Ciência Embarcada

Tensão

A energia elétrica tem esse nome por causa dos elétrons, que são pequenas partículas que ficam ao redor do núcleo dos átomos. Mas pra que possamos usar esses elétrons, precisamos movimentar eles, e pra isso usamos a tensão.

Imagine que você tem uma superfície plana e uma bola sobre essa superfície.

Perceba que a bola não se move, afinal, não tem inclinação nenhuma nessa superfície, então para que essa esfera se movimente, precisamos criar uma inclinação

Repare que agora a bola vai do ponto mais alto para o ponto mas baixo, graças a energia potência gravitacional (vulgo gravidade, a mesma da maça do Newton). Mas no caso do elétron o que vale não é a gravidade e sim a energia potencial elétrica, e a diferença entre dois pontos é o que chamamos de diferença de potencial ou DDP.

Essa diferença também pode ser chamada de tensão ou voltagem, e assim como no nosso exemplo, os elétrons vão de um ponto com um potencial mais alto para um de potencial mais baixo.

A unidade utilizada para medir essa diferença de potencial elétrico é o Volt (que a sigla é a letra “V” e o plural é “Volts”). Esse nome é em homenagem ao químico e físico italiano Alessandro Volta que inventou a pilha voltaica, a primeira versão das pilhas que a gente usa hoje em dia. Vamos ver como ela funciona.

Esse objeto funcionava empilhando (por isso o nome “pilha”) discos de zinco e cobre de forma alternada e separados por um tecido molhado com água salgada. A interação entre esses materiais produz uma reação química que cria uma diferença de potencial entre o conjunto de um disco de cobre e um disco de zinco, e como temos vários desses conjuntos empilhados temos a soma dessas tensões. Ou seja, quanto mais conjuntos de discos essa pilha tiver, maior será a tensão, já que maior será a quantidade de reações entre o primeiro e o último disco. E isso foi uma revolução tão grande que foi com uma dessas que descobrimos a eletrólise da água.

Corrente

Agora que sabemos movimentar os elétrons, vamos falar sobre essa movimentação. Imagine um fio condutor que não está ligado a nada, nele temos os elétrons dos átomos que compõem esse condutor, e eles se movimentam de maneira desordenada, ou seja, para todos os lados.

Mas quando temos uma tensão nesse condutor, como quando ligamos uma ponta no polo positivo e a outra ponta no polo negativo de uma bateria, vamos ter o movimento ordenado desses elétrons.

Veja que agora os elétrons estão todos indo na mesma direção, formando uma espécie de fila ou corrente, exatamente por isso esse movimento ordenado dos elétrons é chamado de corrente elétrica.

Outro ponto interessante que podemos ver é que os elétrons estão indo do polo negativo para o polo positivo, o que é um pouco contraditório, já que em pilhas normais, esperamos que o negativo seja o 0V e o positivo o 1.5V, logo não faz sentido essa corrente fluir do menor para o maior potencial. Mas acontece que existem duas formas de trabalhar com a corrente.

A primeira e mais comum é a “corrente convencional”, que assim como eu disse antes, vai do maior para o menor potencial. Essa corrente é mais natural para nós humanos, pois é mais fácil de imaginar os elétrons seguindo esse caminho quando estamos trabalhando.

Porém, também existe a “corrente real”, essa descreve de fato o movimento dos elétrons é a basicamente o oposto da convencional, com os elétrons indo do polo negativo, para o positivo. Mas cuidado, assim como o sentido dos elétrons, os demais sinais também são invertidos.

Isso acontece porque o elétron é uma partícula de carga negativa, e por isso, é natural que ele saia do polo negativo (onde eles se acumulam) e vá para o positivo (onde eles fazem falta). Mas não se preocupe, isso não vai mudar nada nos nossos estudos, mas é importante que você saiba disso, pois daqui para frente vamos usar a corrente convencional, que é essa onde os elétrons fluem do polo positivo para o polo negativo.

E pra dizer quantos elétrons, ou seja, o quão forte é a corrente passando por um ponto, usamos a unidade Ampere (que a sigla é a letra “A” e o plural é “Amperes”). Esse nome é em homenagem ao físico francês André-Marie Ampère.

Resistência

Assim como a tensão é uma força que provoca o movimento dos elétrons, existe uma força que provoca uma redução nesse movimento, uma espécie de freio, que limita a corrente que passa por um ponto. Essa é a resistência elétrica.

A resistência é uma propriedade física (o que significa que tudo tem uma resistência, inclusive você) que dificulta a passagem dos elétrons, ou seja, quanto maior for a resistência de um material, menor será a corrente que consegue passar por ele.

Por mais que a resistência pareça algo ruim, que atrapalha a corrente elétrica, ela é um ponto chave na estabilidade de alguns circuitos, justamente por controlar a quantidade de corrente que passa por ele, evitando que os componentes desse circuito queimem, por exemplo.

Mas ao “frear” os elétrons, a resistência funciona como um conversor, pegando essa energia elétrica e convertendo ela em calor. Por isso a peça que aquece a água em um chuveiro elétrico é chamada de resistência ou resistor.

Podemos medir a resistência de um material, condutor ou circuito usando a unidade de medida Ohm (que a sigla é a letra grega “Ω” [Ômega] e o plural é “Ohms”). Esse nome é em homenagem ao físico e matemático alemão Georg Simon Ohm que definiu o conceito de resistência elétrica e fez uma série de contribuições matemáticas à área como as Leis de Ohm.

