Elektrisk impedans är den totala motståndskraften en elektrisk krets uppvisar mot ström- eller spänningsändringar, särskilt vid växelström. Impedans tar hänsyn både till det rena motståndet (som omvandlar elektrisk energi till värme) och till reaktiva komponenter (som lagrar energi i elektriska eller magnetiska fält).
De två vanligaste sätten att beskriva en impedans är (se den andra figuren, "komplext impedansplan"):
- i rektangulär form med motståndet "R" (reell del) och reaktansen "X" (imaginär del), till exempel Z = 1 + 1 j {\displaystyle Z=1+1j}
- i polär form med en magnitud och en fas (storleken | Z | {\displaystyle \left\vert Z\right\vert }
och vinkeln {\displaystyle \angle \theta } 
) — till exempel Z = 1,4 ∠ 45 ∘ 
(1,4 Ω vid 45°)
Skillnad mellan motstånd och impedans
Impedans och motstånd är besläktade men inte identiska. Ett rent motstånd (resistans) motstår all ström genom sig och omvandlar elektrisk energi till värme. Ohms lag för ett rent motstånd skrivs som:
V = R ∗ I {\displaystyle V=R*I}
, där V är spänningen, R är motståndet och I är strömmen.
Impedans beskriver istället hur en komponent reagerar på förändringar i spänning eller ström vid olika frekvenser. Induktorer motstår snabba förändringar i ström (genom att skapa ett magnetfält) medan kondensatorer motstår snabba förändringar i spänning (genom att skapa ett elektriskt fält). Det är därför lämpligt att tala om frekvensberoendet hos impedans.
Frekvensberoende – induktans och kapacitans
Impedansen för en ideal induktor och en ideal kondensator ges av följande formler:
För induktorn: Z = j 2 π f L {\displaystyle Z=j2\pi fL\\,} 
För kondensatorn: Z = 1 j 2 π f C {\displaystyle Z={\frac {1}{j2\pi fC}}} 
Där Z är impedansen, j är den imaginära enheten ({\displaystyle {\sqrt {-1}}} 
— ingenjörers standard istället för i), π {\displaystyle \pi } 
är pi, f är frekvensen i hertz, L är induktansen och C är kapacitansen. Enheterna för motstånd och impedans är desamma: ohm (Ω) {\displaystyle \Omega } 
.
Detta leder till enkla gränsfall:
- Vid f = 0 Hz (likström) har en ideal induktor Z = 0 (kortslutning) medan en ideal kondensator har Z → ∞ (öppen krets).
- Vid mycket höga frekvenser blir en induktors impedans stor (den blockerar snabba växlingar) medan en kondensators impedans blir liten (den leder lätt snabba växlingar).
Reaktans, fas och uttryck i rektangulär/polär form
Reaktansen X är den imaginära delen av impedansen: Z = R + jX. För en induktor är X_L = ωL = 2πfL (positiv), för en kondensator är X_C = −1/(ωC) (negativ). I polär form anges impedansen som magnitud |Z| och fasvinkel θ, där θ = arctan(X/R). Fasvinkeln visar hur mycket strömmen ligger efter (eller före) spänningen.
Ohm:s lag för växelström och phasorer
För växelström gäller samma grundläggande samband men med komplexa storheter: V = Z ∗ I {\displaystyle V=Z*I} 
, där V och I kan vara fasorer (komplexa värden som representerar amplitud och fas). Genom att använda phasorer kan sinussignaler behandlas som komplexa konstanter vid en given frekvens, vilket gör kretsanalys enklare.
Energi, effekt och reaktiv effekt
Ett viktigt praktiskt resultat är att endast den reella delen av impedansen (R) förbrukar aktiv effekt (omvandlar den till värme). Induktorer och kondensatorer lagrar energi växelvis i magnetfält respektive elektriskt fält och levererar ofta tillbaka denna energi till kretsen — detta ger reaktiv effekt (Q). I phasorform uttrycks komplex effekt som S = V I* (vid RMS-värden), där realdelen är aktiv effekt P och imaginärdelen är reaktiv effekt Q.
Seriekoppling, parallellkoppling och transformering
Precis som för motstånd kan impedanser kombineras i serie och parallellt:
- Seriekopplade impedanser adderas: Z_tot = Z1 + Z2 + ...
- Parallellkopplade impedanser adderas som inverser: 1/Z_tot = 1/Z1 + 1/Z2 + ...
Impedansanpassning och reflektioner
Om impedansen hos källan, ledningen och belastningen inte matchar reflekteras en del av signalen tillbaka mot källan, vilket kan ge förluster och störningar. Reflektionskoefficienten beräknas med följande formel:
Γ = Z L - Z S Z L + Z S {\displaystyle \Gamma ={Z_{L}-Z_{S} \over Z_{L}+Z_{S}}}}
där Γ {\displaystyle \Gamma }
är reflektionskoefficienten, Z_{S}
är källans impedans och Z_{L}
är belastningens impedans.
För maximal effektöverföring i en linje bör belastningens impedans vara den komplexa konjugaten till källans impedans (Z_L = Z_S*). I praktiken används impedansanpassning, transformatorer eller matchningsnätverk för att minimera reflektioner (se även begreppet VSWR — stående vågförhållande).
Vågers impedans
Alla medier som kan föra en våg har en karakteristisk vågimpedans. Till exempel har vakuum (tomt utrymme) en impedans på cirka 377 Ω {\displaystyle \Omega } , vilket är relevant för elektromagnetiska vågor såsom ljus.
Praktiska kommentarer
- Vid mätningar används ofta nätverksanalysatorer och impedansmätare för att bestämma Z(f) över ett frekvensområde.
- I reala komponenter finns även förluster: en induktor har ofta både L och ett inre R (serie- eller parallellkomponent), och en kondensator kan ha läckströmmar och ESR (ekvivalent serieresistans).
- Signaler uppbyggda av flera frekvenser (se Fouriertransformen) påverkas av impedansens frekvensberoende: olika frekvenskomponenter ser olika impedanser och dämpas/förstärks olika.
På det fysiska planet kan man förenklat säga att:
- Motstånd orsakas av elektronernas kollisioner med atomer i ledaren.
- En kondensators impedans beror på att ett elektriskt fält byggs upp mellan dess plattor.
- En induktors impedans beror på att ett magnetfält byggs upp kring ledaren.
Sammanfattningsvis är impedans ett grundläggande begrepp i växelströmsanalys och signalöverföring: det beskriver hur olika kretsdelar påverkar amplitud och fas hos ström och spänning och varierar i allmänhet med frekvens.
