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Investigação Lei de Ohm para Condutores Ohmic e Nonohmic
 
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Investigação Lei de Ohm para Condutores Ohmic e Nonohmic

Overview

Fonte: Andrew Duffy, PhD, Departamento de Física, Universidade de Boston, Boston, MA

Este experimento investiga a lei de Ohm, que relaciona corrente, tensão e resistência.

Um dos objetivos do experimento é familiarizar-se com os diagramas de circuitos e a terminologia envolvida em circuitos básicos, como resistor, resistência, corrente, tensão e fonte de alimentação. Ao final do experimento, a familiaridade é adquirida com como ligar um circuito e como medir tanto a corrente que passa por um componente de circuito quanto a diferença potencial, ou tensão, através dele.

Em um circuito, uma bateria ou fonte de alimentação fornece uma tensão medida em volts (V) que faz a carga fluir. Outros elementos do circuito, como lâmpadas ou resistores (que muitas vezes são apenas fios estreitos longos enrolados em bobinas) limitam a taxa em que a carga flui. A taxa de fluxo da carga é conhecida como corrente medida em amperes (A), ou amps para abreviar, e o grau em que resistores e filamentos de lâmpadas limitam o fluxo é conhecido como sua resistência medida em ohms (Ω). Este experimento envolve uma exploração da lei de Ohm, que relaciona tensão, corrente e resistência.

Este experimento também explora a diferença entre um componente de circuito básico chamado resistor, uma lâmpada e um diodo emissor de luz (LED). Lâmpadas e LEDs fazem parte de muitos dispositivos comuns e são usados para várias aplicações de iluminação, e por isso é útil entender como eles funcionam.

Principles

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A lei de Ohm estabelece que a corrente através de um dispositivo é diretamente proporcional à diferença potencial aplicada ao dispositivo. A lei de Ohm pode ser aplicada a componentes individuais do circuito, ou a um circuito como um todo, para prever valores de corrente, se a tensão e a resistência forem conhecidas, ou para determinar a resistência, se a tensão e a corrente são medidas.

A resistência é uma medida de quão difícil é a carga fluir. Alguns resistores têm uma resistência que é aproximadamente constante, enquanto em outros, a dependência de temperatura da resistência é um fator importante. Note que a resistência aumenta, em geral, à medida que a temperatura aumenta. Um diodo é essencialmente uma válvula unidirecional para carga, permitindo que a corrente flua facilmente em uma direção, mas não permitindo que muita corrente flua na direção oposta. A resistência de um diodo depende fortemente da tensão através dele, e isso será demonstrado no experimento.

Os dados coletados no experimento serão usados para estudar a lei de Ohm em vários circuitos.

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Procedure

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1. Familiarizar-se com o aparelho

  1. Para este experimento, use um computador para coletar os dados e gráficos de gráficos de gráficos.
  2. Carregue o software para o experimento clicando duas vezes no ícone "Ohm's Law" na área de trabalho do computador. Quando o programa é carregado, a tela deve mostrar um gráfico, uma tabela e, no canto inferior direito, caixas com as leituras de tensão e corrente.
  3. Clique no botão Zero e selecione "Zero Todos os sensores" para ter certeza de que as leituras de tensão e corrente leram zero quando não estiverem conectadas.
  4. Seguindo o diagrama do circuito na Figura 1,conecte os dois cabos no sensor de tensão à fonte de alimentação, que é uma caixa azul. O chumbo vermelho vai para a conexão + na fonte de alimentação, e a pista preta vai para o - um.
  5. Certifique-se de que o sensor atual não está conectado e certifique-se de que o botão atual na fonte de alimentação seja transformado ao máximo (totalmente no sentido horário).
  6. Inicie a coleta de dados pressionando o ícone do Arqueiro Verde (o botão Coletar) no computador.
  7. Observe o que acontece quando o botão de tensão na fonte de alimentação é movido entre suas configurações mínimas e máximas. O ajuste do botão permite que a tensão seja alterada de cerca de +0,7 V para pelo menos +5 volts.
  8. Inverta os cabos do sensor de tensão (vermelho para -, preto para +) e repita as etapas 1.5-1.7. Desta vez, o ajuste do botão dá uma faixa de tensão de cerca de −0,7 V a -5 V. Assim, ajustando a tensão de alimentação, bem como invertendo os cabos, quase toda a gama de tensões entre -5 V e +5 V está disponível para trabalhar neste experimento. Observe que a fonte de alimentação usada neste experimento não pode colocar tensões abaixo de 0,7 volts (uma característica incomum), mas há mais do que suficiente de uma faixa para determinar as relações de interesse.

