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. Por não podemos ver a olho nu a voltagem 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 eles 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.

1 – Carga Elétrica

De forma prática, eletricidade é o MOVimento dos elétrons. Ao se MOVimentarem, os elétrons criam cargas elétricas que podem ser aproveitadas para fazer algum trabalho (Ex.: 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.

  • Tensão expressa em Volts (V) é a diferença de carga medida entre dois pontos.
  • Corrente expressa em Amperes (A) é a taxa na qual a carga flui no meio.
  • Resistência representado em Ohm (Ω) é a tendência de um material para resistir ao fluxo de carga (corrente).

Através 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 tornou possível a construção de circuitos fechados que permitem com que a carga se mova de um lugar para outro e adicionalmente permitiu o projeto de componentes capazes de serem alocados nos circuitos com a finalidade de controlar cargas e utilizar as mesmas para para fazer um trabalho desejado.

Georg Ohm que foi um cientista da Baviera que estudou a fundo a eletricidade e através de seus estudos ele foi capaz de descrever uma unidade de resistência pela corrente e tensão nascendo assim a lei de ohm que tem esse nome devido ao seu idealizador. Então vamos entender melhor estes conceitos:

2 – Tensão

Podemos 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
  • Fluxo = Corrente

Vamos considerar então 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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Figura 1 – 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 a nossa analogia, isso seria uma voltagem 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.

3 – Corrente

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 (geralmente conhecida como “Amps”). 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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Figura 2 – 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 abrirmos 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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Figura 3 – 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 a Corrente e isto foi uma das premissas para a lei de ohm.

Agora começamos a entender melhor a relação entre Tensão e Corrente. No entanto há ainda um terceiro fator a ser considerado aqui e na lei de ohm: a largura da tubulação. Voltando a nossa analogia, podemos dizer a 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 ou “Amps”)
  • Largura da Tubulação: equivalente a Resistência (medido em Ohms “Ω”)

4 – Resistência

Para chegar na lei de ohm, considere novamente nossos 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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Figura 4 – 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 que água fluindo na tubulação estreita quanto haverá na larga, mesmo os dois 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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Figura 5 – 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 a 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).

5 – A Lei de Ohm

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
R = Resistência em Ohms

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

1V = 1A x 1Ω

Digamos que isso represente nosso 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 amp.

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 amps:

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