Tensão, Corrente, Resistência e Lei de Ohm

Ao começar a explorar o mundo da eletricidade e da eletrônica, é vital começar entendendo os conceitos básicos de tensão, corrente e resistência. Estes são os três elementos básicos necessários para manipular e utilizar eletricidade. A princípio, esses conceitos podem ser difíceis de entender porque não podemos “vê-los”. Não se pode ver a olho nu a energia que flui através de um fio ou a voltagem de uma bateria sobre uma mesa. No entanto, compreender Tensão, Corrente e Lei de Ohm é fundamental para qualquer aspirante a eletricista ou eletrônico, pois esses conceitos formam a base de todo o entendimento posterior sobre eletricidade e circuitos elétricos.

Mesmo os raios no céu, embora visíveis, não são verdadeiramente as trocas de energia que acontecem entre as nuvens e a terra, mas uma reação no ar à energia que passa por elas. Para detectar essa transferência de energia, precisamos usar ferramentas de medição como multímetros, analisadores de espectro e osciloscópios para visualizar o que está acontecendo com a carga em um sistema. Não tema, no entanto, o Prototipando está aqui para te ajudar a entender melhor esses conceitos.

Carga elétrica

Eletricidade é o movimento de elétrons. Os elétrons criam cargas, que podemos aproveitar para fazer o trabalho. Sua lâmpada, seu aparelho de som, seu telefone etc. estão aproveitando o movimento dos elétrons para fazer o trabalho. Todos eles operam usando a mesma fonte de energia básica, o movimento dos elétrons. Os três princípios básicos deste tutorial podem ser explicados usando elétrons, ou mais especificamente, a carga que eles criam:

• Tensão é a diferença de carga entre dois pontos.
• Corrente é a taxa na qual a carga está fluindo.
• Resistência é a tendência de um material resistir ao fluxo de carga (corrente).

Então, quando falamos sobre esses valores, estamos realmente descrevendo o movimento da carga e, portanto, o comportamento dos elétrons. Um circuito é um sistema fechado que permite que a carga se mova de um lugar para outro. Os componentes do circuito nos permitem controlar essa carga e usá-la para fazer o trabalho. Georg Ohm era um cientista bávaro que estudava eletricidade. Ohm começa descrevendo uma unidade de resistência que é definida por corrente e tensão. Então, vamos começar com a tensão.

Tensão

Definimos tensão como a quantidade de energia potencial entre dois pontos em um circuito. Um ponto tem mais carga que outro. Chamamos essa diferença de carga entre os dois pontos de tensão. Medimos a tensão em volts, que, tecnicamente, é a diferença de energia potencial entre dois pontos que fornecerá um joule de energia por coulomb de carga que passa por ele. Complicou? Não entre em pânico se isso não fizer sentido, tudo será explicado. Deram o nome “volt” à unidade em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta, que inventou o que é considerado a primeira bateria química. Representamos a tensão em equações e esquemas pela letra “V”.

Ao descrever tensão, corrente e resistência, uma analogia comum é um tanque de água. Nesta analogia, a quantidade de água representa a carga, a pressão da água representa a tensão e o fluxo de água representa a corrente. Portanto, para essa analogia, lembre-se:

• Água = Carga
• Pressão = Tensão
• Fluxo = Corrente

Considere um tanque de água a uma certa altura acima do solo. No fundo deste tanque há uma mangueira.

A pressão no final da mangueira pode representar tensão. A água no tanque representa carga. À medida que colocamos mais água no tanque, aumentamos a carga e medimos mais pressão no final da mangueira. Podemos pensar nesse tanque como uma bateria, um local onde armazenamos uma certa quantidade de energia e depois a liberamos.

Se drenarmos nosso tanque a uma certa quantidade, a pressão criada no final da mangueira diminui. Podemos pensar nisso como uma tensão decrescente, como quando uma lanterna fica mais fraca quando as baterias ficam fracas. Há também uma diminuição na quantidade de água que fluirá através da mangueira. Menos pressão significa que menos água está fluindo, o que nos leva à corrente.

Corrente

Podemos pensar na quantidade de água que flui através da mangueira do tanque como corrente. Quanto maior a pressão, maior o fluxo e vice-versa. Com a água, mediríamos o volume da água que flui através da mangueira durante um certo período de tempo. Com a eletricidade, medimos a quantidade de carga que flui pelo circuito durante um período de tempo. A corrente é medida em Amperes.

