Reatância elétrica - Electrical reactance

Em circuitos elétricos, a reatância é a oposição apresentada à corrente alternada por indutância ou capacitância . Maior reatância fornece menor corrente para a mesma tensão aplicada . A reatância é semelhante à resistência nesse aspecto, mas difere no sentido de que a reatância não leva à dissipação de energia elétrica como calor. Em vez disso, a energia é armazenada na reatância e um quarto de ciclo mais tarde retorna ao circuito, enquanto uma resistência perde energia continuamente.

A reatância é usada para calcular a amplitude e as mudanças de fase da corrente alternada senoidal ( CA ) que passa por um elemento de circuito. Como a resistência, a reatância é medida em ohms , com valores positivos indicando reatância indutiva e negativos indicando reatância capacitiva . É denotado pelo símbolo . Um resistor ideal tem reatância zero, enquanto indutores e capacitores ideais têm resistência zero. Conforme a frequência aumenta, a reatância indutiva aumenta e a reatância capacitiva diminui.

Comparação com resistência

A reatância é semelhante à resistência, pois uma reatância maior leva a correntes menores para a mesma tensão aplicada. Além disso, um circuito feito inteiramente de elementos que têm apenas reatância (e nenhuma resistência) pode ser tratado da mesma maneira que um circuito feito inteiramente de elementos sem reatância (resistência pura). Essas mesmas técnicas também podem ser usadas para combinar elementos com reatância com elementos com resistência, mas normalmente são necessários números complexos . Isso é tratado a seguir na seção sobre impedância .

No entanto, existem várias diferenças importantes entre reatância e resistência. Primeiro, a reatância muda a fase para que a corrente através do elemento seja deslocada em um quarto de ciclo em relação à tensão aplicada ao elemento. Em segundo lugar, a energia não é dissipada em um elemento puramente reativo, mas sim armazenada. Terceiro, as reatâncias podem ser negativas, de modo que podem "cancelar" umas às outras. Finalmente, os elementos do circuito principal que têm reatância (capacitores e indutores) têm uma reatância dependente da frequência, ao contrário dos resistores que normalmente têm a mesma resistência para todas as frequências.

O termo reatância foi sugerido pela primeira vez pelo engenheiro francês M. Hospitalier na L'Industrie Electrique em 10 de maio de 1893. Foi oficialmente adotado pelo Instituto Americano de Engenheiros Elétricos em maio de 1894.

Reatância capacitiva

Um capacitor consiste em dois condutores separados por um isolante , também conhecido como dielétrico .

A reatância capacitiva é uma oposição à mudança de voltagem em um elemento. A reatância capacitiva é inversamente proporcional à frequência do sinal (ou frequência angular ω) e à capacitância .

Existem duas opções na literatura para definir a reatância para um capacitor. Uma é usar uma noção uniforme de reatância como a parte imaginária da impedância, caso em que a reatância de um capacitor é o número negativo,

.

Outra opção é definir a reatância capacitiva como um número positivo,

Neste caso, no entanto é preciso lembrar para adicionar um sinal negativo para a impedância de um capacitor, ie .

Em baixas frequências, um capacitor é um circuito aberto, então nenhuma corrente flui no dielétrico.

Uma tensão CC aplicada em um capacitor faz com que carga positiva se acumule em um lado e carga negativa se acumule no outro lado; o campo elétrico devido à carga acumulada é a fonte da oposição à corrente. Quando o potencial associado à carga equilibra exatamente a tensão aplicada, a corrente vai para zero.

Impulsionado por uma fonte CA (fonte de corrente CA ideal), um capacitor acumulará apenas uma quantidade limitada de carga antes que a diferença de potencial mude a polaridade e a carga seja devolvida à fonte. Quanto maior a frequência, menos carga se acumulará e menor será a oposição à corrente.

Reatância indutiva

A reatância indutiva é uma propriedade exibida por um indutor, e a reatância indutiva existe com base no fato de que uma corrente elétrica produz um campo magnético ao seu redor. No contexto de um circuito CA (embora este conceito se aplique sempre que a corrente muda), esse campo magnético muda constantemente como resultado da corrente que oscila para frente e para trás. É essa mudança no campo magnético que induz outra corrente elétrica a fluir no mesmo fio (contra-EMF), em uma direção tal que se oponha ao fluxo da corrente originalmente responsável pela produção do campo magnético (conhecida como Lei de Lenz). Conseqüentemente, a reatância indutiva é uma oposição à mudança de corrente através de um elemento.

Para um indutor ideal em um circuito CA, o efeito inibidor na mudança no fluxo de corrente resulta em um atraso, ou uma mudança de fase, da corrente alternada em relação à tensão alternada. Especificamente, um indutor ideal (sem resistência) fará com que a corrente atrase a tensão em um quarto de ciclo, ou 90 °.

