Impedância: como é que se calcula e porque é que é importante?

Data de publicação: 25-01-2024 Data de atualização: 24-04-2024 🕒 5 min de leitura

Ninguém se imagina a funcionar no mundo de hoje sem acesso a eletricidade, e quando se fala de fluxo de corrente, vêm imediatamente à mente conceitos como corrente, tensão e resistência elétrica (resistência): é aqui que começa a lei de Ohm. Uma aventura com a eletricidade. Neste artigo, vamos centrar-nos na impedância, que é crucial nos circuitos de corrente alternada.

Definição de Impedância
Diferenças entre impedância e resistência
Elementos reativos e impedância
Cálculo da impedância equivalente
Onde calculamos a impedância

O que é a impedância?

A definição de impedância indica que "a impedância é uma grandeza que caracteriza a relação entre a corrente e a tensão em circuitos de corrente alternada (alternada sinusoidal)". No entanto, esta definição não descreve diretamente a relação acima referida. Para compreender o que é a impedância na prática, é útil familiarizarmo-nos com o conceito de mudança de fase.

A corrente alternada caracteriza-se por uma forma de onda sinusoidal e muda de direção numa ordem estritamente definida (com uma frequência constante). Num circuito elétrico sem capacitância e indutância, as formas de onda da tensão e da corrente têm de coincidir. No entanto, se existirem bobinas ou capacitores no circuito, ocorre a mudança de fase acima referida. O desvio de fase é um valor expresso como um ângulo que descreve o atraso entre duas ondas de igual frequência. Por outras palavras, os valores máximos da corrente e da tensão são deslocados no tempo. Quando a corrente excede a tensão, isso deve-se certamente ao processo de carregamento do capacitor. No entanto, se esta tensão for superior à corrente, então estamos a falar do fenómeno de autoindução. A teoria diz que, no caso de um capacitor ideal e de uma bobina ideal, o valor da diferença de fase entre a corrente e a tensão é exatamente 90°. O sinal positivo ou negativo é determinado pela prioridade da corrente ou da tensão entre si.

Porque é que esta introdução é importante para compreender a impedância? Bem, a mudança de fase, juntamente com a impedância, é o parâmetro básico que determina a natureza da corrente alternada. Além do mais, um dos componentes da impedância é responsável pela sua formação. Vale a pena, portanto, analisar a relação matemática que descreve a quantidade em questão:

O rácio é constituído pelas seguintes grandezas físicas:

Valor instantâneo da corrente:

Valor instantâneo da tensão da corrente:

onde:

I_o, U_o – valor máximo da tensão e da corrente;

φ₁, φ₂ – mudança de fase;

ω=2πf – frequência circular [].

Iremos calcular o ângulo de mudança de fase utilizando a seguinte relação:

A impedância é uma grandeza complexa. Este facto diz-nos que inclui a parte real, que é a resistência elétrica diretamente relacionada com a fase da corrente e da tensão que flui, bem como a reactância, que é a componente imaginária da impedância. É esta componente que é responsável pela mudança de fase de 90° da corrente em relação à tensão, bem como pela ocorrência de potência reativa.

onde:

Z – impedância, que é um valor que depende da frequência circular;

R – resistência elétrica, ou seja, resistência [Ω];

X – resistência passiva, ou seja, reactância [Ω].

A questão é complementada pelo módulo de impedância, que é comummente designado por bloqueio. O seu cálculo é efetuado através da seguinte fórmula matemática:

Qual é a diferença entre impedância e resistência?

Como regra geral, num circuito que contenha os três componentes, ou seja, resistência, elemento capacitivo e elemento indutivo, considera-se que a impedância é a resistência da corrente. A resistência desempenha o papel de componente ativo na impedância, sendo uma medida da resistência aos eletrões que fluem através do condutor. Associamos o conceito de resistência aos circuitos de corrente contínua, enquanto que para os circuitos de corrente alternada é necessário ter em conta a influência da indutância e da capacitância. Para ilustrar melhor a diferença entre resistência e impedância, vale a pena ter em conta que qualquer resistor ideal terá uma resistência elevada mas uma reactância baixa. No entanto, se estivermos a falar de um capacitor ideal ou de um elemento indutivo, estes conterão reactância, mas não resistência elétrica. A impedância, por outro lado, caracteriza todas estas propriedades de um circuito elétrico.