Figure 1

Figura 1: Este diagrama do circuito mostra a fonte de alimentação (marcada com os símbolos + e - e o sensor de tensão (V) conectado por dois fios.

2. Investigando a Lei de Ohm

Nota: Nesta parte do experimento, o objetivo é observar gráficos de corrente versus tensão.

  1. Para alterar o que é exibido em um eixo, clique no rótulo do eixo, verifique a opção apropriada para exibir as informações desejadas e (apenas para o eixo y) remova a verificação(s) de itens indesejados no visor. Defina o gráfico para mostrar corrente no eixo y e potencial no eixo x.
  2. Para definir as escalas corretamente, clique em um dos números à esquerda do eixo y. Isso traz uma caixa para inserir um mínimo de -0,3 e um máximo de 0,3 para o dimensionamento manual. Repita para o eixo x clicando em um número abaixo do eixo x para trazer a caixa de configurações. Desta vez, digite -6 como o mínimo e 6 como o máximo. Isso prepara o gráfico para exibir correntes entre −0,3 e +0,3 A, e tensões entre -5 V e +5 V.
  3. Seguindo o diagrama do circuito na Figura 2,ligue o circuito para medir a tensão e a corrente em um resistor de 100 Ω.
  4. Use uma caixa de resistência como resistor. Defina para 100 Ω. Na fonte de alimentação, gire a corrente e a tensão ao máximo.
  5. Pressione o ícone do Arqueiro Verde para iniciar a coleta de dados.
  6. Ao longo de vários segundos, abaixe a tensão para o mínimo e, em seguida, reverta rapidamente os cabos na fonte de alimentação. Ao longo de vários segundos, gire o botão de tensão em direção ao máximo novamente. Isso deve resultar em um gráfico de corrente versus tensão, variando de cerca de -5 volts a +5 volts.
  7. Repita o processo até ficar satisfeito com o gráfico, selecione o menu Data e escolha "Armazene a última execução".
  8. Observe que o gráfico da corrente vs. tensão é uma linha reta. Aperte o botão Regressão para executar um ajuste linear aos dados e registe a inclinação da linha.
    1. A Figura 4 mostra o gráfico de corrente vs. tensão para o resistor marcado 100 Ω. Um ajuste linear aos dados resulta em uma inclinação de 0,00991 A/V. O inverso da resistência é 0.0100 A/V, que é uma boa combinação com a inclinação.
  9. Altere a resistência da caixa de resistência para 200 Ω e repita as etapas 2.6-2.9.
  10. Compare os dois valores de inclinação com os valores de resistência correspondentes e determine a relação entre corrente, tensão e resistência.
    1. A Figura 5 mostra o gráfico de corrente vs. tensão para o resistor marcado 200 Ω. Um ajuste linear aos dados resulta em uma inclinação de 0,00510 A/V. O inverso da resistência é 0,00500 A/V, o que é uma boa combinação com a inclinação.
  11. A inclinação do gráfico de corrente versus tensão acaba por ser o inverso da resistência. Isso pode ser escrito como:
    Equation 1 ou Equation 2
    1. A corrente enviada pela fonte de alimentação é proporcional à tensão e inversamente proporcional à resistência. Quando a corrente é grafada em função da tensão, espera-se que a inclinação da linha seja o inverso da resistência.


Figure 2
Figura 2: Este diagrama de circuito mostra a fonte de alimentação conectada a um resistor de 100 Ω, com o sensor de tensão (V) medindo a diferença potencial entre o resistor e o amômetro medindo a corrente através dele.


