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阻抗的介紹蘇州賽秘爾電子科技有限公司

更新時間：2018-01-02 點擊次數(shù)：2506

阻抗（electrical impedance）是電路中電阻、電感、電容對交流電的阻礙作用的統(tǒng)稱。阻抗衡量流動于電路的交流電所遇到的阻礙。阻抗將電阻的概念加以延伸至交流電路領(lǐng)域，不僅描述電壓與電流的相對振幅，也描述其相對相位。當通過電路的電流是直流電時，電阻與阻抗相等，電阻可以視為相位為零的阻抗。

阻抗通常以符號 {\displaystyle Z} $Z$ 標記。阻抗是復(fù)數(shù)，可以用相量 {\displaystyle Z_\angle \theta } $Z_\angle \theta$ 或 {\displaystyle Z_e^{j\theta }} $Z_e^{{j\theta }}$ 來表示；其中，{\displaystyle Z_} $Z_$ 是阻抗的大小，{\displaystyle \theta } $\theta$ 是阻抗的相位。這種表式法稱為“相量表示法”。

具體而言，阻抗定義為電壓與電流的頻域比率^[1]。阻抗的大小 {\displaystyle Z_} $Z_$ 是電壓振幅與電流振幅的值比率，阻抗的相位 {\displaystyle \theta } $\theta$ 是電壓與電流的相位差。采用單位制，阻抗的單位是歐姆（Ω），與電阻的單位相同。阻抗的倒數(shù)是導(dǎo)納，即電流與電壓的頻域比率。導(dǎo)納的單位是西門子 (單位)（舊單位是姆歐）。

英文術(shù)語“impedance”是由物理學(xué)者奧利弗·亥維賽于1886年發(fā)表論文《電工》給出^[2]^[3]。于1893年，電機工程師亞瑟·肯乃利（Arthur Kennelly）zui先以復(fù)數(shù)表示阻抗^[4]。

復(fù)阻抗

阻抗是復(fù)數(shù)，可以與術(shù)語“復(fù)阻抗”替換使用。阻抗通常以相量來表示，這種表示法稱為“相量表示法”。相量有三種等價形式：

直角形式：{\displaystyle R+jX} $R+jX$ 、
極形式：{\displaystyle Z_\angle \theta } $Z_\angle \theta$ 、
指數(shù)形式：{\displaystyle Z_e^{j\theta }} $Z_e^{{j\theta }}$ ；

其中，電阻 {\displaystyle R} $R$ 是阻抗的實部，電抗 {\displaystyle X} $X$ 是阻抗的虛部，{\displaystyle Z_} $Z_$ 是阻抗的大小，{\displaystyle j} $j$ 是虛數(shù)單位，{\displaystyle \theta } $\theta$ 是阻抗的相位。

從直角形式轉(zhuǎn)換到指數(shù)形式可以使用方程

{\displaystyle R=Z_\cos \theta } $R=Z_\cos \theta$ 、

{\displaystyle X=Z_\sin \theta } $X=Z_\sin \theta$ 。

從指數(shù)形式轉(zhuǎn)換到直角形式可以使用方程

{\displaystyle Z_={\sqrt +X^}}} $Z_={\sqrt +X^}}$ 、

{\displaystyle \theta =\arctan(X/R)} $\theta =\arctan(X/R)$ 。

極形式適用于實際工程標示，而直角形式比較適用于幾個阻抗相加或相減的案例，指數(shù)形式則比較適用于幾個阻抗相乘或相除的案例。在作電路分析時，例如在計算兩個阻抗并聯(lián)的總阻抗時，可能會需要作幾次形式轉(zhuǎn)換。這種形式轉(zhuǎn)換必需要依照復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換定則。

歐姆定律

連接于電路的交流電源會給出電壓 {\displaystyle v(t)} $v(t)$ 于負載 {\displaystyle Z} $Z$ 的兩端，并且驅(qū)動電流 {\displaystyle i(t)} $i(t)$ 于電路。

