Zamówienia złożone do 13:00 w dni robocze wysyłamy tego samego dnia!
Zapisz na liście zakupowej
Stwórz nową listę zakupową

Co to jest impedancja i Ohm?

2025-01-27
Co to jest impedancja i Ohm?

Dobór kabli, podobnie jak wiele innych czynności w życiu, staje się znacznie prostszy, jeśli poznasz ich działanie „od kuchni”, mierząc się z takimi pojęciami jak impedancja i Ohm. Jeżeli przysypiałeś na lekcjach fizyki, pojęcia te raczej wiele Ci nie mówią. Zresztą, nawet jeżeli należałeś do grona uczniów piątkowych, lekkie przypomnienie może okazać się niezbędne. A więc przekonajmy się, czym jest impedancja oraz Ohm, oraz jak wpływają na sygnał audio i oraz wideo.

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Chcesz zgłębić tajniki pojęć takich jak impedancja oraz Ohm i stać się specem od doboru kabli głośnikowych (i nie tylko!)? Zajrzyj więc do tego wpisu w którym:

  • Dowiesz się, skąd wzięło się pojęcie Ohm i co oznacza.
  • Odkryjesz, jak działa impedancja i dlaczego jest istotną kwestią w elektrotechnice.
  • Zdobędziesz wiedzę na temat tego, jak impedancja oraz Ohm powinny być brane pod uwagę przy doborze kabli umożliwiających np. podłączenie głośników.

Dlaczego zaczęto mówić o Omach?

Żeby poznać początki pojęcia Om (taka jest polska pisownia tej wartości),  bez którego nie zrozumiemy w pełni, na jakiej zasadzie działa impedancja, musimy cofnąć się w czasie o prawie 200 lat. Wtedy to w kraju, którego mieszkańcy posługują się językiem, w którym nawet słowo „motyl” brzmi jak wyrok skazujący (tak, chodzi oczywiście o Niemcy!) żył niejaki Georg Simon Ohm. Ohm z pasji oraz zawodu był fizykiem, którego szczególnie interesowała zależność pomiędzy napięciem, prądem oraz oporem w obwodach elektrycznych.

Obwód w elektronice

Niemiecki fizyk przez wiele lat zgłębiał to zagadnienie, eksperymentując na różnych materiałach przewodzących. Testując poszczególne kombinacje przewodników, badał wartości napięcia i prądu w zależności od ich rodzajów. Te mniej lub bardziej udane eksperymenty ostatecznie doprowadziły do stworzenia przełomowego dzieła zatytułowanego poetycko „Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet" , co w naszej pięknej mowie oznacza mniej więcej „Obwód galwaniczny, opracowany matematycznie".

Określiliśmy książkę Ohma mianem przełomowego, jednak używamy tego określenia tylko dzięki perspektywie czasu. W chwili wydania książki na rewolucyjne odkrycia badacza kręcono nosem. Powodem było prawdopodobnie wykształcenie George’a, który był „zaledwie” matematykiem. Wykorzystywanie matematycznych metod do zgłębiania tajnik prądu i napięcia prawdopodobnie było wtedy dla prawdziwych fizyków przez duże F czymś mało rozsądnym, jeśli nie wręcz bezsensownym. Myślano więc o Ohmie z jego odkryciami jako o kimś w rodzaju chłopka-roztropka, co to nie dość, że pakuje się z brudnymi butami do ich ulubionego salonu, to jeszcze przestawia meble. 

Ostatecznie prawo Ohma zostało naukowo docenione i w 1861 roku jednostka oporu elektrycznego została ochrzczona jego nazwiskiem. Natomiast 10 lat później Międzynarodowy Kongres Elektryczny przyjął om (Ω) jako jednostkę w oficjalnym międzynarodowym układzie miar.

Ohm symbol

Ostatecznie prawo Ohma zostało naukowo docenione i w 1861 roku jednostka oporu elektrycznego została ochrzczona jego nazwiskiem. Natomiast 10 lat później Międzynarodowy Kongres Elektryczny przyjął om (Ω) jako jednostkę w oficjalnym międzynarodowym układzie miar.

Jakie zastosowanie ma Prawo Ohma w elektrotechnice?

Wiemy już, że prawo Ohma jest niezwykle istotne, jeżeli chcemy w pełni zrozumieć kwestie związane z przepływem energii w obwodach prądu stałego. Na czym więc polega? 

Według prawa Ohma napięcie w obwodzie jest zawsze proporcjonalne do natężenia prądu przepływającego przez opór. Prawo wyrażane jest przez równanie V=IR w którym:

  • V to napięcie (mierzone w woltach),
  • I to natężenie prądu (mierzone w amperach),
  • R to rezystancja (mierzona w omach).

