Entendendo a lei de Ohm

Ela relaciona os fundamentos da tensão, corrente e resistência pois estes são os três blocos de construção básicos e necessários para manipular e utilizar a energia elétrica.

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Cristiano Bertulucci Silveira

Para quem está começando a entender o mundo da eletricidade e da eletrônica, é fundamental começar compreendendo a lei de Ohm que relaciona os fundamentos da tensão, corrente e resistência pois estes são os três blocos de construção básicos e necessários para manipular e utilizar a eletricidade. Como não se pode ver a olho nu a tensão de uma bateria ou a energia que flui através de um condutor, os conceitos que relacionam energia podem parecer difíceis de entender em um primeiro momento.

No entanto, quando correlacionamos a energia com algo que podemos ver como a água por exemplo, fica mais fácil o entendimento e é exatamente isso que faremos neste artigo. Existem atualmente algumas ferramentas de medição de tensão, corrente e energia como multímetros, analisadores de espectro e osciloscópios que são capazes de visualizar o que está acontecendo com a carga em um sistema.

Com estes instrumentos é possível assim medir a corrente e a tensão em uma carga ou a resistência da mesma. No entanto, se tivermos a compreensão básica da tensão, corrente e resistência e como elas se relacionam entre si através da lei de Ohm, seremos capazes de calcular com precisão um parâmetro quando os outros são conhecidos.

Assim, se medirmos a tensão e a corrente, poderemos calcular a resistência por exemplo. Pode-se dizer que a carga elétrica, de forma prática, movimento dos elétrons. Ao se moverem, os elétrons criam cargas elétricas que podem ser aproveitadas para fazer algum trabalho. Por exemplo, movimentar um motor, gerar calor ou lógica através de componentes eletrônicos.

Quando ligamos uma lâmpada, um aparelho de som, um televisão, etc. em nossa residência, o que estamos fazendo de fato é aproveitando o movimento dos elétrons para fazer algum tipo de trabalho e todos os eletrodomésticos e equipamentos eletrônicos operam usando a mesma fonte de energia básica: o movimento dos elétrons. Ao focar nos elétrons e na carga que eles criam ao entrar em movimento, somos capazes de ter uma compreensão básica de tensão, corrente e resistência e eles se relacionam entre si pela lei de Ohm.

A tensão expressa em Volts (V) é a diferença de carga medida entre dois pontos. A corrente, expressa em Amperes (A), é a taxa na qual a carga flui no meio. A resistência, representada em Ohm (Ω), é a tendência de um material para resistir ao fluxo de carga (corrente).

Por meio do entendimento de tensão, corrente e resistência e da relação entre eles (Lei de Ohm), é possível de fato descrever o comportamento dos elétrons e, consequentemente, o movimento da carga e foi isso que se tornou possível a construção de circuitos fechados que permitem com que a carga se mova de um lugar para outro.

Adicionalmente, permitiu o projeto de componentes capazes de serem alocados nos circuitos com a finalidade de controlar cargas e utilizá-las para fazer um trabalho desejado. Georg Ohm, que foi um cientista da Baviera, estudou a fundo a eletricidade e, através de seus estudos, hoje pode-se descrever uma unidade de resistência pela corrente e tensão nascendo assim a lei de Ohm. Ela tem esse nome devido ao seu idealizador.

Dessa forma, pode-se definir a tensão como a quantidade de energia potencial existente entre dois pontos em um circuito. Explicando melhor, a tensão é a diferença de carga entre dois pontos (o de maior potencial e o de menor potencial).

A tensão é medida em Volts que como dito é a diferença de energia potencial entre dois pontos que transmitirão um joule de energia por coulomb de carga que flui por um condutor (não entre em pânico se isso não fizer sentido e tudo isso será explicado). Foi um físico italiano, Alessandro Volta, que inventou a primeira bateria química e por este motivo a unidade Volt recebeu o nome dele.

O Volt é representado em equações e esquemas pela letra V. Para descrever melhor os parâmetros de tensão, corrente e resistência, faremos uma analogia a um tanque de água. Nessa analogia, a carga será representada pela quantidade de água, a tensão será representada pela pressão e a corrente pelo fluxo de água.

Então, por esta analogia, teremos: água = carga, pressão = tensão e fluxo = corrente. Vamos considerar um tanque de água a uma certa altura acima do solo. Na parte inferior deste tanque teremos uma tubulação conectada como se fosse uma caixa de água em nossa residência.

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Analogia de tensão e pressão (lei de Ohm)

A água dentro do tanque representa a carga. Já a pressão medida no final do tubo é a tensão sendo que quanto mais água existir no tanque maior será a carga e consequentemente a pressão medida no final da tubulação.

Assim, de forma análoga, podemos pensar no tanque de água como sendo uma bateria pois enquanto o primeiro armazena energia em água, o segundo armazena em carga e ambas podem ser utilizadas quando necessário. Se no final da tubulação instalarmos uma torneira e abrir a mesma permitindo o fluxo da água, a medida que o tanque for se esvaziando, a pressão criada no final da tubulação irá diminuindo.

Voltando à analogia, isso seria uma tensão decrescente podendo ser observada por exemplo em uma lanterna se enfraquecendo à medida que as baterias se esgotam. Neste caso haverá também uma diminuição na quantidade de água fluindo pela tubulação e entendemos que menos pressão fará com que menos água flua pela tubulação.

De forma análoga, a corrente pode ser descrita como sendo a água que flui através da tubulação do tanque. Então compreendemos que quanto maior a pressão, maior será o fluxo ou quanto maior o fluxo, maior será a pressão. Da mesma forma que conseguimos medir o volume de água que flui através da tubulação durante um certo período de tempo, conseguimos também medir a quantidade de carga que flui através do circuito durante um período de tempo.