主條目：歐姆定律

借著歐姆定律，可以了解阻抗的內(nèi)涵^[5]：

{\displaystyle v=iZ=iZ_e^{j\theta }} $v=iZ=iZ_e^{{j\theta }}$ 。

阻抗大小 {\displaystyle Z_} $Z_$ 的作用恰巧就像電阻，設(shè)定電流 {\displaystyle i} $i$ ，就可計算出阻抗 {\displaystyle Z} $Z$ 兩端的電壓降 {\displaystyle v} $v$ 。相位因子 {\displaystyle e^{j\theta }} $e^{{j\theta }}$ 則是電流滯后于電壓的相位差 {\displaystyle \theta } $\theta$ （在時域，電流信號會比電壓信號慢 {\displaystyle \theta T/2\pi } $\theta T/2\pi$ 秒；其中， {\displaystyle T} $T$ 是單位為秒的周期）。

就像電阻將歐姆定律延伸至交流電路領(lǐng)域，其它直流電路分析的結(jié)果，例如電壓分配（voltage division）、電流分配（current division）、戴維寧定理、諾頓定理等等，都可以延伸至交流電路領(lǐng)域，只需要將電阻更換為阻抗就行了。

復(fù)值電壓與電流

電路內(nèi)的廣義阻抗可以描繪為與電阻符號相同的形狀，或者描繪為加有標簽的盒子。

為了簡化計算，正弦電壓波 {\displaystyle v(t)} $v(t)$ 和正弦電流波 {\displaystyle i(t)} $i(t)$ 通常以指數(shù)形式表示為^[5]

{\displaystyle v(t)=V_e^{j(\omega t+\phi _)}} $v(t)=V_e^{{j(\omega t+\phi _)}}$ 、

{\displaystyle i(t)=I_e^{j(\omega t+\phi _)}} $i(t)=I_e^{{j(\omega t+\phi _)}}$ ；

其中，{\displaystyle V_>0} $V_>0$ 是電壓振幅，{\displaystyle I_>0} $I_>0$ 是電流振幅，{\displaystyle \omega } $\omega$ 是正弦波的角頻率、{\displaystyle \phi _} $\phi _$ 是電壓相位，{\displaystyle \phi _} $\phi _$ 是電流相位，

阻抗定義為電壓除以電流：

{\displaystyle Z\ {\stackrel }\ {\frac }} $Z\ {\stackrel }\ {\frac }$ 。

將這公式代入歐姆定律，可以得到

{\displaystyle V_e^{j(\omega t+\phi _)}&=I_e^{j(\omega t+\phi _)}Z_e^{j\theta }\\&=I_Z_e^{j(\omega t+\phi _+\theta )}end}} $V_e^{{j(\omega t+\phi _)}}&=I_e^{{j(\omega t+\phi _)}}Z_e^{{j\theta }}\\&=I_Z_e^{{j(\omega t+\phi _+\theta )}}end}$ 。

注意到對于任意時間 {\displaystyle t} $t$ ，這方程都成立。因此，可以令大小與相位分別相等：

{\displaystyle V_=I_Z_} $V_=I_Z_$ 、

{\displaystyle \ \phi _=\phi _+\theta } $\ \phi _=\phi _+\theta$ 。

*個方程乃是熟悉的表達電壓與電流之間關(guān)系的歐姆定律，第二個方程給出相位關(guān)系。

用相量表示法來描述，相量 {\displaystyle V} $V$ 、{\displaystyle I} $I$ 分別為

{\displaystyle V=V_e^{j\phi _}} $V=V_e^{{j\phi _}}$ 、

{\displaystyle I=I_e^{j\phi _}} $I=I_e^{{j\phi _}}$ 。

正弦波 {\displaystyle v(t)} $v(t)$ 、{\displaystyle i(t)} $i(t)$ 跟相量 {\displaystyle V} $V$ 、{\displaystyle I} $I$ 的關(guān)系為

{\displaystyle v(t)=Ve^{j\omega t}} $v(t)=Ve^{{j\omega t}}$ 、

{\displaystyle i(t)=Ie^{j\omega t}} $i(t)=Ie^{{j\omega t}}$ 。

阻抗的定義為

{\displaystyle Z\ {\stackrel }\ {\frac }} $Z\ {\stackrel }\ {\frac }$ 。

復(fù)數(shù)運算的正確性

根據(jù)歐拉公式，余弦函數(shù)可以表示為

{\displaystyle \cos(\omega t+\phi )={\frac }{\Big [}e^{j(\omega t+\phi )}+e^{-j(\omega t+\phi )}{\Big ]}} $\cos(\omega t+\phi )={\frac }{\Big [}e^{{j(\omega t+\phi )}}+e^{{-j(\omega t+\phi )}}{\Big ]}$ 。