Dlaczego prawo Ohma jest tak istotne w świecie elektryki? Dzięki niemu można między innymi projektować oraz analizować obwody elektryczne. W związku z tym, że prawo Ohma pozwala wyliczyć jedną z wartości na podstawie pozostałych dwóch wiadomych, znacznie łatwiejsze jest dobieranie odpowiednich komponentów (takich jak np. rezystory), by zapewnić prawidłowe działanie urządzeń. Z tego samego powodu prawo Ohma pozwala ustalić z wyprzedzeniem, jak zmiana jednego z parametrów (np. napięcia) wpłynie na pozostałe wartości, takie jak natężenie prądu. Szczególnie przydaje się to do zapobiegania uszkodzeń powstających z powodu zbyt dużego napięcia bądź natężenia prądu.

Prawo Ohma

Wartość impedancji — kluczowa kwestia w obwodach prądu przemiennego

Kolejny istotny parametr, który ma bardzo duże znaczenie na działanie sprzętu elektronicznego oraz elektrycznego to impedancja. Najprościej rzecz ujmując, to rozszerzona wersja pojęcia rezystancji (oporu biernego). Jak bardzo impedancja rozbudowuje pojęcie rezystancji? Otóż, o ile rezystancja bierze pod uwagę tylko opór w przypadku prądu stałego, impedancja uwzględnia również dodatkowe efekty powodowane specyficznym działaniem prądu zmiennego. Na impedancję składają się następujące elementy.

  • Rezystancja (R), czyli stały opór materiału przewodnika, który zamienia energię elektryczną na ciepło.
  • Reaktancja (X) wynikającą z obecności elementów indukcyjnych (cewek) i pojemnościowych (kondensatorów) w obwodzie. Reaktancja dzieli się na:
    • Reaktancja indukcyjna (Xl) związaną z indukcyjnością, rosnącą wraz z częstotliwością prądu,
    • Reaktancja pojemnościowa (Xc) odnoszącą się do pojemności, malejącą wraz z częstotliwością prądu.

Wzór na impedancję w obwodach prądu przemiennego to: Z=R2+(XL−XC)2. Natomiast impedancja w zapisie zespolonym może być wyrażona jako Z=R+j(Xl−Xc) 

Symbole w tym równaniu to:

  • R to rezystancja,
  • X to reaktancja,
  • j to jednostka albo część urojona (√-1).

Teoria impedancji może przyprawiać o ból głowy osoby nienależące do grona fanów fizyki. Na szczęście, kupując kabel czy sprzęt elektroniczny, nie musimy odkurzać umiejętności z liceum i ślęczeć nad kalkulatorem — producenci sprzętu sami dla nas wszystko wyliczyli. My musimy tylko zwrócić uwagę na wartości odpowiednich parametrów.  Dlaczego ich wysokość jest istotna i kiedy warto na nią zwrócić uwagę?

Dlaczego impedancja jest istotna przy wyborze kabli?

Bez kabli w przypadku elektryki oraz elektroniki daleko nie zajedziemy. Ich zadaniem jest w końcu przesyłanie energii lub sygnału z minimalnymi stratami oraz zniekształceniami. Takie działanie nie będzie możliwe, jeżeli zignorujemy zjawisko impedancji. Jak więc wielkość charakteryzująca zależność między natężeniem prądu i napięciem w obwodach prądu przemiennego konkretnie wpływa na poprawny dobór kabli?

Kable audio i impedancja

Dopasowywanie kabli i sprzętu o niskiej impedancji i wyższej impedancji

Gdy korzystamy z systemów przesyłających sygnały, takich jak telewizja, sprzęt audio, czy sieci komputerowe, konieczne jest dopasowanie impedancji kabla do impedancji źródła oraz odbiornika. Jeżeli postanowisz zignorować tę kwestię, doprowadzi to tzw. odbić sygnału. Dlaczego chcemy tego uniknąć? Cóż, powoduje to spadek jednakowo jakości oraz mocy sygnału, co skutkuje znacznie gorszą jakością dźwięku, obrazu czy też samej pracy urządzenia. Dlatego też np. w systemach audio impedancja głośnika musi być zgodna z impedancją wzmacniacza. W ten sposób przesunięcia fazowe zostają zminimalizowane, a jakość działania urządzenia pozostaje na wysokim poziomie. Dopasowanie impedancji jest tak istotne, gdyż jego brak może nawet doprowadzić do uszkodzenia urządzeń!

Impedancja a straty w energii

Impedancja nie pozostaje bez wpływu na straty energii w kablach. Wysoka rezystancja (będąca stałym elementem impedancji) nieodmiennie zawsze doprowadzi do większych strat cieplnych. W związku z tym w przypadku gdy w grę wchodzi przesyłanie np. większego poziomu mocy, zastosowane zostają kable o niskim współczynniku impedancji. Zazwyczaj wykonywane są z materiałów takich jak miedź. W obwodach prądu stałego straty te stosunkowo łatwo przewidzieć. Problem pojawia się natomiast w przypadku obwodów prądu przemiennego, gdzie dodatkowe efekty reaktancyjne (czyli oporu biernego) mogą zwiększyć straty cieplne.

Jak częstotliwość sygnału wpływa na optymalny moduł impedancji?