 Figure 3
Figura 3: Neste diagrama de circuito, o resistor é substituído por uma lâmpada, e um interruptor foi adicionado. O interruptor está inicialmente aberto, de modo que a lâmpada está desligada no início.
Figure 4
Figura 4: Gráfico de corrente vs. tensão com um resistor marcado 100 Ω. Um ajuste linear aos dados resulta em uma inclinação de 0,00991 A/V. Observe que os dados perdidos no centro do gráfico são simplesmente um artefato da fonte de alimentação específica usada no experimento, que tem a característica incomum de não produzir tensões abaixo de cerca de 0,7 V. Figure 5
Figura 5: Gráfico de corrente vs. tensão com um resistor marcado 200 Ω. Um ajuste linear aos dados resulta em uma inclinação de 0,00510 A/V.

3. Investigar lâmpadas

  1. Substitua o resistor do circuito anterior por uma pequena lâmpada incandescente (Figura 3). Repita o experimento, obtendo um gráfico de corrente em função da tensão para a lâmpada. Observe quaisquer diferenças na forma de gráfico para a lâmpada em comparação com o resistor.
    1. A Figura 6 mostra um gráfico de corrente versus tensão para a lâmpada incandescente. Em geral, a corrente aumenta à medida que a tensão aumenta, mas o gráfico não é tão linear quanto os gráficos para os resistores. O gráfico também mostra que a corrente é, em geral, maior em uma determinada tensão quando a tensão está aumentando, em comparação com seu valor nessa mesma tensão quando a corrente está diminuindo.
  2. Agora, plot current vs. time em vez de corrente vs. voltagem. Para fazer isso, clique no rótulo "tensão" no eixo horizontal para trazer à tona a lista de variáveis contra as quais o gráfico pode ser plotado e escolha o tempo em vez de tensão.
  3. Vire a tensão para cima, de modo que a lâmpada brilhe brilhantemente e, em seguida, desligue a fonte de alimentação, usando o interruptor liga/desliga. Clique no botão Coletar (arqueiro verde) na tela para iniciar a coleta de dados e ligue a fonte de alimentação.
    1. Observe o gráfico, mostrado na Figura 7. A corrente através da lâmpada vai para um nível alto quando a fonte de alimentação é ligada e, em seguida, cai para um valor constante menor. Isso é bem diferente do comportamento de um resistor padrão, que normalmente saltaria direto para um valor constante quando a fonte de alimentação é ligada.
    2. A explicação para ambas as observações é a mesma. Quanto maior a temperatura do filamento da lâmpada, maior a resistência. Quando a lâmpada está desligada (Figura 7), o filamento está em temperatura ambiente com uma resistência relativamente baixa. Quando a lâmpada é então ligada, a corrente salta para um alto nível por causa da baixa resistência, mas à medida que o filamento aquece e a resistência aumenta, a corrente cai. Eventualmente, a temperatura se estabiliza, e a corrente é constante.
    3. Quando a tensão está aumentando (Figura 6),o filamento está aquecendo, então com um filamento mais frio a resistência é menor e a corrente maior. Para a segunda metade do gráfico, quando a tensão reduz, o filamento está esfriando a partir de uma temperatura mais alta, e assim tem maior resistência e corrente mais baixa.
  4. Por fim, volte para corrente vs. tensão e use um LED no lugar da lâmpada.
  5. Como antes, obtenha um gráfico de corrente em função da tensão para o LED. Certifique-se de usar tensões positivas e negativas para ver toda a gama do comportamento do circuito com o LED.
    1. A Figura 8 mostra o gráfico de corrente versus tensão para um LED. O diodo não permite que a corrente flua em uma direção, quando a tensão é negativa; no entanto, quando a tensão é positiva e acima de um certo limiar, a corrente flui e aumenta tão rapidamente quanto a tensão aumenta. Desta forma, o diodo age como uma válvula unidirecional para corrente. Note que o filamento da lâmpada e os resistores não mostram tal direcionalidade.

Figure 6
Figura 6: Gráfico de corrente vs. tensão para uma lâmpada incandescente. O gráfico começa no canto inferior esquerdo, depois seguiu a faixa superior à medida que a tensão era aumentada, e a lâmpada ficou muito brilhante. A tensão foi então diminuída, e o gráfico seguiu a faixa inferior até o canto inferior esquerdo.

