8. '임피던스'를 쉽게 이해해보자.

8. '임피던스(Impedance)'를 쉽게 이해해보자.

전기를 공부하다 보면 저항 외에 임피던스(Impedance)라는 말이 나온다.
임피던스란 무엇인지 간단히 알아보자.

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1. 전기소자(R,L,C)
2. 저항(R)과 리액턴스(X)의 벡터합이 '임피던스(Z)'
3. 리액턴스(X)는 X(L)과 X(C)로 나눠진다.

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1. 전기소자(R,L,C)

임피던스를 알기 위해서는 전기소자들이 전기에서 어떤 역할을 하는지 알아야 한다.

전기소자는 크게 R(저항), L(인덕터), C(커패시터)로 이루어져 있다.

이 세 가지 소자는 흐르는 전기가
직류전기냐 교류전기냐에 따라서 다른 역할을 한다.

먼저
(1) 직류전기(DC : Direct Current)

직류전기(DC : Direct Current)

직류전기에서
저항(R)은 전기의 흐름을 방해하는 역할을 한다.

인덕터(L)는 전기를 자기장으로 만드는 유도 역할을 한다.

커패시터(C)는 전하가 쌓이면서 전기를 저장하는 역할을 한다.



(2) 교류전기(AC : Alternating Current)

교류전기(AC : Alternating Crruent)

교류전기에서
저항(R)은 직류에서와 마찬가지로 전기의 흐름을 방해하는 역할을 한다.

인덕터(L)는 전기를 자기장으로도 만들면서 전기의 흐름을 방해하는 역할을 한다.

커패시터(C)는 전기를 충전하지 않고 전기의 흐름을 방해하는 역할을 한다.

https://yyxx.tistory.com/140

11. 인덕터(Inductor)의 원리, 전류억제

https://yyxx.tistory.com/148

19. 커패시터가 리액턴스(X)로 작용하는 이유

종합해보면 직류전기(DC)를 가할 때 R,L,C 세 개의 소자가 각각 고유한 역할이 있는데
교류전기(AC)를 가하게 되면 R,L,C가 모두 전기의 흐름을 방해하는 역할을 한다.
직류전기(DC)에서 전기의 흐름을 방해하는 것은 저항뿐이다.

교류전기에서 전기의 흐름을 방해하는 저항(R)은 그대로 '저항(R)'이라고 부른다.
그리고 전기의 흐름을 방해하는 인덕터(L)와 커패시터(C)는 '리액턴스(X)'라고 부른다.

직류에서 전기방해는 저항 /  교류에서 전기방해는 저항,인덕터,커패시터

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2. 저항과 리액턴스의 벡터합이 '임피던스'

교류전기에서 전기의 흐름을 방해하는 저항(R)은 그대로 '저항(R)'이라고 부른다.
그리고 전기의 흐름을 방해하는 인덕터(L)와 커패시터(C)는 '리액턴스(X)'라고 부른다.
'임피던스(Z)'는 전기의 흐름을 방해하는 저항(R)과 리액턴스(X)의 벡터합이다.

어떻게 벡터합이 되는지는
저항(R), 리액턴스(X), 임피던스(Z)를 직각삼각형 위에 표현하면 확인할 수 있다.

임피던스, 저항, 리액턴스 삼각형

직각삼각형에서 밑변이 저항(R), 높이가 리액턴스(X), 대각선이 임피던스(Z)이다.
피타고라스 법칙에 따라서
대각선의 제곱은 밑변의 제곱과 높이의 제곱의 합과 같다.
그러므로
Z^2 = R^2 + X^2
-> Z = √(R^2)+(X^2) 이다.

임피던스(Z)는 저항(R)과 리액턴스(X)의 벡터합

이렇게 저항(R)과 리액턴스(X)의 합인 임피던스(Z)는 벡터합이므로
임피던스를 표현할 때 Z = R + X 라 쓰지 않고
벡터합을 표현하기 위해서 j라는 걸 써서 Z = R + jX 로 쓴다.

Z = R +jX

직류와 교류에서 전기 흐름을 방해하는 역할을 하는 소자에 차이가 있으므로 옴의 법칙에도 차이가 있다.
직류전기(DC)에서 전기의 흐름을 방해하는 것은 저항뿐이므로 옴의 법칙을 보면 I = V/R이다.
교류전기(AC)에서는 전기의 흐름을 방해하는 것이 저항(R)과 리액턴스(X)의 벡터합인 임피던스(Z)이므로 옴의 법칙을 보면 I = V/Z이다.

직류와 교류에서 옴의 법칙 차이 

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3. 리액턴스(X)는 X(L)과 X(C)로 나눠진다.

인덕터(L)와 커패시터(C)가 교류전기에서 리액턴스(X)가 된다고 했는데
이 리액턴스는 두 가지로 나눠진다.
인덕터에 의한 리액턴스를 유도성리액턴스라고 해서 X(L)이라고 쓰고
커패시터에 의한 리액턴스를 용량성리액턴스라고 해서 X(C)라고 쓴다.

저항(R)이 실수축에 존재한다면
유도성리액턴스 X(L)과 용량성리액턴스 X(C)는 허수축에 존재하는데 서로 반대방향을 가리키고 있다.

저항, 인덕터, 커패시터 페이저도

그래서 임피던스(Z)를 표현하면

용량성리액턴스, 유도성리액턴스가 나눠짐에 따른 임피던스 식

Z = √(R^2)+{(X(L)-X(C))^2} 가 된다.


추가로
유도성 리액턴스(X(L)) = wL 과 같다. (w : 각주파수, L : 인덕턴스)
용량성 리액턴스(X(C)) = 1/wC와 같다. (w : 각주파수, C : 커패시턴스)

각주파수(w)는 2πf 이므로 (f : 주파수)
유도성 리액턴스(X(L)) = wL = 2πfL
용량성 리액턴스(X(C)) = 1/wC = 1/ 2πfC

둘 다 주파수에 영향을 받는데
유도성 리액턴스(X(L))의 경우 주파수에 비례하고
용량성 리액턴스(X(C))의 경우 주파수에 반비례함을 알 수 있다.
그래서 회로의 주파수(f)변화가 생기면 유도성 리액턴스(X(L))의 크기와 용량성 리액턴스(X(C))의 크기에 변화가 생긴다.
주파수가 계속 변하다 보면 어느 순간 X(L)의 크기와 X(C)의 크기가 같아질 수 있는데 그때의 주파수를 '공진주파수'라고 부른다.
공진주파수에 도달하면 회로가 진동하게 되므로 주의가 필요하다.

22. 공진주파수(Resonance Frequency)란 무엇인가? (tistory.com)

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