這是一個可以用來表示電壓或電流波形的實值余弦函數(shù)，可以被分解為兩個復(fù)值函數(shù)。所以，只要分析方程右邊的兩個復(fù)值項目的行為，就可以明了方程左邊的實值余弦函數(shù)的行為。由于這兩個復(fù)值項目的實部相等，實際而言，只需要分析其中一個項目，取這項目的實部，就可以得到余弦函數(shù)：

{\displaystyle \cos(\omega t+\phi )=\mathrm {\Big \{}e^{j(\omega t+\phi )}{\Big \}}} $\cos(\omega t+\phi )={\mathrm }{\Big \{}e^{{j(\omega t+\phi )}}{\Big \}}$ 。

換句話說，只要取計算結(jié)果的實部，就可以得到答案。

在傅里葉分析中，激勵可以寫成多個正弦波的疊加。根據(jù)疊加原理，每個正弦波可以單獨分析計算出各自的反應(yīng)，（反應(yīng)本身也是一個正弦波，其頻率與激勵的頻率相同，但通常兩者的振幅、相位都不相同，反應(yīng)的振幅、相位會有所改變。）對于原本激勵的響應(yīng)是所有單獨正弦波的響應(yīng)在時域的總和（或積分）。這些單獨正弦波都可以轉(zhuǎn)換為以復(fù)數(shù)運算。^[6]

相量

主條目：相量

相量是一個常定復(fù)數(shù)，可以代表參數(shù)為時間的正弦函數(shù)的復(fù)振幅（大小和相位）。電機工程師常會使用相量作復(fù)數(shù)運算，因為能夠簡化涉及正弦函數(shù)的運算，將一個微分方程問題約化為代數(shù)方程問題。

一個電路元件的阻抗可以定義為元件兩端的電壓相量與通過元件的電流相量，兩者之間的比率，即電壓與電流之間的相對振幅與相對相位。注意到因子 {\displaystyle e^{j\omega t}} $e^{{j\omega t}}$ 互相抵消，這定義等價于前面由歐姆定律給出的定義，

電路元件的阻抗

電容器兩端的電壓滯后于通過電容器的電流，兩者之間的相位差為 {\displaystyle \pi /2} $\pi/2$ ；電感器兩端的電壓超前于通過電感器的電流，兩者之間的相位差為 {\displaystyle \pi /2} $\pi/2$ 。由于電壓與電流的振幅相等，阻抗的的大小為1。

理想電阻器的阻抗 {\displaystyle Z_} $Z_$ 是實數(shù)，稱為“電阻”：

{\displaystyle Z_=R} $Z_=R$ ；

其中，{\displaystyle R} $R$ 是理想電阻器的電阻。

理想電容器和理想電感器的阻抗 {\displaystyle Z_} $Z_$ 、{\displaystyle Z_} $Z_$ 都是虛數(shù) ：

{\displaystyle Z_={\frac {j\omega C}}} $Z_={\frac {j\omega C}}$ ，

{\displaystyle Z_=j\omega L} $Z_=j\omega L$ ；

其中，{\displaystyle C} $C$ 是理想電容器的電容，{\displaystyle L} $L$ 是理想電感器的電感。

注意到以下兩個很有用的全等式：

{\displaystyle j=e^{j\pi /2}} $j=e^{{j\pi /2}}$ 、

{\displaystyle -j=e^{-j\pi /2}} $-j=e^{{-j\pi /2}}$ 。

應(yīng)用這些全等式，理想電容器和理想電感器的阻抗以指數(shù)形式重寫為

{\displaystyle Z_={\frac {e^{-j\pi /2}}{\omega C}}} $Z_={\frac {e^{{-j\pi /2}}}{\omega C}}$ 、

{\displaystyle Z_=\omega Le^{j\pi /2}} $Z_=\omega Le^{{j\pi /2}}$ 。

給定通過某阻抗元件的電流振幅，復(fù)阻抗的大小給出這阻抗元件兩端的電壓振幅，而復(fù)阻抗的指數(shù)因子則給出相位關(guān)系。

電阻器、電容器和電感器是三種基本電路元件。以下段落會推導(dǎo)出這些元件的阻抗。這些導(dǎo)引假定正弦信號。通過傅里葉分析，任意信號可以視為一組正弦函數(shù)的總和。所以，這些導(dǎo)引可以延伸至任意信號。

