O estudo do efeito fotoelétrico a partir de atividade experimental

O estudo do efeito fotoelétrico a partir de atividade experimental.
1. Introdução teórica.
No século XIX, Maxwell escreveu seu famoso trabalho que hoje é a base do
eletromagnetismo: as quatro equações. Este trabalho teórico, junto com o
experimento de Hertz no fim deste século, provou que a luz era uma onda
eletromagnética. Entretanto, neste mesmo experimento, Hertz percebeu que ao
incidir luz ultravioleta ocorria uma liberação maior de elétrons da placa. Porém, ao
aplicar a hipótese de que a luz era uma onda, não se conseguia explicar o fenômeno
observado, uma vez que, se a luz é uma onda, por menor que seja a energia da
mesma, se incidida por um longo período de tempo sobre o material, deveria ocorrer
o efeito acima citado: a liberação de elétrons da placa. O problema é que os
experimentos mostravam o contrário.
Em 1905, Einstein, baseado nas ideias de Planck, formulou uma hipótese
afirmando que a luz de comportaria como matéria. Mais tarde essa ''luz de matéria''
veio a ser chamada de fóton. Para Einstein, esse fóton possuiria massa (não de
repouso), momento linear e energia, tal que, sua energia seria dada por:
E = hν
Onde E é a energia cinética, h é a constante de Planck e ν é a frequência do
fóton.
Desta maneira, ao incidir sobre um átomo, o foton transferiria sua energia para
o elétron. Com isso, se esta energia for possível para que o elétron ''abandone'' o
átomo, ocorrerá o efeito fotoelétrico. Esta energia mínima é chamada de Função
Trabalho. Analisando a equação de energia para o fóton, chega-se a conclusão de
que existe uma frequência mínima para que ocorra o efeito, essa frequência é
chamada de frequência de corte.
Para cada tipo de material existe uma Função Trabalho e uma frequência de
corte bem definida. Com isso foi resolvido o problema que a luz como onda não
conseguia explicar. Assim, criou-se a dualidade onda-partícula: a luz pode apresentar
comprimentos ondulatórios e corpusculares.
Resumindo, ao incidir luz (fótons) sobre o material, e se a frequência desses
fótons for superior a frequência de corte para o material em questão, esse material
passa a emitir elétrons.
Por isso que o LED brilha mais quando se aponta o laser para o LDR, pois
ele passa a emitir, ou deixa de passar, mais elétrons.
Matematicamente:
Ec = hv
Onde Ec é a energia cinética do elétron emitido, hv é a energia do fóton e F é
a função trabalho.
2. Montagem do circuito para demonstração do efeito fotoelétrico.
Materiais utilizados:
1.Pedaço de 20x20cm de papelão ou madeira;
2.LDR;
3.Resistor – 680 ohm;
4.LED ( Diodo emissor de luz);
5.Bateria de 9V;
6.Fio condutivo (fio de cobre simples);
7.Chave interruptora;
8.Laser (verde e vermelho);
9.Fita isolante;
10.Multimetro.
Procedimento de Montagem:
Verificar se todos os componentes estão em perfeito estado, podendo ser
utilizado um multímetro para a verificação. No multímetro, os cabos devem ser
conectados de forma que fique no COM (cabo preto) e no conector de tensão e
resistência (cabo vermelho), de acordo com a literatura.
2.
A bateria deve ser medida na escala V (Volts) do multímetro, sendo conectado
no negativo da bateria o cabo preto e no positivo o vermelho, tendo como referência
9V. O resistor deve ser medido na escala de Ohm (Ω), tendo como referência 680
Ohm.
3.
O pedaço de madeira ou papelão vai ser utilizado para fazer uma base, onde
vão ser colocados os componentes.
4.
Para iniciar a montagem do circuito, deve ser conectada a extremidade da
bateria com a extremidade do LDR, sendo utilizado um fio de cobre com as pontas
descascadas, colocando o cobre de dentro do fio em contato com a extremidade dos
componentes. A outra extremidade do LDR deve ser associada a extremidade do
resistor de 680 Ohm, utilizando o mesmo processo do item anterior. A outra
extremidade do resistor deve ser associada a extremidade negativa do LED, que é a
perna mais curta do LED. E, por fim, a outra extremidade do LED deve ser conectado
a chave interruptora e a outra extremidade da chave deve ser conectada a bateria.
1.
Figura 1 e 2: Multímetro digital na escala de tensão e de resistência, correspondente.
Figura 3: Circuito montado com todos os componentes.
Procedimento experimental:
1.Deve-se ligar a chave interruptora e, em seguida, posicionar o laser para o LDR, de
modo que a intensidade do LED aumente.
2.Fazer o mesmo procedimento utilizando outra cor de laser.
3.Fazer outras associações, como por exemplo, colocar uma barreira de luz (dedo ou
papel) em cima do LDR.
Questionário de análise da observação:
1) Sabendo que o LDR é um resistor dependente de luz, o que acontece no seu
interior, que faz com que a intensidade luminosa do LED sofra alterações?
2) Sabendo que no circuito elétrico existem materiais condutores, que possuí este
nome por ter uma quantidade significativa de elétrons livres no seu corpo, o que
acontece, partindo da bateria, para que o sistema como um todo funcione? Qual é o
papel do resistor no circuito?
3) De acordo com a teoria exposta acima, é possível ver no experimento o fenômeno
exposto? De acordo com a teoria, o que precisa acontecer para que o efeito
fotoelétrico seja possível?
4) Este fenômeno sendo aplicado na tecnologia, quais equipamentos você indicaria
que fosse possível? Como seria seu funcionamento?