Condições extremas de funcionamento (como queimar um LED).

    Em geral peças são fabricadas para funcionar em determinadas condições e suportam algumas condições extremas. Os manuais das peças trazem essas condições. Em componentes eletrônicos, as condições extremas estão em um quadro marcado "Absolute Maximum Ratings". Nessas condições o componente pode queimar ou ter sua vida útil reduzida significativamente.

    Em um manual de um LED (https://www.vishay.com/docs/83171/tlur640.pdf) tem-se Vr=6V, ou seja, se esse LED for ligado com os terminais invertidos, a maior tensão que ele suporta é 6V. If=20mA acima de 20mA constante o LED pode queimar ou ter sua vida útil reduzida significativamente. Ifsm=1A caso receba um pico de corrente acima de 1A o LED pode queimar. Pv=60mW a potência sobre o LED deve ser no máximo 60mW. É muito provável que este componente queime imediatamente se conectado com a polaridade certa diretamente na USB (por exemplo os pinos 5V e GND do arduino) pois a USB fornece 5V e até 500mA.

   Outro exemplo: um pino do arduino configurado para saída digital suporta até 5V e 40mA (https://playground.arduino.cc/Main/ArduinoPinCurrentLimitations). Em tese, conectar um LED diretamente ao pino de saída vai queimar ou o LED ou o pino do arduino ou os dois. Não se recomenda fazer isto MAS...
... os pinos do arduino (especificamente do ATMega328 têm proteção contra sobrecorrente, o que geralmente evita que a saída do arduino e o LED queimem.

   Componentes robustos como arduino e boas placas USB têm circuitos que evitam que sofram danos. Usar um hub USB entre o computador e o arduino ou outro componente pode trazer um pouco mais de segurança.

Conectando eletricidade, dinâmica, termodinâmica para conseguir um banho quente...

   Do produto V*I resulta a potência (geralmente denotado pela letra P), medida em Watts (abreviação da unidade de medida: W) ou seja: P=V*I. Esta é a mesma potência que se usa em dinâmica.

    Na dinâmica, potência é trabalho por tempo: P=T/t. Trabalho é medido em Joules (J), a mesma unidade de medida de calor em termodinâmica. Isto ajuda a lembrar que trabalho pode ser convertido em calor. Se todo o trabalho for convertido em calor, então T=Q. Supondo que não há mudança de estado, a equação Q=m*c*(Tf-Ti) é válida para relacionar calor e aumento de temperatura.

    Juntando tudo:

    (V*I)*t = m*c*(Tf-Ti).

    Esta fórmula pode ser usada neste exemplo:
    Você tem uma banheira cheia com 200kg de água a 18 graus Celsius e quer tomar um banho quentinho com água a 36 graus. Para isso você tem um aquecedor 220V, 20A que converte toda a energia em calor e este calor não é dissipado no ambiente. Por quanto tempo a água tem que ser aquecida por este aquecedor para que você possa tomar um banho quentinho? Substituindo os números  na fórmula tem-se t=200000*1*(36-18)/4400=818,18s ou 13,63 minutos.

Resistência elétrica e "Lei de Ohm"

    Para simplificar vamos limitar os circuitos àqueles mais comuns, por exemplo o da lâmpada da sala, há pelo menos uma fonte de energia e pelo menos um consumidor de energia, lembre que os fios que conectam lâmpada à tomada são parte do circuito. Depende de você avaliar se são ou não significativos e isto depende do seu objetivo nesse estudo. Aqui deseja-se apresentar a Lei de Ohm e para isso podemos negligenciar os fios.

   Diferentes materiais deixam as cargas passar através deles com maior ou menor facilidade. Em geral metais deixam as cargas passar com mais facilidade, plásticos e borrachas deixam as cargas passar com menos facilidade. Essa característica dos materiais é chamada resistência elétrica, geralmente denotada por R e medida em Ohms).

   Em uma grande variedade de materiais (mas não em todos!), tensão, corrente e resistência se relacionam pela fórmula V=R*I (Lei de Ohm). Experimentando com esta fórmula, num mesmo material, ou seja, a resistência é a mesma, submetido a uma determinada tensão, passa uma determinada corrente. Se dobrarmos a tensão, a corrente dobra também.

   Usando a fórmula de outra forma possível, diferentes materiais submetidos à mesma tensão deixam passar diferentes correntes. Quanto maior a resistência elétrica, menor a corrente, quanto menor a resistência elétrica, maior a corrente. Materiais com "baixa" resistência elétrica são chamados condutores elétricos e material com "alta" resistência elétrica são chamados isolantes elétricos.

Sobre pele e eletricidade

Condutores elétricos são materiais que oferecem pouca resistência à passagem de cargas elétricas, isolantes oferecem muita resistência. A definição de resistência elétrica está na próxima seção.

Comparada a metais, a pele está mais para isolante que para condutor elétrico. Até certas tensões a corrente elétrica que passa pela pela é baixa a ponto de não ser sentida. A pele nos protege de sentir choques elétricos.

Pele fina e pele molhada protegem menos que pele seca. Consequentemente, com menor "voltagem" (tensão, potencial elétrico), sente-se choque na língua ou dentro da boca, comparado às mãos ou aos pés.