電阻器

根據(jù)歐姆定律，通過電阻器的含時電流 {\displaystyle i_(t)} $i_}(t)$ 與電阻器兩端的含時電壓 {\displaystyle v_(t)} $v_}(t)$ ，兩者之間的關(guān)系為

{\displaystyle v_(t)=i_(t)R} $v_}(t)=i_}(t)R$ ；

其中，{\displaystyle t} $t$ 是時間。

設(shè)定含時電壓信號為

{\displaystyle v_(t)=V_\cos(\omega t)=V_e^{j\omega t},\uad V_>0} $v_}(t)=V_\cos(\omega t)=V_e^{{j\omega t}},\uad V_>0$ ，　

則含時電流為

{\displaystyle i_(t)={\frac }}e^{j\omega t}} $i_}(t)={\frac }}e^{{j\omega t}}$ 。

兩者的大小分別為 {\displaystyle V_} $V_$ 、{\displaystyle V_/R} $V_/R$ ，相位都是 {\displaystyle \omega t} $\omega t$ 。所以，阻抗為

{\displaystyle Z_=R} $Z_}=R$ 。

電阻器的阻抗是實數(shù)。理想電阻器不會制造相位差。

電容器

通過電容器的含時電流 {\displaystyle i_(t)} $i_(t)$ 與電容器兩端的含時電壓 {\displaystyle v_(t)} $v_(t)$ ，兩者之間的關(guān)系為

{\displaystyle i_(t)=C{\frac {\operatorname v_(t)}{\operatorname t}}} $i_(t)=C{\frac {\operatorname v_(t)}{\operatorname t}}$ 。

設(shè)定含時電壓信號為

{\displaystyle v_(t)=V_\sin(\omega t)=\operatorname \e^{j(\omega t-\pi /2)}\}=\operatorname \e^{j\omega t}\},\uad V_>0} $v_(t)=V_\sin(\omega t)=\operatorname \e^{j(\omega t-\pi /2)}\}=\operatorname \e^{j\omega t}\},\uad V_>0$ ，

則電流為

{\displaystyle i_(t)=\omega V_C\cos(\omega t)=\operatorname \{\omega V_Ce^{j\omega t}\}=\operatorname \e^{j\omega t}\}} $i_(t)=\omega V_C\cos(\omega t)=\operatorname \{\omega V_Ce^{j\omega t}\}=\operatorname \e^{j\omega t}\}$ 。

兩者的除商為

{\displaystyle {\frac (t)}(t)}}={\frac \sin(\omega t)}{\omega V_C\cos(\omega t)}}={\frac {\sin(\omega t)}{\omega C\sin \left(\omega t+{\frac {\pi }}\right)}}} ${\frac (t)}(t)}}={\frac \sin(\omega t)}{\omega V_C\cos(\omega t)}}={\frac {\sin(\omega t)}{\omega C\sin \left(\omega t+{\frac {\pi }}\right)}}$ ?！?/p>

所以，電容器阻抗的大小為 {\displaystyle 1/\omega C} $1/\omega C$ ，交流電壓滯后90°于交流電流，或者，交流電流超前90°于交流電壓。

以相量形式表示，

{\displaystyle V_=V_e^{j(-\pi /2)},\uad V_>0} $V_=V_e^{j(-\pi /2)},\uad V_>0$ 、

{\displaystyle I_=\omega V_Ce^} $I_=\omega V_Ce^$ 、

{\displaystyle Z_={\frac {e^{-j\pi /2}}{\omega C}}} $Z_={\frac {e^{{-j\pi /2}}}{\omega C}}$ ，

或者，應(yīng)用歐拉公式，

{\displaystyle Z_={\frac {j\omega C}}} $Z_={\frac {j\omega C}}$ 。

電感器

通過電感器的含時電流 {\displaystyle i_(t)} $i_(t)$ 與電感器兩端的含時電壓 {\displaystyle v_(t)} $v_(t)$ ，兩者之間的關(guān)系為

{\displaystyle v_(t)=L{\frac {\operatorname i_(t)}{\operatorname t}}} $v_(t)=L{\frac {\operatorname i_(t)}{\operatorname t}}$ 。

