Tensão, corrente, resistência e lei de Ohm: 5 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:40

Abordado neste tutorial

Como a carga elétrica se relaciona com a tensão, a corrente e a resistência.

O que são voltagem, corrente e resistência.

O que é a Lei de Ohm e como usá-la para entender a eletricidade.

Um experimento simples para demonstrar esses conceitos.

Etapa 1: carga elétrica

Carga elétrica é a propriedade física da matéria que faz com que ela experimente uma força quando colocada em um campo eletromagnético. Existem dois tipos de cargas elétricas: positivas e negativas (comumente transportadas por prótons e elétrons, respectivamente). Cargas semelhantes se repelem e diferentemente se atraem. Uma ausência de carga líquida é chamada de neutra. Um objeto é carregado negativamente se tiver um excesso de elétrons e, caso contrário, está carregado positivamente ou não carregado. A unidade de carga elétrica derivada do SI é o coulomb (C). Na engenharia elétrica, também é comum usar o ampere-hora (Ah); enquanto na química, é comum usar a carga elementar (e) como uma unidade. O símbolo Q geralmente denota carga. O conhecimento inicial de como as substâncias carregadas interagem é agora chamado de eletrodinâmica clássica e ainda é preciso para problemas que não requerem consideração de efeitos quânticos.

A carga elétrica é uma propriedade fundamentalmente conservada de algumas partículas subatômicas, que determina sua interação eletromagnética. A matéria eletricamente carregada é influenciada por campos eletromagnéticos ou os produz. A interação entre uma carga móvel e um campo eletromagnético é a fonte da força eletromagnética, que é uma das quatro forças fundamentais (ver também: campo magnético).

Os experimentos do século XX demonstraram que a carga elétrica é quantizada; isto é, ele vem em múltiplos inteiros de pequenas unidades individuais chamadas de carga elementar, e, aproximadamente igual a 1,602 × 10−19 coulombs (exceto para partículas chamadas quarks, que têm cargas que são múltiplos inteiros de 1 / 3e). O próton tem carga de + e, e o elétron tem carga de −e. O estudo de partículas carregadas e como suas interações são mediadas por fótons é chamado de eletrodinâmica quântica.

Etapa 2: Tensão:

Tensão, diferença de potencial elétrico, pressão elétrica ou tensão elétrica (formalmente denotada ∆V ou ∆U, mas mais frequentemente simplificada como V ou U, por exemplo, no contexto das leis do circuito de Ohm ou Kirchhoff) é a diferença na energia potencial elétrica entre dois pontos por unidade de carga elétrica. A tensão entre dois pontos é igual ao trabalho realizado por unidade de carga contra um campo elétrico estático para mover a carga de teste entre dois pontos. Isso é medido em unidades de volts (um joule por coulomb).

A tensão pode ser causada por campos elétricos estáticos, por corrente elétrica por meio de um campo magnético, por campos magnéticos que variam no tempo ou alguma combinação dos três. [1] [2] Um voltímetro pode ser usado para medir a tensão (ou diferença de potencial) entre dois pontos em um sistema; frequentemente, um potencial de referência comum, como o aterramento do sistema, é usado como um dos pontos. Uma tensão pode representar uma fonte de energia (força eletromotriz) ou energia perdida, usada ou armazenada (queda de potencial)

Ao descrever voltagem, corrente e resistência, uma analogia comum é um tanque de água. Nessa analogia, a carga é representada pela quantidade de água, a voltagem é representada pela pressão da água e a corrente é representada pelo fluxo de água. Portanto, para esta analogia, lembre-se:

Água = Carga

Pressão = Tensão

Fluxo = Corrente

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

Portanto, a corrente é menor no tanque com maior resistência.

Etapa 3: Eletricidade:

Eletricidade é a presença e o fluxo de carga elétrica. Sua forma mais conhecida é o fluxo de elétrons através de condutores como fios de cobre.

Eletricidade é uma forma de energia que vem em formas positivas e negativas, que ocorre naturalmente (como em um raio), ou é produzida (como em um gerador). É uma forma de energia que usamos para alimentar máquinas e aparelhos elétricos. Quando as cargas não estão se movendo, a eletricidade é chamada de eletricidade estática. Quando as cargas estão se movendo, elas são uma corrente elétrica, às vezes chamada de "eletricidade dinâmica". O raio é o tipo de eletricidade mais conhecido e perigoso da natureza, mas às vezes a eletricidade estática faz com que as coisas grudem umas nas outras.

A eletricidade pode ser perigosa, especialmente perto da água, porque a água é uma forma de condutor. Desde o século XIX, a eletricidade tem sido usada em todas as partes de nossas vidas. Até então, era apenas uma curiosidade vista em uma tempestade.

A eletricidade pode ser criada se um ímã passar perto de um fio de metal. Este é o método usado por um gerador. Os maiores geradores estão em usinas de energia. A eletricidade também pode ser gerada combinando produtos químicos em uma jarra com dois tipos diferentes de hastes de metal. Este é o método usado em uma bateria. A eletricidade estática é criada por meio do atrito entre dois materiais. Por exemplo, um gorro de lã e uma régua de plástico. Esfregue-os juntos pode fazer uma faísca. A eletricidade também pode ser criada usando a energia do sol, como nas células fotovoltaicas.