Em geral nas mãos, braços, pés, tensões até 12V não provocam sensação de choque. Quando eu estagiava no "Distribuidor Geral" de telefonia, frequentemente tocava em conexões e fios a 48V. Eu e outras pessoas, já sentíamos choque a essa tensão. Vindo sem aviso, dá um susto, sem maiores conseqüencias.

Em computadores em funcionamento normal, exceto pela tomada de alimentação de energia e pelos circuitos internos da fonte, as tensões não superam 24V. Em condições normais, não se sente choque tocando na placa-mãe do computador ou em um arduino.

Sobre a sensação de choque elétrico.

    Há sensação de choque elétrico quando corrente elétrica suficientemente intensa para ser sentida percorre nosso corpo.
    Na natureza é incomum que nosso corpo seja percorrido por corrente elétrica induzida por fonte externa e nas ocasiões em que isso ocorre na natureza geralmente há risco para nós. Provavelmente os seres humanos que sobreviveram a essas situações, quando possível, afastaram-se da fonte de eletricidade. Em nós, sensações desagradáveis são bons motivos para nos afastar. Faz muito sentido que para a maioria dos seres humanos a sensação do choque elétrico seja desagradável: desde um susto até dor.

Há muitas gravações de jogos de futebol em que um raio cai no campo e instantaneamente alguns jogadores desmaiam (https://www.youtube.com/watch?v=7hkpes_AcsM). O circuito mais significativo para explicar o choque certamente é composto pelo corpo do jogador (caso contrário ele não teria sentido o choque) e... pelo chão. Os (dois) pontos de contato são os pés do jogador tocando o chão. O raio descarregou uma enorme quantidade de cargas no chão, provocando o movimento das cargas do raio e as pré-existentes, no chão. Consequentemente, cada ponto do chão tem diferentes potenciais elétricos. Entre os dois pontos do chão onde os pés do jogador estão tocando, a diferença de potencial elétrico faz as cargas se moverem através do corpo do jogador, ou seja, há corrente elétrica. Esta pode ser suficiente para fazer o jogador desmaiar.

Sobre circuitos elétricos e choques

Para haver corrente elétrica é necessário existir um circuito elétrico. Circuito é um caminho fechado. Logo para haver corrente elétrica há um caminho fechado por onde as cargas passam E há cargas passando por esse caminho.

Às vezes não é imediato identificar onde está o circuito elétrico pois ar, terra e mesmo vácuo podem fazer parte de circuitos. Por exemplo, há muitas gravações de jogos de futebol em que um raio cai no campo e instantaneamente alguns jogadores desmaiam (https://www.youtube.com/watch?v=7hkpes_AcsM). O circuito mais significativo para explicar o choque certamente é composto pelo corpo do jogador (caso contrário ele não teria sentido o choque) e... pelo chão. Os (dois) pontos de contato são os pés do jogador tocando o chão. O raio descarregou uma enorme quantidade de cargas no chão, provocando o movimento das cargas do raio e as pré-existentes, no chão. Consequentemente, cada ponto do chão tem diferentes potenciais elétricos. Entre os dois pontos do chão onde os pés do jogador estão tocando, a diferença de potencial elétrico faz as cargas se moverem através do corpo do jogador, ou seja, há corrente elétrica. Esta pode ser suficiente para fazer o jogador desmaiar.

O que é eletricidade?

   Onde há cargas elétricas (elétrons, prótons, íons, ...) há eletricidade.
   Na teoria vigente sobre eletricidade (Nota 1), em qualquer sistema com ao menos duas cargas, elas tendem a se mover pois exercem força uma sobre a outra. Cargas elétricas podem ser positivas ou negativas, cargas de mesmo tipo se repelem, cargas de tipos diferentes se atraem.

   Ainda segundo essa mesma teoria, o potencial da carga se mover é chamado potencial ou tensão elétrica, popularmente chamada "voltagem" (geralmente denotado pela letra V), medido em Volts( abreviação da unidade de medida: V). Cargas em movimento são corrente elétrica, popularmente chamada "amperagem" (geralmente denotado pela letra I), medida em Ampère(abreviação da unidade de medida: A).(Nota 2)

   Neste modelo amplo, existe potencial elétrico em qualquer ponto do universo e nos locais do universo em que há cargas em movimento, há corrente elétrica. Ambos podem ser muito próximos de zero. Cabe ao interessado avaliar se essa condição é significativa ou se é negligenciável.

Nota 1: Teorias são construídas pela humanidade a fim de explicar processos como a formação de chuva, do fogo,... Podemos então usar uma teoria (suficientemente) completa para escolher o que fazer para obter certo resultado e consequentemente construir, por exemplo, máquinas, para gerar esse resultado. Essas teorias são formuladas e testadas (validadas) por cientistas seguindo o chamado Método Científico. Este é considerado, por quem acredita em Ciência, o melhor meio de adquirir conhecimento. Usar a teoria para construir máquinas, em geral, é atribuição de um engenheiro.

Nota 2: A análise dimensional, interpretada corretamente, traz algumas pistas interessantes sobre como esses conceitos, estudados dentro de uma sub-área da física, a eletricidade, relacionam-se com o conceito de força, assunto de outra sub-área da física, a dinâmica (que lida com aquilo que provoca movimento). Para completar, a mais famosa "Lei de Newton": F=m*a conecta a dinâmica à cinemática, sub-área que estuda o movimento.