Relatório de Física Moderna - Efeito Fotoelétrico

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Em 1905, Einstein propôs que enxergássemos a luz enquanto formada por partículas, denominadas fótons. Cada fóton, segundo sua hipótese, carrega uma energia E = hf, onde h é a constante de Planck e f, a frequência da onda eletromagnética portadora, e, quando a luz atinge a superfície metálica do catodo, cada um de seus fótons colide com exatamente um elétron, transmitindo a ele toda sua energia no processo. Assim, temos a seguinte equação governadora:

[pic 5]

(1)

onde φ é denominado função trabalho e representa a energia necessária para retirar um elétron de seu átomo, e Kmax é a energia cinética máxima que um elétron pode adquirir após uma colisão com um fóton da radiação incidente.

- Metodologia

Primeiramente foi feito o experimento descrito no roteiro. Foi feito um tubo de cartolina preta com diâmetro idêntico ao do LDR utilizado. Colocando o LDR dentro do tubo, ligou-se as extremidades do LDR a um multímetro, ajustado para medir resistências. Aproximando-se uma lâmpada incandescente no outro lado do tubo de papel, foram medidas as resistências apresentadas pelo LDR no multímetro na escala de Ohms com o tubo descoberto, coberto com um pedaço de papel preto, coberto com o pedaço de papel dobrado uma vez e coberto com o pedaço de papel dobrado duas vezes, anotando-se 5 valores distintos apresentados no multímetro para cada caso.

E, como uma forma de apresentar uma utilização prática do LDR, realizamos a montagem do circuito proposto na Figura 4, o qual simula o mecanismo dos postes de luz, que ligam automaticamente em função da claridade do ambiente. O dado circuito apresenta 2 transistores, que agem como chaves controladas por corrente, um potenciômetro que, em linguagem prática, regula a sensibilidade do LDR, e um relé para realizar o chaveamento da lâmpada, controlando assim, o ligamento dela dependendo do valor de resistência apresentada pelo LDR.

[pic 6]

Figura 4: Circuito montado para simular mecanismo de um poste.

Após montado o circuito, reutilizamos o tubo de cartolina preta e pedaço de papel da primeira parte do experimento, para assim simular um ambiente luminoso e um ambiente escuro, para que a lâmpada acendesse no escuro e apagasse no claro.

- Resultados e Discussões

A medição da resistência do LDR em função da exposição à luz aplicada no mesmo tornou possível uma análise acerca desse fenômeno. Essas medições foram dispostas na Tabela 1 e foram feitas cinco vezes no intuito de reduzir as incertezas.

Tabela 1: Resistências verificadas nas extremidades do LDR nos 4 casos.

Descoberto

Papel desdobrado

Papel dobrado 1 vez

Papel dobrado 2 vezes

1ª medida

247 [Ω]

916 [kΩ]

1,688 [MΩ]

1,602 [MΩ]

2ª medida

246 [Ω]

911 [kΩ]

1,682 [MΩ]

1,605 [MΩ]

3ª medida

245 [Ω]

932 [kΩ]

1,669 [MΩ]

1,622 [MΩ]

4ª medida

249 [Ω]

924 [kΩ]

1,671 [MΩ]

1,610 [MΩ]

5ª medida

248 [Ω]

916 [kΩ]

1,546 [MΩ]

1,580 [MΩ]

Desvio Padrão

1,41

7,39

0,0531

0,0137

Percebe-se, com uma análise correta dos resultados, que a leitura do multímetro da resistência do LDR aumenta significativamente quando diminuída a incidência de luz no sensor. Isso ocorre porque a superfície desse tipo de resistor é sensível à luz, de modo que a energia oriunda dos fótons da luz ambiente é absorvida pelos elétrons do metal, aumentando, assim, a quantidade de elétrons livres, o que, por sua vez, modifica o valor da resistividade do material, tornando-a maior.

Uma das aplicações do efeito fotoelétrico é nos postes de iluminação pública. Durante o dia, a luz solar promove no LDR elétrons livres, conforme indicado pela figura abaixo. A resistência elétrica do LDR se torna mais baixa e a corrente elétrica atravessa a bobina, gerando um campo magnético, como se ela fosse um imã. A chave do relé é então atraída para a posição 2, impedindo que a corrente elétrica passe pelo filamento da lâmpada.

[pic 7]

Figura 5: Funcionamento simplificado do sistema de iluminação pública durante o dia.

À noite, a resistência elétrica do LDR é alta pois a luz solar não está presente, impedindo que a corrente elétrica atravesse a bobina, que deixa de atuar como imã. A mola obriga então a chave do relé a retornar para a posição 1, acionando a lâmpada, que se apagará automaticamente no dia seguinte, uma vez que o circuito volta à situação mostrada na figura 5.

[pic 8]

Figura 6: Funcionamento simplificado do sistema de iluminação pública durante o dia.

- Conclusão

Descoberto por Heinrich Hertz, o efeito fotoelétrico é o fenômeno que consiste na remoção de elétrons da superfície