reactancia eléctrica

En los circuitos eléctricos, la reactancia es la oposición que presentan la inductancia y la capacitancia a la corriente alterna . ^{[ 1 ]} Se mide en ohmios . ^{[ 1 ]} Junto con la resistencia, es uno de los dos elementos de la impedancia ; sin embargo, mientras que ambos elementos implican la transferencia de energía eléctrica, en la reactancia no se produce disipación de energía eléctrica en forma de calor ; en cambio, la reactancia almacena energía hasta un cuarto de ciclo después, cuando la energía se devuelve al circuito. Una mayor reactancia produce una menor corriente para el mismo voltaje aplicado .

La reactancia se utiliza para calcular los cambios de amplitud y fase de una corriente alterna sinusoidal que atraviesa un elemento de circuito. Al igual que la resistencia, la reactancia se mide en ohmios , donde los valores positivos indican reactancia inductiva y los negativos indican reactancia capacitiva . Se denota con el símbolo ⁠${\displaystyle X}$Un resistor ideal tiene reactancia cero , mientras que los reactores ideales no tienen conductancia en paralelo ni resistencia en serie. A medida que aumenta la frecuencia , la reactancia inductiva aumenta y la reactancia capacitiva disminuye.

La reactancia es similar a la resistencia en el sentido de que una mayor reactancia produce corrientes menores para la misma tensión aplicada. Además, un circuito compuesto únicamente por elementos con reactancia (y sin resistencia) puede tratarse de la misma manera que un circuito compuesto únicamente por resistencias. Estas mismas técnicas también pueden utilizarse para combinar elementos con reactancia con elementos con resistencia, aunque normalmente se requieren números complejos . Este tema se trata más adelante en la sección sobre impedancia .

Existen varias diferencias importantes entre reactancia y resistencia. En primer lugar, la reactancia modifica la fase, de modo que la corriente que atraviesa el elemento se desfasa un cuarto de ciclo con respecto a la fase de la tensión aplicada. En segundo lugar, en un elemento puramente reactivo, la potencia no se disipa, sino que se almacena. En tercer lugar, las reactancias pueden ser negativas, de manera que se anulan entre sí. Finalmente, los principales elementos de circuito que presentan reactancia (condensadores e inductores) tienen una reactancia dependiente de la frecuencia, a diferencia de las resistencias, que mantienen la misma resistencia para todas las frecuencias, al menos en el caso ideal.

El término reactancia fue sugerido por primera vez por el ingeniero francés Édouard Hospitalier en L'Industrie Electrique el 10 de mayo de 1893. Fue adoptado oficialmente por el Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos en mayo de 1894. ^{[ 2 ]}

Un capacitor consta de dos conductores separados por un aislante , también conocido como dieléctrico .

La reactancia capacitiva es una oposición al cambio de voltaje a través de un elemento. Reactancia capacitiva${\displaystyle X_{C}}$es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal${\displaystyle f}$(o frecuencia angular)${\displaystyle \omega }$) y la capacitancia${\displaystyle C}$⁠ . ^{[ 3 ]}

En la literatura existen dos opciones para definir la reactancia de un capacitor. Una consiste en utilizar una noción uniforme de reactancia como la parte imaginaria de la impedancia, en cuyo caso la reactancia de un capacitor es el número negativo, ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}$${\displaystyle X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}=-{\frac {1}{2\pi fC}}.}$$

Otra opción es definir la reactancia capacitiva como un número positivo, ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}$${\displaystyle X_{C}={\frac {1}{\omega C}}={\frac {1}{2\pi fC}}.}$$

En este caso, sin embargo, hay que recordar añadir un signo negativo para la impedancia de un condensador, es decir :${\displaystyle Z_{c}=-jX_{c}}$⁠ .

En​${\displaystyle f=0}$⁠ , la magnitud de la reactancia del condensador es infinita, comportándose como un circuito abierto (impidiendo que fluya corriente a través del dieléctrico). A medida que aumenta la frecuencia, la magnitud de la reactancia disminuye, permitiendo que fluya más corriente. A medida que${\displaystyle f}$enfoques​${\displaystyle \infty }$⁠ , la reactancia del condensador se aproxima ⁠${\displaystyle 0}$⁠ , comportándose como un cortocircuito .