A eletricidade chega às casas por meio de fios no local onde é gerada. É utilizado por lâmpadas elétricas, aquecedores elétricos, etc. Muitos eletrodomésticos, como máquinas de lavar e fogões elétricos, usam eletricidade. Nas fábricas, existem máquinas de energia elétrica. As pessoas que lidam com eletricidade e aparelhos elétricos em nossas casas e fábricas são chamadas de "eletricistas".

Digamos agora que temos dois tanques, cada tanque com uma mangueira saindo do fundo. Cada tanque tem exatamente a mesma quantidade de água, mas a mangueira de um tanque é mais estreita do que a mangueira do outro.

Medimos a mesma quantidade de pressão na extremidade de cada mangueira, mas quando a água começa a fluir, a taxa de fluxo da água no tanque com a mangueira mais estreita será menor do que a taxa de fluxo da água no tanque com o mangueira mais larga. Em termos elétricos, a corrente através da mangueira mais estreita é menor do que a corrente através da mangueira mais larga. Se quisermos que o fluxo seja igual nas duas mangueiras, temos que aumentar a quantidade de água (carga) no tanque com a mangueira mais estreita.

Etapa 4: Resistência elétrica e condutância

Na analogia hidráulica, a corrente fluindo através de um fio (ou resistor) é como a água fluindo através de um tubo, e a queda de tensão no fio é como a queda de pressão que empurra a água através do tubo. A condutância é proporcional a quanto fluxo ocorre para uma determinada pressão e a resistência é proporcional a quanta pressão é necessária para atingir um determinado fluxo. (Condutância e resistência são recíprocas.)

A queda de voltagem (isto é, a diferença entre as voltagens de um lado do resistor e do outro), não a voltagem em si, fornece a força motriz que empurra a corrente através de um resistor. Na hidráulica, é semelhante: a diferença de pressão entre os dois lados de um tubo, não a pressão em si, determina o fluxo através dele. Por exemplo, pode haver uma grande pressão de água acima do cano, que tenta empurrar a água para baixo através do cano. Mas pode haver uma pressão de água igualmente grande abaixo do cano, que tenta empurrar a água de volta pelo cano. Se essas pressões forem iguais, não haverá fluxo de água. (Na imagem à direita, a pressão da água abaixo do tubo é zero.)

A resistência e condutância de um fio, resistor ou outro elemento é principalmente determinada por duas propriedades:

• geometria (forma) e
• material

A geometria é importante porque é mais difícil empurrar a água por um tubo longo e estreito do que um tubo largo e curto. Da mesma forma, um fio de cobre longo e fino tem maior resistência (menor condutância) do que um fio de cobre curto e grosso.

Os materiais também são importantes. Um cachimbo cheio de cabelo restringe o fluxo de água mais do que um cachimbo limpo do mesmo formato e tamanho. Da mesma forma, os elétrons podem fluir livre e facilmente através de um fio de cobre, mas não podem fluir tão facilmente através de um fio de aço do mesmo formato e tamanho, e eles essencialmente não podem fluir através de um isolante como borracha, independentemente de seu formato. A diferença entre cobre, aço e borracha está relacionada à sua estrutura microscópica e configuração eletrônica, e é quantificada por uma propriedade chamada resistividade.

Além da geometria e do material, existem vários outros fatores que influenciam a resistência e a condutância.

É lógico que não podemos colocar tanto volume em um tubo estreito do que em um mais largo com a mesma pressão. Isso é resistência. O tubo estreito "resiste" ao fluxo de água através dele, embora a água esteja na mesma pressão que o tanque com o tubo mais largo.

Em termos elétricos, isso é representado por dois circuitos com tensões iguais e resistências diferentes. O circuito com maior resistência permitirá que menos carga flua, o que significa que o circuito com maior resistência tem menos corrente fluindo através dele.

Etapa 5: Lei de Ohm:

A lei de Ohm afirma que a corrente através de um condutor entre dois pontos é diretamente proporcional à tensão entre os dois pontos. Introduzindo a constante de proporcionalidade, a resistência, chega-se à equação matemática usual que descreve esta relação:

onde I é a corrente através do condutor em unidades de amperes, V é a tensão medida através do condutor em unidades de volts e R é a resistência do condutor em unidades de ohms. Mais especificamente, a lei de Ohm afirma que o R nesta relação é constante, independente da corrente.

A lei foi batizada em homenagem ao físico alemão Georg Ohm, que, em um tratado publicado em 1827, descreveu medições de tensão e corrente aplicadas por meio de circuitos elétricos simples contendo vários comprimentos de fio. Ohm explicou seus resultados experimentais por uma equação ligeiramente mais complexa do que a forma moderna acima (ver História).

Na física, o termo lei de Ohm também é usado para se referir a várias generalizações da lei originalmente formuladas por Ohm.