Mas diferente da resistência que você compra para o chuveiro elétrico, a resistor usado na eletrônica segue um padrão de cores para indicar qual é o valor da sua resistência. O mais comuns são os de 4 e 5 faixas, isso significa que ao longo do componente existem 4 ou 5 faixas coloridas que indicam qual é o valor da resistência em Ohms daquele resistor. E eles seguem a seguinte regra:

Para calcular o valor desses resistores, basta considerar cada uma das 3 primeiras faixas como os dígitos de um número e em seguida multiplicar esse número de acordo com a penúltima faixa. E por fim, a última faixa indica a tolerância, ou seja, o quanto esse valor pode estar diferente, afinal, não existem materiais perfeitos.

Usando os resistores que estão no desenho, essa conta ficaria assim:

$$ 47\;\times\;10\Omega\;=\;470\Omega $$

$$ 470\;\times\;1\Omega\;=\;470\Omega $$

Bem, agora que você aprendeu a calcular o valor do resistor, vamos entender só mais um pouquinho sobre a tolerância. Como a tolerância é igual nos dois resistores do exemplo, eu vou calcular uma vez só e isso vale para os dois.

Se calcularmos, 5% de 470 é 23.5, como a tolerância é pra mais ou pra menos (+/-) basta somar e subtrair:

$$ 470\;-\;23,5\;=\;446,5 \\ 470\;+\;23,5\;=\;493,5 $$

Prontinho! Sabemos agora que o valor real dos nossos resistores é alguma coisa entre 446.5Ω e 493.5Ω, pois o processo de fabricação não é perfeito.

Primeira Lei de Ohm

Agora que você já sabe o que é tensão, corrente e resistência, podemos começar a trabalhar com a primeira Lei de Ohm, que são relações matemáticas entre esses três conceitos.

A primeira Lei de Ohm diz que em um condutor ôhmico (material com uma resistência fixa) a intensidade da corrente elétrica que passa por ele é proporcional a tensão entre as suas pontas. Ou seja:

$$ R=\frac UI $$

Onde R é a Resistência, U é a tensão e I é a corrente.

Essa relação é muito útil quando queremos limitar a corrente que passa em um ponto de um circuito. Por exemplo, suponha que eu tenho bateria de 9V e um LED (vou falar mais sobre ele depois, mas por enquanto imagine ele como uma lâmpada), se nós ligarmos esse LED diretamente na bateria ele vai queimar por causa do excesso de corrente.

Para que isso não aconteça, devemos utilizar um resistor que vai limitar a quantidade de corrente que passa pelo LED. Vamos calcular o valor que esse resistor precisa ter para fornecer uma corrente de 20mA (“mA” é a sigla para Miliamperes, como vimos no capítulo sobre unidades de medida) para esse LED.

$$ I\;=\;\frac{20mA}{1000}\;=\;0,02A $$

Primeiro precisamos converter a essa corrente em miliamperes para amperes, ou seja, dividir por mil.

Agora que temos a corrente em ampere, podemos usar a relação estudada acima.

$$ R\;=\;\frac9{0,02}\;=\;450\Omega $$

Isso significa que para termos uma corrente de 20mA passando pelo nosso LED, precisamos de um resistor de 450Ω. Inserindo ele entre o LED e a bateria, teremos o funcionamento perfeito do nosso LED.

Mas é claro que podemos usar essa mesma relação para calcular também a tensão e a corrente, basta mudar o formato da equação e temos:

Isso significa que podemos encontrar a corrente dividindo a tensão pela resistência. Ainda no exemplo do LED:

$$ I\;=\;\frac9{450}\;=\;0,02A $$

E da mesma forma, podemos encontrar a tensão multiplicando a resistência pela corrente:

$$ U\;=\;450\;\times\;0,0A2\;=\;9V $$

Mas pra te ajudar a lembrar dessas relações, tem um desenho muito bom que eu chamo de “Pirâmide de Ohm”.

Nessa pirâmide, quando isolamos uma letra, as que sobram representam a equação para encontrar a que foi isolada, dessa forma:

$$ U\;=\;R\;\times\;I $$

$$ R=\frac UI $$

$$ I\;=\;\frac UR $$

Conclusão

Em resumo, tensão, corrente e resistência são os pilares da eletricidade, governando o comportamento dos elétrons que fazem todos os nossos dispositivos eletrônicos funcionar. A tensão, como a força motriz, impulsiona os elétrons, enquanto a corrente representa o fluxo ordenado desses elétrons. A resistência, por sua vez, atua como um freio, controlando o fluxo da corrente e convertendo energia elétrica em calor.

A Primeira Lei de Ohm, com sua elegante simplicidade, desvenda a intrincada relação entre esses três conceitos, nos permitindo calcular e manipular a eletricidade de forma precisa. Ao compreendermos a Lei de Ohm, ganhamos a chave para projetar circuitos seguros, otimizar o desempenho de dispositivos e solucionar problemas elétricos com confiança.

Portanto, abrace esse conhecimento e desvende os segredos da eletricidade. Domine a Lei de Ohm, e você terá em mãos a ferramenta fundamental para navegar com sucesso no fascinante mundo da elétrica e eletrônica.