En los sistemas eléctricos y electrónicos, la reactancia es la oposición de un elemento del circuito al flujo de corriente debido a la inductancia o capacitancia de ese elemento . Una mayor reactancia conduce a corrientes más pequeñas para el mismo voltaje aplicado. La reactancia es similar a la resistencia eléctrica a este respecto, pero difiere en que la reactancia no conduce a la disipación de energía eléctrica en forma de calor. En cambio, la energía se almacena en la reactancia y un cuarto de ciclo más tarde regresa al circuito, mientras que una resistencia pierde energía continuamente.
La reactancia se utiliza para calcular la amplitud y los cambios de fase de la corriente alterna sinusoidal ( CA ) que atraviesa un elemento de circuito. Se denota con el símbolo. Una resistencia ideal tiene reactancia cero, mientras que los inductores y condensadores ideales tienen resistencia cero, es decir, responden a la corriente solo por reactancia. A medida que aumenta la frecuencia , la reactancia inductiva también aumenta y la reactancia capacitiva disminuye.
Comparación con la resistencia
La reactancia es similar a la resistencia en que una reactancia más grande conduce a corrientes más pequeñas para el mismo voltaje aplicado. Además, un circuito hecho completamente de elementos que solo tienen reactancia (y sin resistencia) puede tratarse de la misma manera que un circuito hecho completamente de elementos sin reactancia (resistencia pura). Estas mismas técnicas también se pueden utilizar para combinar elementos con reactancia con elementos con resistencia, pero normalmente se necesitan números complejos . Esto se trata a continuación en la sección sobre impedancia .
Sin embargo, existen varias diferencias importantes entre la reactancia y la resistencia. Primero, la reactancia cambia la fase de modo que la corriente a través del elemento se desplace un cuarto de ciclo en relación con el voltaje aplicado a través del elemento. En segundo lugar, la energía no se disipa en un elemento puramente reactivo, sino que se almacena. En tercer lugar, las reactancias pueden ser negativas de modo que puedan "cancelarse" entre sí. Finalmente, los elementos del circuito principal que tienen reactancia (condensadores e inductores) tienen una reactancia dependiente de la frecuencia, a diferencia de las resistencias que normalmente tienen la misma resistencia para todas las frecuencias.
El término reactancia fue sugerido por primera vez por el ingeniero francés M. Hospitalier en L'Industrie Electrique el 10 de mayo de 1893. Fue adoptado oficialmente por el Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos en mayo de 1894. [1]
Reactancia capacitiva
Un condensador consta de dos conductores separados por un aislante , también conocido como dieléctrico .
La reactancia capacitiva es una oposición al cambio de voltaje en un elemento. Reactancia capacitivaes inversamente proporcional a la frecuencia de la señal (o " frecuencia angular " ω) y la capacitancia . [2]
Hay dos opciones en la literatura para definir la reactancia de un capacitor. Una es usar una noción uniforme de reactancia como la parte imaginaria de impedancia, en cuyo caso la reactancia de un capacitor es el número negativo, [2] [3] [4]
Otra opción es definir la reactancia capacitiva como un número positivo, [5] [6] [7]
En este caso, sin embargo, uno debe recordar agregar un signo negativo para la impedancia de un capacitor, es decir [a]
A bajas frecuencias, un condensador es un circuito abierto, por lo que no fluye corriente en el dieléctrico.
Un voltaje de CC aplicado a través de un capacitor hace que la carga positiva se acumule en un lado y la carga negativa se acumule en el otro lado; el campo eléctrico debido a la carga acumulada es la fuente de la oposición a la corriente. Cuando el potencial asociado con la carga equilibra exactamente el voltaje aplicado, la corriente llega a cero.
Impulsado por una fuente de CA ( fuente de corriente CA ideal ), un capacitor solo acumulará una cantidad limitada de carga antes de que la diferencia de potencial cambie la polaridad y la carga se devuelva a la fuente. Cuanto mayor sea la frecuencia, menos carga se acumulará y menor será la oposición a la corriente.
