Pratica4LFM - EAD

Laboratório de Física Moderna - EAD- UESC 2014
Prof. Arturo R. Samana.
Equipe: 1. Nome: ....................................................................................................
2. Nome: ....................................................................................................
3. Nome: ....................................................................................................
Pólo: ....................................................................................................
Data: ....................................................................................................
Experiência 4: MEDIÇÃO DA CONSTANTE DE PLANCK
Relatório Programado: Guia para tomada e análise de dados
Prazo: 1 semana
Visto
.....................
1. Introdução
No presente experimento vamos a montar um circuito eletrônico simples que
permitira obter uma estimativa da ordem de grandeza da constante de Planck. Usaremos os
recursos provenientes do Banco Internacional de Objetos Educacionais [1].
Revisamos varias experiências que relizaram esta medida e ficamos com aquela
que resultou mais simples de montar e, sobre tudo que existia mais informação multimídia
de fácil, rápido e de acceso gratuito.
2. Objetivos
- Montar o circuito eletronico para dar uma estimativa do valor da constante de Planck h.
3. Fundamentação teórica
Segundo Cavalcante et al (2000) e [1], um LED (Light-Emittion Diode) é um diodo
emissor de luz e consiste em uma junção entre semicondutores fortemente dopado. De
acordo com o diagrama de energia estabelecido, Fig.01, em uma junção, ao aplicarmos
um campo elétrico externo oposto ao local, estaremos polarizando diretamente o diodo e
fazendo‐o conduzir e a corrente elétrica obtida aumenta com a tensão aplicada na junção.
Quando aplicamos uma tensão externa a junção, os elétrons de condução ganham energia
suficiente para vencer a barreira de potencial e caminhar para a região p. Podemos ver
na FIG. 1 que para os elétrons de maior mobilidade , penetrarem na região p a
quantidade de energia máxima necessária é dada por:
𝑒 𝑉𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 = 𝐸𝑔𝑎𝑝 + ∆𝐸𝐹 ,
(1)
1
FIG. 1: Diagrama de energia para uma junção pn
Quando o elétron passar para a região p, podemos ter uma recombinação entre elétrons e
lacunas e como conseqüência, para cada transição teremos a emissão de um fóton com
energia hν.
Vê‐se facilmente que, a freqüência máxima emitida pelo LED é definida pela
largura da banda proibida do semicondutor e, podemos dizer que:
ℎ 𝑓𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑔𝑎𝑝 + ∆𝐸𝐹 ,
(1)
Quando a energia necessária para o LED acender seja igual a eEnergia emitida pelo LED,
temos que, das equações (1) e (2)
𝑒 𝑉𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 = ℎ 𝑓𝑚𝑎𝑥 ,
(3)
onde 𝑉𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 representa a tensão a partir da qual o LED comece a conduzir.
Assim podemos obter o valor de ℎ se determinarmos o valor de tensão que deve ser
aplicada aos terminais do LED para que ele conduza, bem como a faixa de freqüência de
sua emissão.
4. Arranjo experimental
Como falamos anteriormente foram pesquisadas vários roteiros e experiências para
a construção e caracterização de espectrômetros de baixo custo. Usaremos neste trabalho
os seguintes materiais didáticos referenciados em [1,2].
4.1 Construção (3,0)
Lista de matérias:
- 1 potenciômetro [R]/470 /7%,
- 2 led comerciais cores: verde e vermelho.
- 1 Voltimetro digital
- Baterias de 3 e 9 V.
- Espectroscopio caseiro do L3.
- Outros: soldador eletrônico, etc.
2
Com ajuda de seus colegas e o tutor monte o circuito da Fig. 2.
FIG. 2: Circuito para determinação da constante de Planck com LEDs.
4.2 Procedimento experimental
Descomprima o arquivo 739.zip, usando o WINRAR ou algun outro programa ZIP
compatível. Guarde a pasta 739 num PC ou laptop. Abra o arquivo Executar.html, que não
vai precissar estar conectado na internet, já que somente vai usar localmente o navegador
que esta na sua PC. Vai obter a seguinte janela no seu navegador.
Passe o mousse sobre CONTEXTO
introdutorio.
e assista tranquilamente o video
3
Vai para DESAFIO
. Assista o video apresesentado pela Profa. Marisa
e, começe a realizar sua medidas de tensão fazendo uma tabela com seus valores de tensão
quando os LEDs vermelho e verde começaram a emitir luz.
Agora vai para
, assista atentamente ao video, fixando as
ideas e conceitos de natureza corpuscolar da radiação. Agora elabore:
a) um texto de não mais 1 página explicando o que são: os semicondutores, o que é uma
banda de valencia e uma banda de condução, o gap de energia, e como se efetua o passe de
elétrons e de lacunas (o que é uma lacuna, també denomido buraco por algúns autores) no
semicondutor quando se aplica uma diferencia de potencial no LED conetado em
polarização direta (1,0).
b) Responda a pergunta da Marisa, de porque o LED vermelho acendo antes do LED
vermelho (1,0).
c) Como vamos a precissar da faixa de freqüência da emissão 𝑓𝑚𝑎𝑥 , para determinar o
valor da constante de Planck usando a equação 3, poderemos utilizar a simulação
computacional mencionada no
, contida no
arquivo 739_RT.pdf da Ref.[2], ou seja, dentro da pasta 739, que voçês descompactaram
previamente. Fazendo essa simulaçâo anote os valores da freqüência da emissã, siga o
procedimento mencionado e anote os valores de ℎ obtidos. Esses valores simulados serão
conservados para comparar com os valores obtidos na experiência (1,0).
d) Vamos a utilizar também o procedimento da Ref. [1]. Usando o espectroscópio manual
do L3 obtenha o comprimento de onda médio  e depois calcule a freqüência com ν=c/.
Por exemplo, a Fig. 11 da Ref. [1] apresenta o espectro observado na tela de um
espectroscópio manual.
Pela tabela de calibração dessa experiência e desse
espectroscópio, obtive-se um valor para o comprimento de onda médio de emissão do LED
vermelho próximo a 650 nm, próximo aos valores tabulados. Assim que voçês deberiam
obter seus proprios valores do comprimento de onda médio de emissão dos LED vermelho
e verde e estimar um valor para ℎ com a equação 3. Anote os valores obtidos numa tabela
(2,0).
5. Tarefas finais
• Apresentar uma tabela com os valores ℎ obtidos da simulação (4.c) e do procedimento
experiemental (4.d). Discuta os resultados obtidos, indique as fontes de erro, e os
problemas para adquisição dos dados e do montagem da experiência (2.0).
4
Referências bibliográficas
[1] Marisa Almeida Cavalcante, Cristiane R. C. Tavolaro e Rafael Haag, Física na Escola,
v. 6, n. 1, 2005.
[2] Arquivo 739EE- Constante do Planck, Experimento prático, do Banco Internacional de
Objetos Educacionais-MEC disponível para download gratuito no link:
http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/20000, Física Vivencial: uma Aventura
do Conhecimento, do Projeto Condigital MEC – MCT; Instituto Galileo Galilei para a
Educação (IGGE); Cavalcante, Marisa Almeida; Carvalho Neto, Cassiano Zeferino de.
[3] QUÍMICA NOVA NA ESCOLA, Constante de Planck: Uma Nova Visão para o
Ensino Médio, Silio Lima de Moura, Francisco Ivan da Silva, Francisco Carlos Marques da
Silva e José Aroldo Viana dos Santos, Vol. 33, N° 4, NOVEMBRO 2011.
5