Lei de Ohm

20 Outubro 2007 at 18:22 (Tutorial) (aplicações, básico, electrónica, led, lei, ohm)

Quando a ‘stora de Física me ensinou a Lei de Ohm, tal como com tantas outras coisas, pensei que era uma inutilidade (desculpe lá ‘stora, mas já não me lembro do seu nome; desculpe lá também aquela vez em que lhe fizemos uma surpresa no seu teste surpresa :)). Ora bolas, tudo bem, podem-se calcular as correntes as tensões e as resistências num circuito arbitrariamente complexo de geradores e resistências; pena é que nunca me tivessem mostrado tal circuito na vida real. Alguns dos circuitos mais pareciam ter vindo da cabeça de um artista alucinado e não de alguma coisa que tivesse alguma utilidade real.

Infelizmente é este o problema do nosso ensino, ou pelo menos era na minha geração de há 15 anos. Será que mudou? Senti que o liceu foi um grandessíssimo rol de oportunidades perdidas, em que poderia ter realmente aprendido muitas coisas que apenas decorei e empacotei na zona das “cenas que tenho que saber pa passar à disciplina” do meu cérebro. Infelizmente o conteúdo desta zona é reciclado noutra coisa qualquer ao fim de algum tempo, uma vez que o espaço lá é relativamente escasso. Até que um dia tipicamente anos mais tarde, muitas vezes num momento eureka, e quase sempre após longas e dolorosas sessões reflexivas em que nos sentimos completamente à nora, uma nova forma de ver as coisas consegue de alguma maneira re-reclicar aquele conhecimento antigo de volta e dar-lhe então o sentido que o faz passar para a zona das “cenas úteis a ter sempre à mão“. Xiiiiiiiiiiiça!!… Tanto tempo perdido à volta disto! Podia ter sido evitado há 15 anos!

Bom, agora que já casquei no Ensino, vou mostrar o que podia ter sido um exemplo de aplicação prático na minha aula de Física sobre a Lei de Ohm. E assim ter-me mostrado que realmente aquela expressão “da treta” tinha alguma utilidade mais do que fazer-me passar à disciplina.

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Meninas e Meninos (hehehe), existem umas lampadas muito pequenas que se designam por LED, iniciais da língua Inglesa para díodo emissor de luz. Muitos dos aparelhos electrónicos que vocês têm lá por casa e não só, utilizam LEDs como indicadores de aparelho ligado, e estão acesas quando o aparelho se encontra em fucionamento. Estas luzinhas são tipicamente vermelhas porque foi a cor inventada primeiro e é também a mais fácil de fabricar, mas existem LEDs de outras cores e até multicores.
Os LEDs são utilizados em vez de lampadas tradicionais porque são bastante mais robustos e fiáveis, mais pequenos e consomem menos energia.

Por outro lado, ao contrário das lampadas tradicionais que basta ligar directamente a um gerador de força electromotriz (FEM – Força ElectroMotriz), para acender um LED é necessário limitar a um valor máximo a corrente que passa através dele. E para conseguir isto usamos uma resistência em série com o LED e com gerador de FEM. Mas, como saber qual o valor da resistência a usar? Basta usar uma resistência com um valor qualquer?… Naturalmente que não, neste Mundo nada funciona ao acaso. Para saber o valor da resistência usamos a Lei de Ohm, e para nos facilitar a vida precisamos de uma representação do circuito consituído pelo gerador de FEM, resistência e o LED:

O circuito à partida já nos apresenta um problema: é que o LED não é uma resistência nem um gerador, e portanto como é que o vamos usar na Lei de Ohm que só lida com geradores e resistências??? Bom, a verdade é que, quando em funcionamento, o LED provoca uma redução na força electromotriz do circuito tal como o faz uma resistência, mas com a particularidade de não afectar a corrente que o atravessa. Isto é equivalente a, para efeitos da Lei de Ohm, substituir o LED por um gerador de FEM ligado em oposição ao gerador principal, tendo o efeito de reduzir a FEM do circuito:

Como temos 2 geradores ligados directamente em série, podemos simplesmente fundi-los num só. Agora já temos um circuito familiar, e só temos que saber a) qual o valor da FEM dos 2 geradores e b) qual a corrente que queremos fazer passar pelo LED, para podermos calcular o valor da resistência aplicando a Lei de Ohm. Tanto a corrente que queremos fazer passar no LED como a FEM do gerador que o representa são valores fornecidos pelo fabricante do LED, e variam com a sua cor e outros parâmetros. Para este nosso exemplo vamos utilizar os valores 0.02 A e 2 V. Este valor de 0.02 A é o valor que o fabricante indica para obtermos a máxima luminosidade possível sem danificarmos o LED. Quanto à FEM do gerador que fornece energia ao nosso circuito podemos utilizar qualquer valor que nos seja conveniente, desde que seja maior do que os 2 V que serão subtraídos pelo LED; caso contrário ficaríamos com uma FEM negativa, ou seja, nenhum componente estaria a fornecer energia ao circuito e logo o nosso LED não acenderia. Para o nosso circuito vamos escolher 3 V, que podemos obter confortavelmente a partir de 2 pilhas típicas de walkman.
Temos então finalmente todos os valores para o nosso circuito à excepção do valor da resistência, que podemos então calcular usando uma das formas da Lei de Ohm:

V = R x I <=> R = V / I

R = (FEM - LED) / 0.02 A = (3 V - 2 V) / 0.02 A = 50 Ω

Ao contrário do LED, uma resistência tem sempre controle sobre a corrente que a atravessa, como já sabemos da Lei de Ohm. Mas o nosso LED é um componente especial e tem este comportamento também especial. No entanto fomos capazes de encontrar uma forma de o simular, substituindo-o por um componente que exibe um comportamento semelhante, e a que podemos aplicar a Lei de Ohm. É assim que esta Lei encontra inúmeras aplicações em toda a electrónica, desde uma simples luz de funcionamento como esta até dispositivos tão complexos como televisões, telefones móveis e radares.

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Claro que omiti alguns detalhes, mas não te esqueças de que isto era uma aula para dar no liceu. Embora pareça à partida dead simple (ah, é só adicionar uma resistência!), há mais alguns aspectos relacionados com o design de um circuito com LEDs. Mas fica para outro dia…