Reactancia inductiva
La reactancia inductiva es una propiedad que exhibe un inductor, y la reactancia inductiva existe basándose en el hecho de que una corriente eléctrica produce un campo magnético a su alrededor. En el contexto de un circuito de CA (aunque este concepto se aplica cada vez que la corriente cambia), este campo magnético cambia constantemente como resultado de la corriente que oscila hacia adelante y hacia atrás. Es este cambio en el campo magnético el que induce a otra corriente eléctrica a fluir en el mismo cable (contra- EMF ), en una dirección tal que se opone al flujo de la corriente originalmente responsable de producir el campo magnético (conocida como Ley de Lenz). Por tanto, la reactancia inductiva es una oposición al cambio de corriente a través de un elemento.
Para un inductor ideal en un circuito de CA , el efecto inhibidor sobre el cambio en el flujo de corriente da como resultado un retraso, o un cambio de fase, de la corriente alterna con respecto a la tensión alterna. Específicamente, un inductor ideal (sin resistencia) hará que la corriente se retrase del voltaje en un cuarto de ciclo, o 90 °.
En los sistemas de energía eléctrica, la reactancia inductiva (y la reactancia capacitiva, aunque la reactancia inductiva es más común) puede limitar la capacidad de potencia de una línea de transmisión de CA , porque la potencia no se transfiere completamente cuando el voltaje y la corriente están fuera de fase (detallado arriba) . Es decir, la corriente fluirá por un sistema fuera de fase, sin embargo la potencia real en ciertos momentos no será transferida, porque habrá puntos durante los cuales la corriente instantánea será positiva mientras que la tensión instantánea será negativa, o viceversa, lo que implica potencia negativa. transferir. Por tanto, no se realiza trabajo real cuando la transferencia de potencia es "negativa". Sin embargo, la corriente sigue fluyendo incluso cuando un sistema está fuera de fase, lo que hace que las líneas de transmisión se calienten debido al flujo de corriente.
En consecuencia, las líneas de transmisión solo pueden calentarse demasiado (o de lo contrario se hundirían físicamente demasiado debido al calor que expande las líneas de transmisión de metal), por lo que los operadores de líneas de transmisión tienen un "techo" en la cantidad de corriente que puede fluir a través de un línea dada, y una reactancia inductiva excesiva puede limitar la capacidad de potencia de una línea. Los proveedores de energía utilizan condensadores para cambiar la fase y minimizar las pérdidas, según los patrones de uso.
Reactancia inductiva es proporcional a la frecuencia de la señal sinusoidal y la inductancia que depende de la forma física del inductor.
La corriente promedio que fluye a través de una inductancia. en serie con una fuente de voltaje CA sinusoidal de amplitud RMS y frecuencia es igual a:
Debido a que una onda cuadrada tiene múltiples amplitudes en armónicos sinusoidales , la corriente promedio que fluye a través de una inductancia en serie con una fuente de voltaje CA de onda cuadrada de amplitud RMS y frecuencia es igual a:
haciendo que parezca que la reactancia inductiva a una onda cuadrada fuera aproximadamente un 19% más pequeña que la reactancia a la onda sinusoidal AC :
Cualquier conductor de dimensiones finitas tiene inductancia; la inductancia se hace más grande por las múltiples vueltas en una bobina electromagnética . La ley de Faraday de inducción electromagnética da la contra EMF (voltaje de corriente opuesta) debido a una tasa de cambio de densidad de flujo magnético que fluye a través de la superficie de un circuito de corriente.
Para un inductor que consta de una bobina con bucles que esto da.
El contra- EMF es la fuente de oposición al flujo de corriente. Una corriente continua constante tiene una tasa de cambio cero y ve un inductor como un cortocircuito (generalmente está hecho de un material con una resistividad baja ). Una corriente alterna tiene una tasa de cambio promediada en el tiempo que es proporcional a la frecuencia, esto causa el aumento de la reactancia inductiva con la frecuencia.
Impedancia
Ambas reactancia y resistencia son componentes de impedancia
dónde:
- es la impedancia compleja , medida en ohmios ;
- es la resistencia , medida en ohmios. Es la parte real de la impedancia:
- es la reactancia, medida en ohmios. Es la parte imaginaria de la impedancia: [b]
dónde es la raíz cuadrada de menos uno . [C]
Cuando tanto un condensador como un inductor se colocan en serie en un circuito, sus contribuciones a la impedancia total del circuito son opuestas. Reactancia inductiva y reactancia capacitiva contribuir a la reactancia total (sin subíndice) como sigue.
dónde:
- es la reactancia inductiva , medida en ohmios;
- es la reactancia capacitiva , medida en ohmios;
- es la " frecuencia angular ": veces la frecuencia en Hz.