Em sistemas de energia elétrica, a reatância indutiva (e reatância capacitiva, no entanto a reatância indutiva é mais comum) pode limitar a capacidade de energia de uma linha de transmissão CA, porque a energia não é completamente transferida quando a tensão e a corrente estão fora de fase (detalhado acima) . Ou seja, a corrente fluirá para um sistema fora de fase, porém a potência real em determinados momentos não será transferida, pois haverá pontos durante os quais a corrente instantânea é positiva enquanto a tensão instantânea é negativa, ou vice-versa, implicando em potência negativa transferir. Conseqüentemente, o trabalho real não é executado quando a transferência de potência é "negativa". No entanto, a corrente ainda flui mesmo quando um sistema está fora de fase, o que faz com que as linhas de transmissão aqueçam devido ao fluxo de corrente. Conseqüentemente, as linhas de transmissão podem esquentar muito (ou então iriam fisicamente afundar muito, devido ao calor expandindo as linhas de transmissão de metal), então os operadores de linhas de transmissão têm um "teto" na quantidade de corrente que pode fluir através de um dada linha e reatância indutiva excessiva podem limitar a capacidade de energia de uma linha. Os fornecedores de energia utilizam capacitores para mudar a fase e minimizar as perdas, com base nos padrões de uso.

A reatância indutiva é proporcional à frequência do sinal senoidal e à indutância , que depende da forma física do indutor.

A corrente média fluindo através de uma indutância em série com uma fonte de tensão CA sinusoidal de amplitude e frequência RMS é igual a:

Como uma onda quadrada tem várias amplitudes em harmônicos senoidais , a corrente média fluindo através de uma indutância em série com uma fonte de tensão CA de onda quadrada de amplitude e frequência RMS é igual a:

fazendo parecer que a reatância indutiva para uma onda quadrada era cerca de 19% menor do que a reatância para a onda senoidal AC:

Qualquer condutor de dimensões finitas possui indutância; a indutância é aumentada pelas múltiplas voltas em uma bobina eletromagnética . A lei de Faraday da indução eletromagnética fornece a contra- fem (corrente oposta à tensão) devido a uma taxa de variação da densidade do fluxo magnético através de um loop de corrente.

Para um indutor consistindo de uma bobina com laços isso dá.

A contra-fem é a fonte da oposição ao fluxo da corrente. Uma corrente contínua constante tem uma taxa de variação zero e vê um indutor como um curto-circuito (normalmente é feito de um material com baixa resistividade ). Uma corrente alternada tem uma taxa de variação média do tempo que é proporcional à frequência, o que causa o aumento da reatância indutiva com a frequência.

Impedância

Tanto a reatância quanto a resistência são componentes da impedância .

Onde:

  • é a impedância complexa , medida em ohms ;
  • é a resistência , medida em ohms. É a parte real da impedância:
  • é a reatância, medida em ohms. É a parte imaginária da impedância:
  • é a raiz quadrada de menos um , geralmente representada por em fórmulas não elétricas. é usado para não confundir a unidade imaginária com a corrente, comumente representada por .

Quando um capacitor e um indutor são colocados em série em um circuito, suas contribuições para a impedância total do circuito são opostas. A reatância capacitiva e a reatância indutiva contribuem para a reatância total como segue.

Onde:

  • é a reatância indutiva , medida em ohms;
  • é a reatância capacitiva , medida em ohms;
  • é a frequência angular, vezes a frequência em Hz.

Portanto:

  • se , a reatância total é dita indutiva;
  • se , então, a impedância é puramente resistiva;
  • se , a reatância total é considerada capacitiva.

Observe, no entanto, que se e forem considerados positivos por definição, a fórmula intermediária muda para uma diferença:

mas o valor final é o mesmo.

Relacionamento de fase

A fase da tensão em um dispositivo puramente reativo (isto é, com resistência parasita zero ) atrasa a corrente em radianos para uma reatância capacitiva e lidera a corrente em radianos para uma reatância indutiva. Sem o conhecimento da resistência e da reatância, a relação entre a tensão e a corrente não pode ser determinada.

A origem dos diferentes sinais de reatância capacitiva e indutiva é o fator de fase na impedância.

Para um componente reativo, a tensão senoidal através do componente está em quadratura (uma diferença de fase) com a corrente senoidal através do componente. O componente absorve alternadamente energia do circuito e então retorna energia para o circuito, portanto, uma reatância pura não dissipa energia.

Veja também

Referências

  • Shamieh C. e McComb G., Electronics for Dummies, John Wiley & Sons, 2011.
  • Meade R., Foundations of Electronics, Cengage Learning, 2002.
  • Young, Hugh D .; Roger A. Freedman; A. Lewis Ford (2004) [1949]. Sears and Zemansky's University Physics (11 ed.). São Francisco : Addison Wesley . ISBN 0-8053-9179-7.

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