O efeito fotoelétrico e suas aplicações tecnológicas: uma

O efeito fotoelétrico e suas aplicações tecnológicas: uma abordagem construtivista
por meio de atividade experimental demonstrativa.
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. Metodologia.
Sugere-se que, para planejar a atividade, pode-se aplicar previamente um
questionário sobre, por exemplo, o funcionamento de tecnologias que se baseiam no
efeito fotoelétrico, como as portas automáticas, porém sem mencionar o termo
''fotoelétrico" - Segue em anexo [1] uma sugestão de questionário. Desta maneira, é
possível mapear o conhecimento prévio da turma sem influenciar a pesquisa.
Baseando-se neste panorama, pode-se adaptar melhor os passos que seguem.
Como abordagem inicial, sugere-se a apresentação de um circuito elétrico
contendo um LDR (resistor que depende da incidência luminosa) - Segue em anexo
[2] uma sugestão de montagem. Com este circuito é possível mostrar que conforme
se varia a intensidade de luz, se varia a corrente elétrica do mesmo. Isso pode ser
feito com o auxílio de um laser e um LED, pois ao incidir o laser sobre o LDR, ocorre
o aumento da corrente elétrica, o que pode ser visualizado na variação da
luminosidade do LED.
Seguindo com a aula, pede-se para os alunos formarem grupos para que façam
anotações sobre o que consideram importante da demonstração feita pelo professor.
Posteriormente, pede-se para que estes grupos discutam e criem hipóteses para
explicar o fenômeno observado. Juntando a variedade de hipóteses dos grupos,
pode-se testar as mesmas para avaliar a sua veracidade.
Depois da discussão, pode-se seguir com a formulação de uma "teoria" para a
explicação do fenômeno. Posterior a criação desta teoria, pode-se enunciar a teoria
de Einstein sobre o efeito fotoelétrico, podendo compara-la com a teoria obtida pelos
grupos.
Para finalizar o trabalho, sugere-se a aplicação desta teoria para a explicação
de tecnologias atuais (aquelas mencionadas no questionário) e ainda a
contextualização do problema resolvido por Einstein: a situação acadêmica no século
XX e a dualidade onda-partícula.
3. Avaliação.
Como forma de avaliação, sugere-se a elaboração de um texto narrando as
hipóteses levantadas pelo grupo, bem como o caminho percorrido para se chegar até
elas, e a comparação com a teoria científica aceita.
4. Análise.
Para sugestão de análise dos dados anteriores e posteriores a atividade
aplicada, é proposto um questionário - anexo [3] - abrangendo as principais ideias
trabalhadas e relacionadas ao questionário prévio. Este questionário pode ser
aplicado com intervalo de 5 aulas depois de toda atividade ser aplicada.
5. Anexo.
[1]
Nas questões 1 a 4, use o seguinte critério:
(1) Discordo totalmente não faz parte da minha vida:
(10) Concordo totalmente, está presente tudo na minha vida.
1) O quanto as tecnologias melhoram e facilitam sua vida?
2) O quanto a ciência melhora e facilita sua vida?
3) O quanto é importante o investimento na tecnologia?
4) O quanto é importante o investimento na ciência?
---------------------------------------------------------------------------------5) Explique com suas palavras como é o funcionamento da porta automática;
6) Explique o que é o circuito elétrico e corrente elétrica;
7) Como você acha que funciona a ferramenta de celular que muda a luminosidade
da tela automaticamente?
8) Quais as características importantes que uma torneira automática lhe oferece?
9) Como a torneira automática detecta a presença de sua mão?
[2]
Montagem do circuito para demonstração do efeito fotoelétrico.
Materiais utilizados:
1. *Placa universal de cobre;
2. LDR;
3. Resistor – 680 ohm;
4. LED ( Diodo emissor de luz);
5. Bateria de 9V;
6. Estanho e ferro de solda;
7. Chave interruptora;
8. Laser (verde e vermelho);
Procedimento de Montagem:
1. 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 [figura 1]. O resistor deve ser medido na escala de Ohm (Ω),
tendo como referência 680 Ohm [figura 2].
3. A placa segue o padrão universal, tendo as ilhas separadas, podendo fazer a
ligação dos componentes usando jumpers.
4. Para iniciar a montagem do circuito, deve ser conectada a extremidade da
bateria com a extremidade do LRD, introduzindo a bateria em uma ilha e o
LDR em outra ilha, fazendo a ligação dos mesmos com um jumper. A outra
extremidade do LDR deve ser introduzida em outra ilha, sendo associado a
extremidade do resistor de 680 Ohm. A outra extremidade do resistor deve ser
associada a extremidade negativa 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 [figura 3] [figura 4].
Figura 1 e 2: Multímetro digital na escala de tensão e de resistência, correspondente.
Figura 3 e 4: Circuito frente e verso na placa universal com cabos correspondentes.
Procedimento experimental:
1. Primeiramente, mostrar o circuito para os alunos e questioná-los quais
componentes eletrônicos estão contidos no circuito e qual a finalidade de cada
um.
2. Deve-se ligar a chave interruptora e, em seguida, posicionar o laser para o
LDR, de modo que a intensidade do LED aumente. Sempre questionando os
alunos sobre o fenômeno ocorrido, mas sem expor o que é o LDR e o que é o
efeito fotoelétrico.
3. Fazer o mesmo procedimento utilizando outra cor de laser e, de modo que as
dúvidas forem ocorrendo, realizar outros procedimentos, como: aumentar a
temperatura perto do LDR, interceptar a luz com o dedo, utilizar o infravermelho
do controle remoto, plástico, etc.
[3]
Nas questões 1 a 4, use o seguinte critério:
(1) Discordo totalmente não faz parte da minha vida:
(10) Concordo totalmente, está presente tudo na minha vida.
1) O quanto as tecnologias melhoram e facilitam sua vida?
2) O quanto a ciência melhora e facilita sua vida?
3) O quanto é importante o investimento na tecnologia?
4) O quanto é importante o investimento na ciência?
----------------------------------------------------------------------------------
5) Sabendo que a porta automática funciona a partir de um sensor de presença,
explique, com suas palavras, como é o funcionamento desse sensor de presença.
6) Explique, com suas palavras, o que é o circuito elétrico e corrente elétrica.
7) Sabendo que o celular tem um sensor que ajusta a luminosidade da tela
automaticamente, explique, com suas palavras, como você acha que funciona esta
ferramenta?
8) Quais as características importantes que uma torneira automática lhe oferece?
9) Sabendo que a torneira automática funciona a partir de um sensor de presença,
explique, com suas palavras, como a torneira automática detecta a presença de sua
mão?