Zjawisko impedancji wpływa również na kwestię częstotliwości, w jakiej przesyłane są sygnały. Im wyższa częstotliwość (charakterystyczna dla sygnałów radiowych czy internetowych), tym opór bierny odgrywa większą rolę. W związku z tym kable muszą być projektowane tak, by minimalizować zjawiska typu zakłócenia elektromagnetyczne bądź inne czynniki wpływające na wytłumienie sygnału.

Co to oznacza w praktyce dla producentów kabli? Muszą oni dopasować wartość modułu impedancji kabla do częstotliwości sygnału, co pozwala uniknąć strat sygnału. Czyli, w przypadku wyższej częstotliwości niezbędne jest zaprojektowanie kabla o wyższej impedancji.

Długie kable

Przepływ prądu i sygnału na dłuższą odległość: jak uniknąć przesunięcia fazowego?

Pojęcie impedancji staje się tym istotniejsze, im dłuższy jest dany przewód.  Mówiąc krótko, podłączenie wzmacniacza o wyższej impedancji kablem niższej impedancji na długim dystansie (czyli powyżej 10 metrów) sprawi, że dźwięk będzie pozostawiał wiele do życzenia. Z kolei podłączenie głośników o niskiej impedancji kablem wyższej impedancji może nawet doprowadzić do uszkodzenia sprzętu! Warto o tym pamiętać, by oszczędzić sobie bólu głowy związanego z wymianą sprzętu na nowy, tylko dlatego, że zapomnieliśmy sprawdzić, jaka jest impedancja głośnika czy impedancja wzmacniacza.

Podsumowanie: jak uwzględniać impedancję w doborze kabli do sprzętu audio (i nie tylko!)

Powyższe akapity zawarły iście potężną dawkę informacji teoretycznych. Żeby się w tym wszystkim nie pogubić, przedstawiamy na koniec podsumowanie tego, jak wartość impedancji należy brać pod uwagę, wybierając kable i przewody, by uzyskać optymalną jakość dźwięku czy obrazu oraz nie spalić swojego sprzętu. Przeglądając kable do zakupu do swoich urządzeń elektronicznych, zwróć uwagę na następujące kwestie.

  • Sprawdź, czy będziesz przesyłać sygnał analogowy, cyfrowy, czy też może energię elektryczną. Jeżeli interesuje cię sygnał analogowy taki jak sygnał audio, potrzebny ci kabel o precyzyjnie dobranej impedancji. Tylko w ten sposób unikniesz szeroko pojętej straty jakości dźwięku.
  • Jak już wspominaliśmy, wartość impedancji należy dostosować do częstotliwości. Dotyczy to zwłaszcza wysokich częstotliwości, w przypadku których stosowane kabli o kontrolowanej impedancji jest wręcz niezbędne do prawidłowego funkcjonowania.  W takich przypadkach wartość modułu impedancji powinna być dopasowana do charakterystyki przesyłanego sygnału i odbiornika.
  • Impedancja kabli to nie wszystko. Istotna jest też impedancja głośnika, jeżeli planujesz podłączyć do niego np. wzmacniacz. Upewnij się, że impedancja kabla jest zgodna z impedancją źródła i odbiornika. Ich wartości impedancji muszą być zgodne i aby zapewnić optymalne natężenie prądu i uniknąć niepotrzebnych przesunięć fazowych.
  • Przy podłączaniu sprzętu na bardzo krótki dystans (poniżej 5 metrów)  impedancja — choć odgrywa pewną rolę — nie jest aż tak bardzo istotna. Trzeba jednak pamiętać, że im dłuższy kabel, tym większe znaczenie mają jego parametry elektryczne. Przy dużych odległościach konieczne jest zastosowanie kabli o niskiej impedancji, aby zminimalizować straty energetyczne i utrzymać jakość sygnału.
  • W warunkach narażonych na zakłócenia elektromagnetyczne warto stosować kable ekranowane. W obwodach prądu przemiennego (sinusoidalnie zmiennego)  szczególnie ważne jest uwzględnienie przesunięcia fazowego i tłumienia sygnału. Odpowiednio ekranowany kabel zredukuje ryzyko pojawienia się takich problemów, dodatkowo wzmacniając pozytywny efekt, jaki przynosi kabel charakteryzowany przez odpowiednio dobrany moduł impedancji.
  • Kable wykonane z wysokiej jakości miedzi zapewniają niską rezystancję, co jest kluczowe w przypadku przesyłania większej mocy i sygnałów wysokiej jakości. Jeżeli chcesz mieć pewność, że nabywasz przewód odpowiedniej jakości, postaw na kable z miedzi odtlenionej!

Impedancja głośnika, przewodu czy wzmacniacza ma bezpośredni wpływ na jakość dźwięku. Im lepiej dopasowana, tym mniejsze zniekształcenia sygnału, czyli, innymi słowy, lepszy dźwięk czy obraz generowany przez urządzenie. Gdy więc zależy ci na tym, by wydobyć ze swojego sprzętu pełnię możliwości, warto zwrócić uwagę na ten element!

Pokaż więcej wpisów z Styczeń 2025
pixel