Figure 7
Figura 7: Gráfico atual versus tempo para uma lâmpada incandescente. A lâmpada estava desligada, e então a tensão foi ligada em torno da marca de 1,4 segundos e mantida em um valor constante. O pico atual atingiu cerca de 0,57 A, e depois caiu para um valor constante de cerca de 0,27 A.

Figure 8
Figura 8: Gráfico de corrente vs. tensão para um diodo. Um diodo, de certa forma, age como uma válvula unidirecional para corrente. O diodo não permite que a corrente flua quando a tensão é negativa, mas quando a tensão é positiva e acima de um certo limiar, a corrente flui e aumenta tão rapidamente quanto a tensão aumenta em uma direção.

A lei de Ohm diz respeito à tensão, corrente e resistência a um componente elétrico, ou um circuito.

Tensão, V, corrente, I e resistência, R, são fundamentais para o funcionamento de todos os dispositivos eletrônicos como rádios, music players e computadores, bem como aplicações elétricas mais simples como fiação de casa, caixas de fusíveis e iluminação doméstica. Os circuitos em todos esses casos se comportam de forma previsível e podem ser projetados racionalmente por causa da lei de Ohm.

Este vídeo introduzirá terminologia do circuito, símbolos e diagramas e, em seguida, demonstrará como ligar um circuito simples. Além disso, a corrente através de um componente e a tensão através de um componente serão medidas.

A saída de uma fonte de alimentação ou bateria possui terminais positivos e negativos, que respectivamente definem valores altos e baixos de uma quantidade chamada potencial elétrico. A diferença nesse potencial elétrico é a tensão,medida em volts. Para saber mais sobre essas terminologias, veja o vídeo sobre o potencial elétrico nesta coleção.

Um circuito é uma rede de componentes conectados para executar uma determinada função. Corrente é o movimento de uma quantidade de carga por segundo e é medida em amperes, ou ampers, para abreviar. Curiosamente, apenas elétrons, que têm carga negativa, se movem através de fios em um circuito. Por causa de sua carga negativa, os elétrons fluem na direção oposta à da correnteza. A corrente elétrica só pode fluir através de fios e componentes conectados em uma alça completa, assim como a corrente de água de um reservatório através de uma bomba, em uma roda de água e de volta para o reservatório.

Até certo ponto, todos os elementos elétricos impedem o fluxo da corrente, como o gargalo em um tubo que reduz o fluxo de água. A resistência descreve este fenômeno, e é medida em ohms. A lei de Ohm define resistência como tensão através de um componente dividido pela corrente através do componente.

Para componentes especificamente chamados de resistores,a resistência é aproximadamente constante. O resistor em uma placa de circuito comum é tipicamente um pequeno objeto cilíndrico com bandas representando um código de cor para a resistência. Pela lei de Ohm, a corrente através de uma resistência constante é diretamente proporcional à tensão aplicada e inversamente proporcional à resistência. Na realidade, a resistência da maioria dos materiais geralmente aumenta à medida que a temperatura aumenta.

A resistência de alguns dispositivos, como diodos, também varia com a condição de operação - ou seja, tensão e corrente- bem como outros fatores. Um diodo é um dispositivo que, a uma aproximação muito boa, permite que a corrente flua em uma direção apenas. Como resultado, ele se comporta como uma válvula unidirecional, passando corrente através de uma resistência muito baixa na direção "para a frente" e proibindo a corrente com uma resistência extremamente alta em "reverso".

Um diodo emissor de luz, também conhecido como "LED", é um diodo que é iluminado com o fluxo de corrente para a frente. Como um diodo simples, um LED não passa corrente na direção inversa, nesse caso não está iluminado.

Com uma relação simples entre tensão, corrente e resistência, a lei de Ohm muitas vezes expressa como V é igual a I vezes R-torna possível calcular qualquer uma dessas quantidades se as outras duas forem conhecidas.

Este vídeo mostrará que a tensão através de um componente e a corrente através dele podem ser facilmente medidas. Esses experimentos também demonstrarão a lei de Ohm em vários circuitos e ilustrarão a relação entre corrente e tensão para um resistor, uma lâmpada e um diodo emissor de luz.

O aparelho de medição consiste em um sensor de tensão, um sensor de corrente, uma fonte de alimentação, um sistema de medição controlado pelo computador e os componentes a serem testados.