設(shè)定含時電流信號為

{\displaystyle i_(t)=I_\cos(\omega t)} $i_}(t)=I_\cos(\omega t)$ 。

則電壓為

{\displaystyle v_(t)=-\omega LI_\sin(\omega t)=\omega LI_\cos(\omega t+\pi /2)} $v_(t)=-\omega LI_\sin(\omega t)=\omega LI_\cos(\omega t+\pi /2)$ 。

兩者的除商為

{\displaystyle {\frac (t)}(t)}}={\frac {\omega L\cos(\omega t+\pi /2)}{\cos(\omega t)}}} ${\frac }(t)}}(t)}}={\frac {\omega L\cos(\omega t+\pi /2)}{\cos(\omega t)}}$ 。

所以，電感器阻抗的大小為 {\displaystyle \omega L} $\omega L$ ，交流電壓超前90°于交流電流，或者，交流電流滯后90°于交流電壓。

以相量形式表示，

{\displaystyle i_(t)=I_e^{j\omega t},\uad I_>0} $i_(t)=I_e^{{j\omega t}},\uad I_>0$ 、

{\displaystyle v_(t)=\omega LI_e^{j(\omega t+\pi /2)}} $v_(t)=\omega LI_e^{{j(\omega t+\pi /2)}}$ 、

{\displaystyle Z_=\omega Le^{j\pi /2}} $Z_=\omega Le^{{j\pi /2}}$ ，

或者，應(yīng)用歐拉公式，

{\displaystyle Z_=j\omega L} $Z_=j\omega L$ 。

廣義 s-平面阻抗

以 {\displaystyle j\omega } $j\omega$ 定義阻抗的方法只能應(yīng)用于以穩(wěn)定態(tài)交流信號為輸入的電路。假若將阻抗概念加以延伸，將 {\displaystyle j\omega } $j\omega$ 改換為復(fù)角頻率 {\displaystyle s} $s$ ，就可以應(yīng)用于以任意交流信號為輸入的電路。表示于時域的信號，經(jīng)過拉普拉斯變換后，會改為表示于頻域的信號，改成以復(fù)角頻率表示。采用這更廣義的標記，基本電路元件的阻抗為

元件	阻抗表達式
電阻器	{\displaystyle R} $R$
電容器	{\displaystyle 1/sC} $1/sC$
電感器	{\displaystyle sL} $sL$

對于直流電路，這簡化為 {\displaystyle s=0} $s=0$ ；對于穩(wěn)定正弦交流信號，{\displaystyle s=j\omega } $s=j\omega$ 。

電抗

主條目：電抗

電抗是阻抗的虛部。電阻 {\displaystyle R} $R$ 與電抗 {\displaystyle X} $X$ 共同設(shè)定阻抗的大小和相位：

{\displaystyle Z_={\sqrt }}={\sqrt +X^}}} $Z_={\sqrt }}={\sqrt +X^}}$ 、

{\displaystyle \theta =\arctan {\left({\frac }\right)}} $\theta =\arctan {\left({\frac }\right)}$ 。

具有有限電抗的電路元件，會使得其兩端的電壓與通過的電流發(fā)生相位差 {\displaystyle \theta } $\theta$ ：

{\displaystyle X=Z_\sin \theta } $X=Z_\sin \theta$ 。

運作時，純電抗元件會交替地從電路吸收電能，然后又將電能還給電路；純電抗元件不會耗散任何電能。

容抗

電介質(zhì)分子因為電子受到電場影響，使得分子偏離平衡位置。為了方便說明，本圖將電介質(zhì)和電極的空隙加大，實際上電介質(zhì)會直接和電極接觸。

主條目：電容

理想電容器的阻抗是虛數(shù)，不具有實部，其虛部稱為“容抗”，與信號的角頻率成反比。電容器是由兩塊導(dǎo)體和夾在中間的電介質(zhì)構(gòu)成，其容抗為

{\displaystyle X_=-1/\omega C} $X_=-1/\omega C$ 。

從這方程可以觀察到，當交流電源的角頻率 {\displaystyle \omega } $\omega$ 趨向于零時，電源會趨向于直流電源，容抗會趨向于負無窮大，假設(shè)給定電壓源振幅，則電流會趨向于零。所以，在低頻率運作時，電容器貌似斷路。假設(shè)電源的頻率越高，則容抗越低，對于電流通過的阻礙也越低。在高頻率運作時，電容器貌似短路。