La aplicación de un voltaje de corriente continua a través de un condensador provoca la acumulación de carga positiva en un lado y de carga negativa en el otro; el campo eléctrico generado por la carga acumulada es la fuente de la oposición a la corriente. Cuando el potencial asociado a la carga se equilibra exactamente con el voltaje aplicado, la corriente se anula.

Alimentado por una fuente de corriente alterna ( fuente de corriente alterna ideal ), un condensador solo acumulará una cantidad limitada de carga antes de que la diferencia de potencial cambie de polaridad y la carga regrese a la fuente. Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la carga acumulada y menor la oposición a la corriente.

La reactancia inductiva es una propiedad de un inductor, y se basa en el hecho de que una corriente eléctrica produce un campo magnético a su alrededor. En un circuito de corriente alterna (aunque este concepto se aplica siempre que la corriente varíe), este campo magnético cambia constantemente como resultado de la oscilación de la corriente. Es este cambio en el campo magnético el que induce otra corriente eléctrica en el mismo conductor —denominada fuerza contraelectromotriz (FEM) — en una dirección que se opone al flujo de la corriente que originalmente produjo el campo magnético ( ley de Lenz ). Por lo tanto, la reactancia inductiva es una oposición al cambio de corriente que atraviesa un elemento.  

En un circuito de corriente alterna, el efecto inhibidor sobre la variación de la corriente produce un retardo, o desfase, de la corriente alterna con respecto a la tensión alterna. En concreto, un inductor ideal (sin resistencia) provoca que la corriente se retrase un cuarto de ciclo, o 90°, con respecto a la tensión.

En los sistemas de energía eléctrica, la reactancia inductiva (y la capacitiva, aunque la inductiva es más común) puede limitar la capacidad de potencia de una línea de transmisión de CA, ya que la potencia no se transfiere completamente cuando la tensión y la corriente están desfasadas (como se detalló anteriormente). Es decir, la corriente fluirá en un sistema desfasado, pero la potencia real no se transferirá en ciertos momentos, porque habrá puntos en los que la corriente instantánea sea positiva mientras que la tensión instantánea sea negativa, o viceversa, lo que implica una transferencia de potencia negativa. Por lo tanto, no se realiza trabajo real cuando la transferencia de potencia es "negativa". Sin embargo, la corriente sigue fluyendo incluso cuando un sistema está desfasado, lo que provoca que las líneas de transmisión se calienten debido al flujo de corriente. En consecuencia, las líneas de transmisión solo pueden calentarse hasta cierto punto (de lo contrario, se combarían demasiado debido a la dilatación del metal por el calor), por lo que los operadores de líneas de transmisión tienen un "límite" en la cantidad de corriente que puede fluir a través de una línea determinada, y una reactancia inductiva excesiva puede limitar la capacidad de potencia de una línea. Las compañías eléctricas utilizan condensadores para modificar la fase y minimizar las pérdidas, en función de los patrones de uso.

reactancia inductiva${\displaystyle X_{L}}$es proporcional a la frecuencia de la señal sinusoidal${\displaystyle f}$y la inductancia${\displaystyle L}$, que depende de la forma física del inductor: $${\displaystyle X_{L}=\omega L=2\pi fL.}$$

La corriente promedio que fluye a través de una inductancia${\displaystyle L}$en serie con una fuente de voltaje CA sinusoidal de amplitud RMS${\displaystyle A}$y frecuencia${\displaystyle f}$es igual a: $${\displaystyle I_{L}={A \over \omega L}={A \over 2\pi fL}.}$$

Debido a que una onda cuadrada tiene múltiples amplitudes en armónicos sinusoidales , la corriente promedio que fluye a través de una inductancia${\displaystyle L}$en serie con una fuente de voltaje CA de onda cuadrada de amplitud RMS${\displaystyle A}$y frecuencia${\displaystyle f}$es igual a: $${\displaystyle I_{L}={A\pi ^{2} \over 8\omega L}={A\pi \over 16fL},}$$ haciendo que parezca que la reactancia inductiva a una onda cuadrada es aproximadamente un 19% menor.${\displaystyle X_{L}={16 \over \pi }fL}$ que la reactancia a la onda sinusoidal de CA.