Um ampère é definido como 6,241*10^18 elétrons (1 Coulomb) por segundo passando através de um ponto em um circuito. Corrente é representada em equações pela letra “I”. Digamos agora que temos dois tanques, cada um com uma mangueira saindo do fundo. Cada tanque tem exatamente a mesma quantidade de água, mas a mangueira de um tanque é mais estreita que a mangueira do outro.

A mesma quantidade de pressão

Medimos a mesma quantidade de pressão no final de qualquer mangueira, mas quando a água começa a fluir, a vazão da água no tanque com a mangueira mais estreita será menor que a vazão da água no tanque com a mangueira mais larga. Em termos elétricos, a corrente através da mangueira mais estreita é menor que a corrente através da mangueira mais larga. Se queremos que o fluxo seja o mesmo nas duas mangueiras, precisamos aumentar a quantidade de água (carga) no tanque com a mangueira mais estreita.

Isso aumenta a pressão (tensão) no final da mangueira mais estreita, empurrando mais água pelo tanque. Isso é análogo a um aumento de tensão que causa um aumento de corrente. Agora estamos começando a ver a relação entre tensão e corrente. Mas há um terceiro fator a ser considerado aqui, a largura da mangueira. Nesta analogia, a largura da mangueira é a resistência. Isso significa que precisamos adicionar outro termo ao nosso modelo:

• Água = Carga (medida em Coulombs)
• Pressão = Tensão (medida em Volts)
• Fluxo = Corrente (medido em Amperes)

Largura da mangueira = resistência

Resistência

Considere novamente nossos dois tanques de água, um com um tubo estreito e outro com um tubo largo.

É lógico que não podemos ajustar tanto volume através de um tubo estreito quanto um tubo mais largo na mesma pressão. Isso é resistência. O tubo estreito “resiste” ao fluxo de água através dele, mesmo que a água esteja na mesma pressão do tanque com o tubo mais largo.

Em termos elétricos, isso é representado por dois circuitos com tensões iguais e resistências diferentes. Assim, o circuito com maior resistência permitirá que menos carga flua, consequentemente, o que significa que o circuito com maior resistência tem menos corrente fluindo através dele. Dessa forma, isso nos leva de volta a Georg Ohm.

Ohm define a unidade de resistência “1 Ohm” como a resistência entre dois pontos em um condutor em que a aplicação de 1 volt pressiona 1 ampere ou 6,241*10^18 elétrons. Representamos esse valor nos esquemas com a letra grega “Ω”, chamada ômega, e pronunciada “ohm”.

Lei de Ohm

Combinando os elementos de tensão, corrente e resistência, Ohm desenvolveu a fórmula:

Onde:

• V = Tensão em volts
• I = Corrente em amperes
• R = Resistência em ohms

Isso é chamado lei de Ohm. Digamos, por exemplo, que temos um circuito com tensão de 1 volt, corrente de 1 ampere e resistência de 1 ohm. Usando a Lei de Ohm, podemos dizer:

Digamos que isso represente nosso tanque com uma mangueira larga. Definimos a quantidade de água no tanque como 1 volt e a “estreiteza” (resistência ao fluxo) da mangueira como 1 ohm. Usando a Lei de Ohms, isso nos dá um fluxo (corrente) de 1 ampere. Usando essa analogia, vamos agora olhar para o tanque com a mangueira estreita.

Como a mangueira é mais estreita, sua resistência ao fluxo é maior. Vamos definir essa resistência como 2 ohms. A quantidade de água no tanque é igual à do outro tanque, portanto, usando a Lei de Ohm, nossa equação para o tanque com a mangueira estreita é:

Mas qual é a corrente? Como a resistência é maior e a tensão é a mesma, isso nos dá um valor atual de 0,5 amperes:

Assim, a corrente é mais baixa no tanque com maior resistência. Agora podemos ver que, se conhecermos dois dos valores da lei de Ohm, podemos resolver o terceiro. Vamos demonstrar isso com um experimento.

Experimento da lei de Ohm

Para este experimento, queremos usar uma bateria de 9 volts para alimentar um LED. Entretanto, os LEDs são frágeis e só podem ter uma certa quantidade de corrente fluindo através deles antes de queimar. Na documentação (datasheet) de um LED, é importante observar sempre haverá uma “classificação ideal”. Isso significa que essa é a quantidade máxima de corrente que pode fluir através do LED específico antes de queimar.