更詳細地描述，假設(shè)連接直流電流源于平行板電容器的兩端，由于電容器中有絕緣的電介質(zhì)阻隔，電荷無法穿過電容器，電容器的一塊平行板會累積正電荷,另一塊平行板會累積負電荷。這過程稱為“充電”。注意到在這充電過程，整個電容器仍舊維持電中性。分別累積于兩塊平行板的正電荷和負電荷會產(chǎn)生電場。依照不同的電介質(zhì)屬性而定，這電場會將電介質(zhì)的正負電荷稍微分開，或者按照電場方向改變每一個電介質(zhì)分子的定向，將電介質(zhì)電極化，這會在電介質(zhì)的表面形成面束縛電荷與其對應(yīng)的感應(yīng)電場，其方向與原本電場相反，因此減弱原本電場的實際作用，所以電介質(zhì)可以增加電容器的電容。由于電容器的總電場，電容器的兩塊平行板之間會出現(xiàn)電壓。等到這電壓不再變動之后，通過電容器的電流會等于零，所以，一般會說電容器不允許直流電流通過。

假設(shè)連接交流電流源或交流電壓源于平行板電容器的兩端，由于電流會周期性的變換方向，交流電流會輪流對電容器的兩塊平行板充電和放電，處于兩塊平行板的電荷會周期性的變化，因此在一個周期內(nèi)，除了電流由正變負（或由負變正）的那一瞬間之外，通過電容器的電流均不為零。因此，一般認為電容器可允許交流電流通過。注意到電容器只能夠累積有*的電荷。

感抗

主條目：電感

理想電感器的阻抗是虛數(shù)，不具有實部，其虛部稱為“感抗”，與信號的角頻率成正比：

{\displaystyle X_=\omega L} $X_=\omega L$ ；

其中，{\displaystyle X_} $X_$ 是感抗。

從這方程可以觀察到，當交流電源的角頻率趨向于零時，電源會趨向于直流電源，感抗會趨向于零，對于電流的通過阻礙越低。所以，在低頻率運作時，電感器貌似短路。假設(shè)電源角頻率越高，則感抗越高，假設(shè)給定電壓源振幅，則電流會趨向于零。所以，在高頻率運作時，電感器貌似斷路。

電感器是一個線圈導(dǎo)體。根據(jù)法拉第感應(yīng)定律，通過載流循環(huán)的磁通量變率，會生成的感應(yīng)電動勢為

{\displaystyle {\mathcal }=-{{\operatorname \Phi _} \over \operatorname t}} ${\mathcal }=-{{\operatorname \Phi _} \over \operatorname t}$ ；

其中，{\displaystyle {\mathcal }} ${\mathcal }$ 是感應(yīng)電動勢，{\displaystyle \Phi _} $\Phi_B$ 是磁通量。

假設(shè)電感器的線圈匝數(shù)是 {\displaystyle N} $N$ ，則感應(yīng)電動勢為

{\displaystyle {\mathcal }=-N{\operatorname \Phi _ \over \operatorname t}} ${\mathcal }=-N{\operatorname \Phi _ \over \operatorname t}$ 。

感應(yīng)電動勢會阻礙電流流動。常定直流電所產(chǎn)生的磁場，其通過線圈的磁通量是個常數(shù)，變率為零，感應(yīng)電動勢也為零。所以，常定直流電會將電感器視為短路（通常電感器的材質(zhì)為低電阻率材料）。交流電變率的時間平均值跟頻率成正比，因此感抗與頻率也成正比。

阻抗組合

主條目：串聯(lián)電路和并聯(lián)電路

應(yīng)用串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的阻抗計算定則，就可以計算出簡單電路的總阻抗。除了阻抗是復(fù)數(shù)以外，這定則與串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的電阻計算定則等同。但是，對于一般電路案例，還需要通過等效阻抗轉(zhuǎn)換（equivalent impedance transform）這一道步驟。

星形電路和三角形電路示意圖。

具有多于兩個終端點的阻抗電路，無法約化為只具有一個阻抗元件的等效電路；具有 {\displaystyle n} $n$ 個終端點的阻抗電路，{\displaystyle n>2} $n>2$ ，zui少只能約化為具有 {\displaystyle n} $n$ 個阻抗元件的等效電路。三終端點電路可以約化為具有三個節(jié)點的三角形電路或具有四個節(jié)點的星形電路。這兩種等價電路可以互相變換。具有任意個終端點的一般電路，只靠串聯(lián)和并聯(lián)組和，無法約化為具有zui少個阻抗元件的電路（稱為“zui少電路”）；通常，還必需使用角星變換和星角變換。理論上，可以證明這些變換足夠找到zui少電路；不須要任何其他種復(fù)雜變換。