Para carregar o software de medição, clique duas vezes no ícone "Ohm's Law" na área de trabalho do computador. Após o programa ser carregado, a tela deve exibir um gráfico, uma tabela e no canto inferior esquerdo, caixas com as medidas de tensão e corrente.

Clique no botão "Zero" e selecione "Zero todos os sensores" para remover deslocamentos no sistema de aquisição de dados. As leituras de tensão e corrente devem ser zero quando as pistas do aparelho não estiverem conectadas a nada.

Selecione os dados que serão plotados clicando no rótulo do eixo e verificando a opção desejada. Apenas para o eixo y, desmarque itens que não serão plotados. Defina o gráfico para mostrar corrente no eixo y e tensão no eixo x.

Em seguida, defina a escala do eixo y para 0,3 negativo para 0,3 amperes positivos, e coloque a escala do eixo x para 5 negativos a 5 volts positivos.

Uma caixa de resistência, que pode ser definida para diferentes valores de resistência, é usada no primeiro experimento para observar como a corrente varia de tensão com um resistor.

Coloque a caixa de resistência em 100 ohms. Em seguida, misture a fonte de alimentação, os sensores de tensão e corrente e a caixa de resistência, como mostrado no diagrama do circuito. Por fim, defina as saídas de corrente e tensão da fonte de alimentação para os valores máximos.

Clique no ícone do Arqueiro Verde para iniciar a coleta de dados. Reduza lentamente a tensão da fonte de alimentação ao seu valor mínimo. Em seguida, inverta os cabos na fonte de alimentação e aumente lentamente a tensão de volta ao seu valor máximo. Isso deve resultar em um gráfico de corrente versus tensão, abrangendo a faixa de -5 a +5 volts. Repita este processo até que o gráfico esteja livre de ruído e, em seguida, armazene os dados.

Para a resistência de 100 ohm, o enredo de corrente versus tensão é uma linha reta. Realize um ajuste linear nos dados e regise a inclinação da linha. A inclinação deve ser muito próxima de 0,0100 amp/volt, o inverso da resistência.

Agora, defina a caixa de resistência para 200 ohms e repita o experimento para obter outro enredo de corrente versus tensão ao longo da faixa de -5 a +5 volts. Desta vez, a inclinação deve ser muito próxima de 0,00500 amp/volt, novamente o inverso da resistência.

Para uma resistência constante, a lei de Ohm afirma que a corrente através do resistor é proporcional à tensão aplicada e inversamente proporcional à resistência. Isso é evidente nos dados para os resistores de 100 ohm e 200 ohm.

Para o próximo experimento, substitua a caixa do resistor por uma pequena lâmpada incandescente, como mostrado no diagrama esquemático. Defina o controle de tensão na fonte de alimentação ao máximo e inicie a coleta de dados. Reduza lentamente a tensão ao valor mínimo e aumente lentamente a tensão de volta ao máximo. O computador exibirá um gráfico de corrente versus tensão ao longo da faixa de cerca de +0,7 a +5 volts.

Inverta os cabos de alimentação, defina o controle de tensão ao máximo e repita o processo de redução da tensão ao valor mínimo e aundo-a novamente ao valor máximo. O computador exibirá um gráfico de corrente versus tensão ao longo da faixa de cerca de -0,7 a -5 volts.

O enredo de corrente versus tensão para a lâmpada não é tão linear quanto para os resistores. O gráfico também mostra que, em geral, a corrente é maior em uma determinada tensão quando a tensão está aumentando, em comparação com o que está na mesma tensão quando a tensão está diminuindo.

Quando a tensão está aumentando, o filamento está aquecendo. Com um filamento que começa mais frio, a resistência é menor e a corrente é maior. Quando a tensão está diminuindo, o filamento está esfriando a partir de uma temperatura mais alta, por isso tem uma resistência maior e uma corrente mais baixa no mesmo ponto de operação.

Agora, plote corrente versus tempo em vez de corrente versus tensão. Para isso, altere o eixo horizontal para medir o tempo.

Ajuste a tensão ao máximo, para que a lâmpada brilhe brilhantemente. Em seguida, desligue a fonte de alimentação. Clique no arqueiro verde para iniciar a coleta de dados e, em seguida, ligue a fonte de alimentação novamente.

