Lei de Ohm explicada: tensão elétrica, corrente elétrica e resistores de LED

Três grandezas que descrevem todo circuito

O movimento de cargas elétricas através de um condutor é chamado de corrente. Algo precisa fazer essa carga se mover, e esse algo é a tensão elétrica. Algo também dificulta esse movimento, e isso é a resistência.

• Tensão elétrica (V), medida em volts, é a energia fornecida a cada unidade de carga quando ela atravessa uma fonte, como uma bateria. É o impulso.
• Corrente (I), medida em amperes (amps), é a quantidade de carga que passa por um ponto a cada segundo. É o fluxo.
• Resistência (R), medida em ohms (Ω), indica com que intensidade um componente se opõe a esse fluxo.

Uma analogia com água ajuda no começo: a tensão elétrica é como a pressão, a corrente é como a taxa de fluxo através de um cano, e a resistência é como uma parte estreita do cano. Como toda analogia, ela tem limites, mas ajuda a entender corretamente como as três grandezas dependem umas das outras.

Uma observação sobre segurança: tudo aqui trata de circuitos de baixa tensão, do tamanho dos circuitos alimentados por baterias. A eletricidade da rede doméstica é perigosa e não é algo para fazer experimentos, por isso este guia e o laboratório não abordam esse assunto.

Lei de Ohm: uma equação, três respostas.

Para muitos resistores comuns, dobrar a tensão elétrica sobre eles dobra a corrente que passa por eles. Essa relação em linha reta é a lei de Ohm:

V = I × R

Reorganizada, ela responde a três perguntas diferentes:

• Precisa da tensão elétrica? V = I × R
• Precisa da corrente? I = V / R
• Precisa da resistência? R = V / I

Um exemplo rápido: uma bateria de 9 V ligada a um resistor de 450 Ω fornece I = 9 / 450 = 0.02 A, ou seja, 20 miliampères. Mude qualquer um dos três números, e os outros acompanham a mudança.

A lei de Ohm descreve um tipo específico de componente, chamado resistor ôhmico, em condições aproximadamente constantes. Alguns componentes não obedecem a essa lei, e um deles é o LED, que veremos em um momento.

Entendendo os números: miliamperes, quilohms e faixas de cor.

Os circuitos reais usam prefixos o tempo todo. 1 mA é um milésimo de um ampère. 1 kΩ equivale a mil ohms. Misturar unidades é o erro mais comum ao usar V = I × R, então faça a conversão primeiro: 20 mA vira 0,02 A antes da divisão.

Resistores pequenos têm uma fileira de faixas coloridas pintadas em vez de números impressos. No estilo comum de quatro faixas, as duas primeiras são dígitos, a terceira é um multiplicador e a quarta é a tolerância, que indica o quanto o valor real pode variar. Marrom, preto e vermelho, por exemplo, significam 1, 0 e depois ×100, resultando em 1 kΩ.

Você não precisa memorizar o código inteiro logo no primeiro dia. Ler alguns resistores no laboratório até entender o padrão funciona melhor do que consultar uma tabela.

Por que um LED não pode ser ligado diretamente a uma bateria

Um resistor normal permite que a corrente elétrica aumente suavemente à medida que a tensão elétrica aumenta. Um LED (diodo emissor de luz) não funciona assim. Abaixo de uma certa tensão elétrica, chamada de tensão direta, ele conduz quase nada. Logo acima dessa tensão elétrica, a corrente elétrica aumenta muito para um pequeno aumento adicional.

Isso torna arriscado ligar um LED diretamente a uma bateria: a bateria continua fornecendo energia, a corrente elétrica fica muito maior do que o LED suporta e ele pode queimar quase imediatamente. O LED não tem uma forma própria de dizer "já chega".

A solução é adicionar um resistor limitador de corrente elétrica em série. Como a mesma corrente elétrica precisa passar pelos dois componentes, o resistor fica com a tensão elétrica que o LED não precisa e, por meio da lei de Ohm, limita a corrente elétrica.

Escolhendo o resistor: um exemplo resolvido

Suponha que um LED vermelho tenha uma tensão direta de cerca de 2 V e que você queira uma corrente elétrica de aproximadamente 15 mA, usando uma fonte de 5 V.

1. Encontre a tensão elétrica que sobra para o resistor: 5 V − 2 V = 3 V.
2. Divida pela corrente elétrica desejada: R = 3 / 0.015 = 200 Ω.
3. Escolha o valor padrão mais próximo que não seja menor, como 220 Ω. A corrente elétrica ficará um pouco menor e o LED, um pouco menos brilhante, o que é uma margem de segurança.

Também podemos perguntar quanta potência o resistor suporta. A potência é P = V × I, então 3 V × 0.015 A = 0.045 W, um valor tranquilamente dentro da capacidade de um resistor pequeno.

Sempre consulte os dados do próprio LED para verificar a tensão direta e a corrente elétrica recomendada; os valores acima são típicos, não universais.

Erros a evitar

• Esquecer de converter as unidades. Miliampères e quilohms precisam ser convertidos em ampères e ohms antes da divisão.
• Colocar o resistor em paralelo. Para que o limite de corrente funcione, o resistor precisa estar em série, no mesmo circuito que o LED.
• Inverter o LED. Um LED só conduz em uma direção. Se ele continuar apagado, tente virá-lo antes de culpar a matemática.
• Tratar a lei de Ohm como universal. Ela se aplica a resistores, não a todos os componentes do circuito.
• Achar que "menos resistência é mais seguro". Para um LED, é justamente o contrário: um resistor menor deixa passar mais corrente.

Como explorar isso no laboratório

O laboratório de Eletrônica e Arduino permite montar e medir esses circuitos sem hardware. Uma ordem recomendada para avançar pelo primeiro mundo gratuito:

1. Comece por Tensão elétrica, corrente elétrica e resistência para separar as três ideias.
2. Teste a equação em A lei de Ohm na prática e depois pratique as três formas reorganizadas em Reorganizando a lei de Ohm.
3. Veja como um LED se comporta em O LED.
4. Proteja-o com Resistores limitadores de corrente.
5. Termine com Potência e watts para ver quanto calor o resistor suporta.

O laboratório é um modelo didático simplificado de componentes ideais, então os componentes reais terão pequenas diferenças nos detalhes. Para seus próprios experimentos, use apenas baterias de baixa tensão e fontes no nível de USB.