Por lo tanto: [4]
- Si , se dice que la reactancia total es inductiva;
- Si , entonces la impedancia está libre de reactancia o es puramente resistiva; [D]
- Si , se dice que la reactancia total es capacitiva.
Sin embargo, tenga en cuenta que si y se asumen ambos positivos por definición, entonces la fórmula intermedia cambia a una diferencia: [6]
pero el valor final es el mismo.
Relación de fase
La fase del voltaje a través de un dispositivo puramente reactivo (es decir, con resistencia parásita cero ) retrasa la corriente enradianes para una reactancia capacitiva y conduce la corriente porradianes para una reactancia inductiva. Sin el conocimiento tanto de la resistencia como de la reactancia, no se puede determinar la relación entre el voltaje y la corriente.
El origen de los diferentes signos de reactancia capacitiva e inductiva es el factor de fase en la impedancia.
Para un componente reactivo, el voltaje sinusoidal a través del componente está en cuadratura (a diferencia de fase) con la corriente sinusoidal a través del componente. El componente absorbe energía del circuito alternativamente y luego devuelve energía al circuito, por lo que una reactancia pura no disipa potencia.
Ver también
- Reactancia magnética
- Susceptancia
Notas
- ^ Considerando que es una necesidad práctica en electrónica tolerar las convenciones preferidas de otros sobre si la reactancia capacitiva, tiene un signo menos incorporado o no, no existe tal tolerancia en el caso de la impedancia, Cualquiera que sea la convención que se utilice, en el punto en el que la reactancia capacitiva se convierte en parte del número complejo, el signo menos debe aplicarse absolutamente y solo una vez .
- ^ Usando la fórmula para reactancia solo funciona bien cuando se usa la convención es decir, con el signo menos "integrado" en la reactancia capacitiva, que es siempre un número negativo.
- ^ La raíz cuadrada de menos uno o la "unidad imaginaria" generalmente se representa por en fórmulas no eléctricas, pero para fórmulas eléctricas el símbolo se utiliza comúnmente para representar la corriente. Para evitar confusiones con la corriente, el símbolo se utiliza para la unidad imaginaria en fórmulas eléctricas.
- ^ La reactancia total cero en un sistema se usa a menudo para definir la palabra "sistema (eléctricamente) resonante ".
Referencias
- ^ Steinmetz, Charles P .; Bedell, Frederick (enero-diciembre de 1894). "Reactancia" . Transacciones del Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos . 11 : 640–648.
- ^ a b Irwin, D. (2002). Análisis de circuitos de ingeniería básica . Nueva York, NY: John Wiley & Sons, Inc. p. 274.
- ^ Hayt, WH; Kimmerly, JE (2007). Análisis de circuitos de ingeniería (7ª ed.). McGraw-Hill. pag. 388.
- ^ a b Glisson, TH (2011). Introducción al análisis y diseño de circuitos . Saltador. pag. 408.
- ^ Horowitz, P .; Hill, W. (2015). El arte de la electrónica (3ª ed.). pag. 42.
- ^ a b Hughes, E .; Hiley, J .; Brown, K .; Smith, I. McK. (2012). Tecnología eléctrica y electrónica de Hughes (11ª ed.). Pearson. págs. 237–241.
- ^ Robbins, AH; Miller, W. (2012). Análisis de circuitos: teoría y práctica (5ª ed.). Aprendizaje Cengage. págs. 554–558.
- Shamieh, C .; McComb, G. (2011). Electrónica para tontos . John Wiley e hijos.
- Meade, R. (2002). Fundamentos de la Electrónica . Aprendizaje Cengage.
- Young, Hugh D .; Freedman, Roger A .; Ford, A. Lewis (2004) [1949]. Física de la Universidad de Sears y Zemansky (11ª ed.). San Francisco , CA: Addison Wesley . ISBN 0-8053-9179-7 - a través de Archive.org.
enlaces externos
- "Tutorial interactivo de Java sobre reactancia inductiva" . Academia Magnet. Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético.
- "Calculadora de reactancia" . FXSolver.com (shareware).