A corrente através da lâmpada é alta imediatamente após a fonte de alimentação ser ligada, em seguida, cai para um valor mais baixo e constante. Enquanto a lâmpada está desligada, o filamento está em temperatura ambiente e tem uma resistência relativamente baixa.

Quando a lâmpada é ligada pela primeira vez, a corrente salta para um nível alto por causa dessa baixa resistência. No entanto, a resistência do filamento aumenta significativamente com a temperatura - à medida que o filamento aquece, a resistência cresce e a corrente cai. Eventualmente sua temperatura se estabiliza e a corrente é constante.

Por fim, defina o eixo para exibir corrente versus tensão novamente e use um diodo emissor de luz-um "LED" no lugar da lâmpada. A corrente máxima para LEDs comuns é de cerca de 30 mA, por isso a corrente deve ser cuidadosamente monitorada para evitar a queima do LED.

Use o procedimento dos experimentos anteriores para obter um gráfico de corrente em função da tensão para o LED. Primeiro aplique tensão positiva em todo o LED e ajuste a tensão de alimentação do máximo ao mínimo. Em seguida, troque os cabos de alimentação e ajuste a tensão de volta mínima para máxima para observar a direcionalidade do LED.

A trama resultante mostra que um LED permite que a corrente flua somente quando a tensão é positiva e maior que um determinado limiar. Uma vez que o diodo "liga", a corrente aumenta rapidamente à medida que a tensão aumenta. No entanto, não há fluxos de corrente para tensão negativa. Esse comportamento demonstra como um LED age como uma válvula unidirecional para corrente.

Aparelhos eletrônicos são onipresentes no mundo de hoje, e a lei de Ohm tem um papel a desempenhar em cada um desses aparelhos.

Por exemplo, a lâmpada em uma lanterna foi projetada para funcionar com duas baterias de 1,5 volts em série. Por isso, deve-se escolher uma lâmpada com resistência adequada, de modo que as baterias forneçam uma quantidade adequada de corrente para fazer a lâmpada brilhar brilhantemente, sem queimar. A lei de Ohm ajuda a guiar essa escolha de lâmpada.

Outra aplicação da lei de Ohm é limitar a corrente fornecida a um determinado dispositivo, talvez para reduzir o risco de choque elétrico, ou para proteger o dispositivo em si. A lei de Ohm nos diz que, para uma determinada tensão, quanto maior a resistência, menor a corrente. Portanto, colocando uma resistência em série com o dispositivo, podemos limitar a corrente que flui através do dispositivo e, assim, evitar qualquer dano potencial.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à lei de Ohm. Agora você deve entender a relação entre a tensão através de um componente elétrico, sua resistência e a corrente resultante através dele, bem como as diferenças no comportamento elétrico de resistores, lâmpadas e diodos emissores de luz. Obrigado por assistir!

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Applications and Summary

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Aparelhos eletrônicos são onipresentes no mundo de hoje, e a lei de Ohm tem um papel a desempenhar em cada um desses aparelhos. Por exemplo, uma lanterna projetada para funcionar em duas baterias de 1,5 volts em série (um total de 3 volts), deve ter uma lâmpada com uma resistência adequada, de modo que as baterias forneçam uma quantidade adequada de corrente para permitir que a lâmpada brilhe brilhantemente, sem queimar. A lei de Ohm ajuda a guiar essa escolha de lâmpada.

Outra aplicação é uma lâmpada de três vias, que pode brilhar com três diferentes níveis de brilho. Uma maneira de fazer tal lâmpada é ter um único filamento, mas colocar a tensão em diferentes partes dela, dependendo de qual brilho é desejado. Mais uma vez, a lei de Ohm desempenha um papel na determinação da fração do filamento que a tensão é colocada, e a resistência de todo o filamento.

Outra aplicação da lei de Ohm é limitar a corrente fornecida a um determinado dispositivo, talvez para reduzir o risco de choque elétrico, ou para proteger o dispositivo em si (altas correntes podem causar superaquecimento e queimação). A lei de Ohm nos diz que, para uma determinada tensão, quanto maior a resistência, menor a corrente, e assim a corrente pode ser limitada em um dispositivo colocando uma grande resistência em série.

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