت الکتریکی کمتری بوده و لی ویژگی مطرح ان قابل کنترل بودن هدایت ان است. مواد نیمه رسانا مانند سیلیسیوم (سیلیکن) و ژرمانیوم را می‌توان نام برد. تغییرات رسانایی مواد نیمه رسانا تابع عواملی چون تحریک نوری و تغییرات دما و خلوص انها است چراکه مواد نیمه رسانا رسانای جالبی ندارند ولی بعد از افزایش مقداری نا خالصی رسانایی آنها بشدت افزایش می‌یابد از مواد نیمه رسانا در ساختمان دیودها استفاده می‌شود.

۳- مواد عایق که از نظر هدایت الکتریکی در ولتاژهای پایین بهره مناسبی ندارند.

رآکتانس[ویرایش]

نوشتار اصلی: راکتانس الکتریکی

خازن و سلف در هنگام عبور جریان از انها دارای مقادیری مقاومت اهمی می‌شوند که به انها راکتانس می‌گویند و معمولاً انرا با X نشان می‌دهند

راکتانس ظرفیتی (رآکتانس خازنی[ویرایش]

راکتانس القایی[ویرایش]

ترکیب امپدانس‌ها[ویرایش]

همان طوری که می دانیم امپدانس خازن از رابطهٔ jXc- بدست می اید که در ان Xc=۱/ωcاست به Xcراکتانس خازن می‌گویند. در حالت کلی امپدانس خازن از رابطهٔ Z=-j/ωc محاسبه می‌گردد. در برخورد با امپدانس‌ها همان کاری را می‌کنیم که با مقاومت‌ها می‌کنیم نکته‌ای که این جا مطرح می‌شود رابطهٔ ω است. که این رابطه ω=۲πf که دران f فرکانس و ω فرکانس زاویه‌ای می‌باشد.

و امپدانس سلف نیز از رابطهٔ Z=jXl محاسبه می‌گردد که Xl=ωL و در نتیجه Z=jωl است.

نکته بسیار مهم آن است که: با توجه به رابطه یω=۲πf و رابطهٔ Z=-j/ωc در خازن و رابطهٔ Z=jωL در سلف نتیجه می‌شود که: در فرکانسهای خیلی بالا امپدانس سلف خیلی بالا است (مدار باز می‌شود) ودر همان فر کانس بالا امپدانس خازن به سمت صفر میل می‌کند (اتصال کوتاه) ودر حالت فرکانس خیلی پایین مطالب فوق عکس می‌گردد   

ترکیب سری[ویرایش]

گفتیم که در واحد امپدانس الکتریکی اهم است و می‌توان با آن مانند یک مقاومت برخورد کرد یعنی در اتصال (ترکیب) سری امپدانس‌ها تک تک امپدانس‌ها با هم جمع شود یعنی Z=Z۱+Z۲+Z۳+...Zn می‌باشد مثال دو امپدانس سری دار یم که اولی با مقدار Z۱1=۶+j۸و دومی با مقدار Z۲=۳+j۴ مباشد امپدانس کلی برابر است با Z=۹+j۱۲

Impedances in series.svg

ترکیب موازی[ویرایش]

Impedances in parallel.svg

وقتی دو مقاومت را به طور موازی با هم قرار دهید و پایه‌های آن‌ها را به هم وصل کنید به این ترکیب، ترکیب موازی گفته می‌شود.

اندازه‌گیری امپدانس[ویرایش]

منابع[ویرایش]

جستارهای وابسته[ویرایش]

پیوند به بیرون[ویرایش]