Lembrando que para você desenvolver esse experimento, deve antes conhecer os princípios fundamentais da tensão, corrente, resistência e Lei de Ohm.

Hardware utilizado neste projeto

Lembre-se de que chamamos LEDs de dispositivos “não ôhmicos”. Isso significa que a equação da corrente que flui através do próprio LED não é tão simples quanto V = RI. O LED introduz algo chamado de “queda de tensão” no circuito, alterando a quantidade de corrente que passa por ele. No entanto, neste experimento, estamos simplesmente tentando proteger o LED da sobrecorrente, por isso negligenciaremos as características atuais do LED e escolheremos o valor do resistor usando a Lei de Ohm, para garantir que a corrente através do LED esteja com segurança sob 20mA.

Neste exemplo, temos uma bateria de 9 volts e um LED vermelho com uma classificação atual de 20 miliamperes ou 0,020 amperes. Por segurança, preferimos não acionar o LED na sua corrente máxima, mas na corrente sugerida, que está listada no datasheet como 18mA ou 0,018 amperes. Se simplesmente conectarmos o LED diretamente à bateria, os valores da lei de Ohm ficarão assim:

Dividir por zero nos dá uma corrente infinita. Bem, não é infinito na prática, mas a quantidade de corrente que a bateria pode fornecer. Como NÃO queremos que tanta corrente flua através do nosso LED, precisaremos de um resistor. Nosso circuito deve ficar assim:

Podemos usar a Lei de Ohm exatamente da mesma maneira para determinar o valor do resistor que nos fornecerá o valor atual desejado:

Portanto, precisamos de um valor de resistor de cerca de 500 ohms para manter a corrente através do LED abaixo da classificação máxima de corrente.

Exemplo

500 ohms não é um valor comum para resistores prontos para uso, portanto, este dispositivo usa um resistor de 560 ohms em seu lugar. Abaixo está a aparência do nosso dispositivo.

Sucesso! Escolhemos um valor de resistor alto o suficiente para manter a corrente através do LED abaixo da sua classificação máxima, mas baixo o suficiente para que a corrente seja suficiente para manter o LED agradável e brilhante. Este exemplo é uma ocorrência comum nesse mundo Maker. Por exemplo, você muitas vezes precisará usar a Lei de Ohm para alterar a quantidade de corrente que flui pelo circuito. Além disso, outro exemplo dessa implementação é visto nas placas de LED do LilyPad.

Com essa configuração, em vez de ter que escolher o resistor para o LED, o resistor já está integrado com o LED, portanto a limitação de corrente é realizada sem a necessidade de adicionar um resistor manualmente.

Limitação de corrente: Antes ou Depois do LED?

Para tornar as coisas um pouco mais complicadas, você pode colocar o resistor limitador de corrente em ambos os lados do LED e ele funcionará da mesma forma. Muitas pessoas que aprendem eletrônica pela primeira vez lutam com a ideia de que um resistor limitador de corrente pode viver nos dois lados do LED e o circuito ainda funcionará normalmente.

Imagine um rio em um loop contínuo, um rio infinito, circular e fluindo. Se colocarmos uma barragem nela, o rio inteiro para de fluir, não apenas um lado. Agora imagine que colocamos uma roda d’água no rio que retarda o fluxo do rio. Coloque a roda d’água em qualquer lugar do círculo e ainda assim diminuirá o fluxo em todo o rio.

Isso simplifica demais, pois você não pode colocar o resistor limitador de corrente em qualquer lugar do circuito; ele pode ser colocado em ambos os lados do LED para desempenhar sua função. Para uma resposta mais científica, recorremos à Lei de Tensão de Kirchoff. É por causa dessa lei que o resistor limitador de corrente pode ir em ambos os lados do LED e ainda ter o mesmo efeito.

Conclusão

Agora você conhece os conceitos de tensão, corrente, resistência e como os três estão relacionados. Parabéns! Além disso, podemos derivar a maioria das equações e leis para análise de circuitos diretamente da Lei de Ohm. Ao conhecer esta lei simples, você entende o conceito que é a base para a análise de qualquer circuito elétrico.

Esses conceitos são apenas a ponta do iceberg. Ademais, caso tenha alguma dúvida ou sugestão quanto a esse tutorial, não hesite em deixar um comentário abaixo.