Esse fluxo de carga é chamado de corrente que é medida em Amperes. Um ampere é definido como 6,241 * 1018 elétrons (1 Coulomb) por segundo passando por um ponto em um circuito. Em uma equação matemática, a corrente é representada pela letra I.

Digamos agora que temos dois tanques e que cada um possui uma tubulação conectada ao fundo e que cada tanque tem exatamente a mesma quantidade de água. No entanto, a tubulação conectada a um tanque é mais estreita que a tubulação conectada a outro tanque conforme figura abaixo.

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Analogia de corrente e fluxo (lei de Ohm)

No início, quando for medido, veremos a mesma quantidade de pressão no final de cada tubulação. Porém, quando abrimos as torneiras e permitimos que a água comece a fluir, a taxa de fluxo da água no tanque com a tubulação mais estreita será menor do que a taxa de fluxo da água no tanque com a tubulação mais larga.

Em termos elétricos, a corrente através da tubulação mais estreita será menor que a corrente através da tubulação mais larga e se quisermos que o fluxo seja o mesmo através de ambas as tubulações, temos que aumentar a quantidade de água (carga) no tanque com a tubulação mais estreita ou diminuir a quantidade de água no tanque com tubulação mais larga conforme figura abaixo.

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Analogia de corrente, fluxo e resistência. (lei de Ohm)

Diminuindo a quantidade de água e a pressão (voltagem) no tanque com tubulação mais larga empurraremos menos água através da tubulação e isso é de forma análoga o mesmo acontece quando temos um aumento na tensão que automaticamente causa um aumento na corrente. Aqui já podemos concluir que a tensão é diretamente proporcional à corrente e isto foi uma das premissas para a lei de Ohm.

Agora começamos a entender melhor a relação entre a tensão e corrente. No entanto há ainda um terceiro fator a ser considerado aqui e na lei de Ohm: a largura da tubulação. Voltando à analogia, podemos dizer que a resistência representa a largura da tubulação.

Então teremos o seguinte: água: equivalente a carga (medida em coulombs), pressão: equivalente a voltagem (medida em volts), fluxo: equivalente a corrente (medido em amperes) e largura da tubulação: equivalente a resistência (medida em ohms Ω).

Quanto à resistência, para chegar na lei de Ohm, considere novamente os dois tanques de água em que temos a mesma quantidade de água na caixa e que o primeiro possui uma tubulação mais larga e o segundo uma tubulação mais estreita.

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Analogia de corrente e fluxo (lei de Ohm)

Usando a lógica, é muito claro que neste caso quando abrirmos as torneiras de ambas tubulações, não será possível ter o mesmo tanto de água fluindo na tubulação estreita quanto haverá na larga, mesmo as duas possuindo a mesma pressão. O nome que damos a isso é resistência. Explicando melhor, a tubulação estreita resiste ao fluxo de água que flui através dela mesmo que esta água esteja na mesma pressão que o tanque com a tubulação mais larga.

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Analogia tubulação x resistência (lei de Ohm)

Em termos elétricos, a figura acima pode ser representada por dois circuitos com tensões iguais e resistências diferentes sendo que o circuito com maior resistência permitirá que menos carga flua por ele e que o circuito com maior resistência terá menor corrente fluindo através do mesmo. Temos agora a segunda premissa utilizada na lei de Ohm: com a tensão constante, a corrente aumenta à medida que a resistência diminui o que equivale a dizer que a resistência é inversamente proporcional a corrente.

Agora podemos voltar a Georg Ohm e entender o que ele fez. Ohm definiu a unidade de resistência de 1 Ohm como a resistência entre dois pontos em um condutor onde a aplicação de 1 volt empurra 1 ampere, equivalente a 1018 × 6,241 elétrons. O Ohm é representado em fórmulas matemáticas pela letra grega “Ω” (omega).

Combinando os elementos de tensão, corrente e resistência, Ohm desenvolveu a lei de Ohm representada pela fórmula: V = R x I, onde: V = tensão em volts, i = corrente em amperes e r = resistência em ohms.

A equação é chamada de lei de Ohm. Digamos, por exemplo, que tenhamos um circuito com o potencial de 1 volt, uma corrente de 1 ampere e uma resistência de 1 ohm. Usando a lei de Ohm, podemos dizer:

1V = 1A x 1Ω

Digamos que isso represente o tanque com a tubulação larga. Assim, a quantidade de água no tanque é definida como 1 volt e a estreiteza (resistência ao fluxo) da mangueira é definida como 1 ohm. Usando a lei de Ohm, isso nos dá um fluxo (corrente) de 1 ampere.

Usando essa analogia, vamos ver agora o tanque com a tubulação estreita. Devido a tubulação ser mais estreita, a sua resistência ao fluxo é maior e podemos definir essa resistência como sendo o dobro (2 ohms). A quantidade de água no tanque é a mesma do outro tanque. Então, usando a lei de Ohm, nossa equação para o tanque com a mangueira estreita é: 1V = ?A x 2Ω

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 ampere: 1V = 0.5A x 2Ω.

Então, a corrente é menor no tanque com maior resistência. Agora podemos ver que, se conhecermos dois dos valores da lei de Ohm, podemos então calcular o terceiro valor.

Referências para lei de Ohm

Texto adaptado de https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-current-resistance-and-ohms-law

Cristiano Bertulucci Silveira é engenheiro eletricista pela Unesp com MBA em Gestão de Projetos pela FVG e certificado pelo PMI. Atuou em gestão de ativos e gestão de projetos em grandes empresas como CBA-Votorantim Metais, Siemens e Votorantim Cimentos. Atualmente é diretor de projetos da Citisystems –cristiano@citisystems.com.br – Skype: cristianociti



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