Todo conductor de dimensiones finitas posee inductancia; esta inductancia aumenta debido a las múltiples espiras en una bobina electromagnética . La ley de inducción electromagnética de Faraday proporciona la fuerza contraelectromotriz.${\displaystyle {\mathcal {E}}}$(voltaje opuesto a la corriente) debido a una tasa de cambio de la densidad de flujo magnético${\displaystyle \scriptstyle {B}}$a través de un bucle de corriente: $${\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{B}} \over dt}.}$$

Para un inductor que consta de una bobina con${\displaystyle N}$bucles que dan como resultado: $${\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{d\Phi _{B} \over dt}.}$$

La fuerza contraelectromotriz es la fuente de la oposición al flujo de corriente. Una corriente continua constante tiene una tasa de cambio nula y percibe un inductor como un cortocircuito (generalmente está hecho de un material de baja resistividad ). Una corriente alterna tiene una tasa de cambio promedio en el tiempo que es proporcional a la frecuencia, lo que provoca un aumento de la reactancia inductiva con la frecuencia.

Ambos reactancias${\displaystyle X}$y resistencia${\displaystyle R}$son componentes de impedancia${\displaystyle \mathbf {Z} }$:​ $${\displaystyle \mathbf {Z} =R+\mathbf {j} X,}$$ dónde:

• ${\displaystyle \mathbf {Z} }$es la impedancia compleja , medida en ohmios ;
• ${\displaystyle R}$es la resistencia , medida en ohmios; es la parte real de la impedancia.${\displaystyle {R={\text{Re}}{(\mathbf {Z} )}}}$;
• ${\displaystyle X}$es la reactancia, medida en ohmios; es la parte imaginaria de la impedancia.${\displaystyle {X={\text{Im}}{(\mathbf {Z} )}}}$; y
• ${\displaystyle \mathbf {j} }$es la raíz cuadrada de menos uno , generalmente representada por${\displaystyle \mathbf {i} }$en fórmulas no eléctricas.${\displaystyle \mathbf {j} }$se utiliza para no confundir la unidad imaginaria con la corriente, comúnmente representada por ⁠${\displaystyle \mathbf {i} }$⁠ .

Cuando un condensador y un inductor se colocan en serie en un circuito, sus contribuciones a la impedancia total del circuito son opuestas. Reactancia capacitiva${\displaystyle X_{C}}$y reactancia inductiva${\displaystyle X_{L}}$contribuir a la reactancia total${\displaystyle X}$como sigue: $${\displaystyle {X=X_{L}+X_{C}=\omega L-{\frac {1}{\omega C}}},}$$ dónde:

• ${\displaystyle X_{L}}$es la reactancia inductiva , medida en ohmios;
• ${\displaystyle X_{C}}$es la reactancia capacitiva , medida en ohmios; y
• ${\displaystyle \omega }$es la frecuencia angular,${\displaystyle 2\pi }$veces la frecuencia en Hz .

Por lo tanto: ^{[ 5 ]}

• si​${\displaystyle \scriptstyle X>0}$⁠ , se dice que la reactancia total es inductiva;
• si​${\displaystyle \scriptstyle X=0}$⁠ , entonces la impedancia es puramente resistiva;
• si​${\displaystyle \scriptstyle X<0}$Se dice que la reactancia total es capacitiva.

Tenga en cuenta, sin embargo, que si${\displaystyle X_{L}}$y${\displaystyle X_{C}}$Se asume que ambos son positivos por definición, entonces la fórmula intermedia cambia a una diferencia: ^{[ 7 ]}$${\displaystyle {X=X_{L}-X_{C}=\omega L-{\frac {1}{\omega C}}},}$$ pero el valor final es el mismo.

• reactancia magnética
• Susceptancia

• Meade, R. (2002). Fundamentos de la electrónica . Cengage Learning.
• Shamieh, C.; McComb, G. (2011). Electrónica para Dummies . John Wiley & Sons.
• Young, Hugh D.; Freedman, Roger A.; Ford, A. Lewis (2004) [1949]. Física universitaria de Sears y Zemansky (11.ª  ed.). San Francisco: Addison Wesley . ISBN 0-8053-9179-7.

• Laboratorio Nacional de Magnetismo, reactancia inductiva