串聯(lián)電路

以串聯(lián)方式相連接的元件。

假設(shè)一個電路的元件是以串聯(lián)方式相連接，則通過每一個元件的電流都相等，等效阻抗是每一個元件的阻抗的總和：

{\displaystyle Z_\ {\stackrel }\ Z_+Z_+\cdots +Z_} $Z_}\ {\stackrel }\ Z_+Z_+\cdots +Z_$ ；

其中，{\displaystyle Z_} $Z_}$ 是等效阻抗，{\displaystyle Z_} $Z_$ 是第 {\displaystyle i} $i$ 個元件的阻抗。

以實部項目和虛部項目表示，

{\displaystyle Z_=R_+jX_=(R_+R_+\cdots +R_)+j(X_+X_+\cdots +X_)} $Z_}=R_}+jX_}=(R_+R_+\cdots +R_)+j(X_+X_+\cdots +X_)$ 。

并聯(lián)電路

以并聯(lián)方式相連接的元件。

假設(shè)一個電路的元件是以并聯(lián)方式相連接，則每一個元件兩端的電壓都相等，每一個元件的阻抗的倒數(shù)，總和起來就是等效阻抗的倒數(shù)：

{\displaystyle {\frac }}\ {\stackrel }\ {\frac }}+{\frac }}+\cdots +{\frac }}} ${\frac }}}\ {\stackrel }\ {\frac }}+{\frac }}+\cdots +{\frac }}$ 。

對于 {\displaystyle n=2} $n=2$ 案例，

{\displaystyle Z_={\frac Z_}+Z_}}} $Z_}={\frac Z_}+Z_}}$ 。

以實部項目 {\displaystyle R_} $R_}$ 和虛部項目 {\displaystyle X_} $X_}$ 表示，

{\displaystyle Z_=R_+jX_} $Z_}=R_}+jX_}$ ；

其中，

{\displaystyle R_={\frac R_+X_R_)(X_+X_)+(R_R_-X_X_)(R_+R_)}+R_)^+(X_+X_)^}}} $R_}={\frac R_+X_R_)(X_+X_)+(R_R_-X_X_)(R_+R_)}+R_)^+(X_+X_)^}}$ 、

{\displaystyle X_={\frac R_+X_R_)(R_+R_)-(R_R_-X_X_)(X_+X_)}+R_)^+(X_+X_)^}}} $X_}={\frac R_+X_R_)(R_+R_)-(R_R_-X_X_)(X_+X_)}+R_)^+(X_+X_)^}}$ 。

測量

當測量電路元件的阻抗時，必需先了解測量值與真實值之間可能會出現(xiàn)的差別。這是因為測量儀器本身的殘余阻抗和測量的準確度問題。給定已知阻抗真實值的元件，然后比較其測量值與真實值，就可以知道這測量方法的優(yōu)劣。

測量阻抗的方法有很多種，例如，電橋法、諧振法、電壓-電流法、阻抗頻譜法等等^[7]^[8]。每一種方法都有其優(yōu)點和缺點。測量者可以選擇的方法。

電橋法

交流電橋電路圖

交流電橋貌似惠斯登橋，可以用來測量阻抗。將交流電源連接于交流電橋兩端，電橋的四個元件的阻抗分別為 {\displaystyle Z_} $Z_$ ，{\displaystyle Z_} $Z_$ ，{\displaystyle Z_} $Z_$ ，{\displaystyle Z_} $Z_$ 。在BD兩點之間的偵測器可以是耳機或交流檢流器。當電橋達成平衡狀態(tài)時，BD兩點之間的電壓為零，交流檢流器測量出的電流也會為零，未知元件與另外三個元件之間關(guān)于阻抗的關(guān)系為

{\displaystyle Z_=Z_Z_/Z_} $Z_=Z_Z_/Z_$ ，

以相量表示，

{\displaystyle Z_=|Z_|\angle \theta _=|Z_Z_/Z_|\angle (\theta _+\theta _-\theta _)} $Z_=|Z_|\angle \theta _=|Z_Z_/Z_|\angle (\theta _+\theta _-\theta _)$ 。