Impedância dos elementos reativos

De acordo com as informações fornecidas acima, para um circuito que contém apenas uma resistência ideal, a parte imaginária assume o valor zero, enquanto a parte real da impedância é exatamente o valor da resistência, portanto:

Para uma bobina de indução, a impedância assume um valor inteiramente imaginário (claro que estamos a falar de uma bobina considerada ideal):

Em seguida, falamos sobre o caráter indutivo e o deslocamento de fase φ = 90°.

No caso de um capacitor ideal, o carácter capacitivo é naturalmente conservado, onde o ângulo de deslocamento de fase será exatamente o mesmo que para a bobina, mas com um sinal alterado: φ=\-90°. Neste ponto, uma pergunta frequentemente feita pode ser respondida de forma clara: o valor da impedância pode ser negativo? Bem, talvez então também seja chamado de capacitância, ou seja, resistência capacitiva ativa. A impedância de um capacitor é descrita pela seguinte relação:

Princípios para o cálculo da impedância equivalente

A impedância equivalente de um circuito elétrico é calculada de acordo com princípios semelhantes aos da resistência. É de notar que o tipo de ligação no sistema é importante.

Ligação em paralelo

Para tornar mais prático o cálculo da impedância equivalente para uma ligação em paralelo, é conveniente utilizar o valor da admitância, que é o recíproco da impedância. Então, de que forma pode ser interpretado como uma fórmula? É a condutividade elétrica total em circuitos CA.

A unidade de admissão é Siemens [s].

Tal como a impedância, a admitância é constituída por uma parte real e uma parte imaginária. Neste caso, são: condutância (G) e susceptância (B).

Exatamente da mesma forma que no caso da impedância, calculamos também o módulo de admitância, ou seja:

Tendo um conhecimento básico de admitância, podemos deduzir que para uma ligação em paralelo de três impedâncias com valores de , o valor da impedância equivalente será:

O recíproco da impedância de um circuito elétrico é, portanto, a soma geométrica dos recíprocos de todas as impedâncias componentes.

Conexión en serie

À semelhança de uma ligação em série de resistências, a impedância equivalente para uma ligação em série é igual à soma das impedâncias dos componentes. No entanto, como na ligação em paralelo, é importante lembrar que essa soma é geométrica, não é escalar.

Para uma ligação em série de três impedâncias com valores de, o valor da impedância equivalente será:

Valor de impedância na vida quotidiana

Toda a teoria acima referida é importante porque o valor da impedância nos circuitos elétricos é um dos valores básicos a serem medidos antes de ligar um circuito. O melhor exemplo é a instalação elétrica de uma casa unifamiliar. Só a disposição dos cabos em todas as divisões é apenas uma parte do trabalho total do técnico de instalação. Antes de efetuar a instalação, é necessário garantir a segurança do funcionamento. Para tal, mede-se a impedância do circuito de curto-circuito, o que responderá à questão de saber se a proteção contra sobreintensidades cortará a alimentação elétrica durante um curto-circuito da instalação num momento seguro para utilização. Um eletricista qualificado, com base na resistência somada dos cabos, bem como na impedância dos invólucros do transformador, poderá determinar o valor da corrente de curto-circuito esperada. Só com medições seguras e fusíveis corretamente selecionados é que a instalação não se inflamará em caso de curto-circuito elétrico, e o disjuntor de sobretensão interromperá o circuito num período de tempo suficientemente curto quando a corrente de curto-circuito constituir um perigo para a vida humana.

Os requisitos rigorosos de fabrico obrigam os eletricistas a realizar medições apropriadas da impedância do circuito de curto-circuito e a criar documentos adequados que atestem que estas foram realizadas em conformidade com as normas necessárias. Este é um requisito necessário para a homologação final do edifício e a sua entrega ao comprador. Em todo este processo, o mais importante é a segurança.

A Transfer Multisort Elektronik (TME) é um dos maiores distribuidores globais de componentes eletrônicos, peças eletrotécnicas, equipamentos de oficina e automação industrial. O catálogo inclui mais de 1.300.000 de produtos de 1.300 fabricantes líderes. Os modernos centros logísticos da TME em Łódź e Rzgów (Polónia), com uma área total superior a 40.000 m², enviam quase 6.000 pacotes diariamente para clientes em mais de 150 países.

A TME também investe no desenvolvimento do conhecimento e das competências de jovens engenheiros e entusiastas da eletrónica através do projeto TME Education e apoia a comunidade tecnológica organizando a série de eventos TechMasterEvent, promovendo a inovação e a troca de experiências.