In der Elektrotechnik ist die Impedanz ein Maß dafür, inwieweit ein Stromkreis dem Stromfluss entgegenwirkt. Alle Materialien haben einen gewissen elektrischen Widerstand, wodurch ein Teil der Energie in Form von Wärme verloren geht und der Stromfluss verringert wird. Bei Gleichstrom (DC) ist die Impedanz gleich dem Widerstand und hängt ausschließlich von den Materialien ab, aus denen die Schaltung besteht. Bei einem Wechselstrom (AC) können jedoch zwei zusätzliche Faktoren zur Impedanz beitragen: Kapazität und Induktivität. Zusammen werden diese als Reaktanz bezeichnet, die ein Maß für den Widerstand einer Stromänderung ist, die von ihrer Frequenz und den Komponenten der Schaltung abhängt.
Wechselstrom ändert ständig seine Richtung, und zwar mit einer bestimmten Frequenz, die in Hertz (Hz) oder Zyklen pro Sekunde gemessen wird. Normalerweise wird Strom mit 50 oder 60 Hz geliefert, dies kann jedoch für bestimmte Anwendungen geändert werden. Die Frequenz kann auf einem Oszilloskop in Form von Strom oder Spannung als Welle angezeigt werden, wobei der Abstand von Scheitel zu Scheitel einen kompletten Zyklus darstellt. Der Reaktanzgrad in einem Stromkreis hängt von der Frequenz der Wechselstromversorgung ab. Genauer gesagt nimmt die kapazitive Reaktanz mit zunehmender Frequenz ab, während die induktive Reaktanz zunimmt.
Kapazitive Reaktanz
Ein Kondensator ist ein Gerät, das eine elektrische Ladung speichern und später wieder abgeben kann. Es besteht im Allgemeinen aus einem nichtleitenden Material oder Isolator, der zwischen zwei Metallplatten eingeschlossen ist. Als Teil einer Schaltung ermöglicht es den Aufbau einer Ladung im Isolator und speichert effektiv Energie in einem elektrischen Feld. Wenn die Ladung ansteigt, wird der Strom reduziert. Nach einer gewissen Zeit kann der Kondensator keine Ladung mehr aufnehmen und der Strom sinkt auf Null, woraufhin er sich entlädt und einen Elektronenfluss in die entgegengesetzte Richtung erzeugt.
Wenn die Wechselstromfrequenz jedoch hoch ist, ändert der Strom die Richtung in kürzerer Zeit, als der Kondensator zum „Auffüllen“ benötigt. Da der Strom zu Beginn eines Zyklus sein Maximum erreicht, wird eine Hochfrequenz-Wechselstromversorgung durch einen Kondensator praktisch unbeeinflusst. Im Gegensatz dazu, wenn die Frequenz niedrig ist, lässt dies Zeit, dass sich etwas Ladung im Kondensator aufbaut, was zu einer Verringerung des Stroms vor dem nächsten Zyklus führt. Kondensatoren werden in vielen gängigen Geräten und Gadgets verwendet, daher ist die kapazitive Reaktanz normalerweise ein wichtiger Faktor für die Impedanz.
Induktive Reaktanz
Induktivität ist die Tendenz eines sich ändernden Stroms, der durch einen Draht fließt, einen Gegenstrom in einem nahegelegenen Leiter zu induzieren. Dies geschieht, weil ein sich ändernder elektrischer Strom ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt, das wiederum dazu führt, dass Elektronen in jedem leitenden Material innerhalb seiner Reichweite fließen. Wenn ein Draht zu einer Spule gewickelt wird, bildet er einen Induktor und induziert selbst einen gegenläufigen Elektronenfluss oder eine elektromotorische Kraft (EMF). Die Spannung der induzierten EMF steigt mit der Änderungsrate der Versorgungsspannung, so dass eine Erhöhung der Wechselstromfrequenz die induktive Reaktanz erhöht. Induktivitäten sind wie Kondensatoren häufig verwendete Komponenten.
Kondensatoren und Induktivitäten in Kombination
Wenn beide Geräte in einem Stromkreis vorhanden sind, hängen die Auswirkungen nicht nur von der Wechselstromfrequenz ab, sondern auch von der Beschaltung. Werden Kondensator und Induktivität in Reihe geschaltet, steigt der Strom zunächst mit der Frequenz an, erreicht an einem bestimmten Punkt, der sogenannten Resonanzfrequenz, ein Maximum und fällt danach ab. Bei Parallelschaltung sinkt der Strom mit steigender Frequenz, bis ein Punkt erreicht ist, an dem kein Strom fließt. Ab diesem Punkt steigt die Strömung wieder an.
Maße und Einheiten
Wie Widerstand, Reaktanz und Impedanz werden in Ohm gemessen. In Gleichungen wird die Impedanz normalerweise durch das Symbol Z und die Reaktanz durch X dargestellt. Die kapazitive und induktive Reaktanz werden durch XC bzw. XL dargestellt. Ähnlich dem Ohmschen Gesetz für den Widerstand kann die Gesamtimpedanz als Z = V/I ausgedrückt werden, wobei Z in Ohm angegeben wird; V ist Spannung, angegeben in Volt; und I ist Strom, angegeben in Ampere.