這方法歷史悠久，很容易制作成品儀器，費用低廉，準確率高；但是，不能夠自動化，必需手工調(diào)整已知阻抗來達成平衡，而且電橋的測量頻域比較狹窄。

諧振法

諧振法電路圖

諧振法依賴RLC串聯(lián)電路在共振狀況的物理行為來測量元件的阻抗。這方法使用到品質(zhì)因子（Q factor） {\displaystyle Q} $Q$ 的概念。一個RLC串聯(lián)電路的品質(zhì)因子是其共振頻率與帶寬的比率。這比率又可以證明為等于其電容器或電感器的電抗與電阻的比率。所以，使用測Q計（Q meter）測量一電路元件所得到的 {\displaystyle Q} $Q$ 值，等于這電路元件的電抗除以電路的電阻^[8]。

施加正弦電壓源于電路。設(shè)定測試的頻率為 {\displaystyle \omega } $\omega$ 。阻抗測試分為兩個步驟：

調(diào)整可調(diào)電容器的電容 {\displaystyle C} $C$ ，使得RLC電路進入共振狀況。用測Q計測量電容器的品質(zhì)因子 {\displaystyle Q} $Q$ 。
如右圖所示，將阻抗為 {\displaystyle Z_} $Z_$ 的被測元件串聯(lián)于RLC電路，調(diào)整可調(diào)電容器的電容 {\displaystyle C'} $C'$ ，使得電路進入共振狀況。用測Q計測量電容器的品質(zhì)因子 {\displaystyle Q'} $Q'$ 。

對于*個共振狀況，可調(diào)電容器的電抗 {\displaystyle X_} $X_}$ 與電感器的電抗 {\displaystyle X_} $X_$ 之間的關(guān)系為

{\displaystyle X_+X_=0} $X_}+X_=0$ 。

所以，

{\displaystyle {\frac {\omega C}}=\omega L} ${\frac {\omega C}}=\omega L$ 。

從前面關(guān)于品質(zhì)因子的論述，可以寫出

{\displaystyle Q={\frac |}}={\frac {\omega CR}}={\frac {\omega L}}} $Q={\frac }|}}={\frac {\omega CR}}={\frac {\omega L}}$ 。

對于第二個共振狀況，被測元件的電抗 {\displaystyle X_} $X_$ 為

{\displaystyle X_+X_+X_=0} $X_}+X_+X_=0$ 。

所以，被測元件的電抗為

{\displaystyle X_={\frac {\omega C'}}-\omega L={\frac {\omega C'}}-{\frac {\omega C}}={\frac {\omega CC'}}} $X_={\frac {\omega C'}}-\omega L={\frac {\omega C'}}-{\frac {\omega C}}={\frac {\omega CC'}}$ ，

品質(zhì)因子為

{\displaystyle Q'={\frac |}+R}}={\frac {\omega C'(R_+R)}}} $Q'={\frac }|}+R}}={\frac {\omega C'(R_+R)}}$ 。

所以，被測元件的電阻為

{\displaystyle R_={\frac {\omega C'Q'}}-{\frac {\omega CQ}}} $R_={\frac {\omega C'Q'}}-{\frac {\omega CQ}}$ 。

被測元件的阻抗為

{\displaystyle Z_=R_+jX_=\left({\frac {\omega C'Q'}}-{\frac {\omega CQ}}\right)+j\left({\frac {\omega C'}}-{\frac {\omega C}}\right)} $Z_=R_+jX_=\left({\frac {\omega C'Q'}}-{\frac {\omega CQ}}\right)+j\left({\frac {\omega C'}}-{\frac {\omega C}}\right)$ 。

這方法可以用于測量高品質(zhì)因子的元件。但是，必需手工調(diào)整來達成共振。

參閱

阻抗匹配
阻抗心動描記術(shù)（impedance cardiography）
阻抗電橋（impedance bridging）
特性阻抗（characteristic impedance）
負阻抗變換器（impedance bridging）

導(dǎo)抗
	實數(shù)	虛數(shù)	復(fù)數(shù)	單位
抗性	電阻（R）	電抗（X）	阻抗（Z）	歐姆（Ω）
導(dǎo)性	電導(dǎo)（G）	電納（B）	導(dǎo)納（Y）	西門子（S）

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