Relatório de Física Moderna - Efeito Fotoelétrico

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Universidade Federal do Espírito Santo

Centro Tecnológico

Departamento de Engenharia Elétrica

Física Moderna

RELATÓRIO

Experiência 4: O efeito fotoelétrico

Alunos: Cainã da Costa Jucá

  Daniel Resende Frasson

  Eduardo Fernando Faria de Araújo

          Matheus Araújo Gava

Professor: Carlos Augusto Cardoso Passos

Novembro – 2016

Experiência 4: O efeito fotoelétrico

1. Objetivo

Com este trabalho, pretendemos estudar o efeito fotoelétrico através de uma experiência com fotoresistores (LDR, Light Dependent Resistor). A experiência consiste em analisar o gradiente da resistência de um LDR com relação à variação na luminosidade que incide sobre ele. Além disso, propomos um circuito prático para simular o mecanismo de postes de luz que se ligam automaticamente ao pôr do sol e tornam a desligar com a chegada da manhã.

1. Fundamentação teórica

Em 1886, Heinrich Hertz pela primeira vez demonstrou que a condução elétrica entre dois eletrodos no vácuo pode ser facilitada se sobre um deles incidir radiação ultravioleta. Mais tarde, o físico Phillip Lenard mostrou que a condução entre os dois eletrodos é facilitada pois a luz, ao incidir sobre os átomos que constituem o catodo, libera elétrons livres em superfície. Assim, tomava-se conhecimento de um novo fenômeno físico: a emissão de elétrons a partir de uma superfície em razão da incidência de luz sobre ela, a que se deu o nome efeito fotoelétrico.

Podemos estudar o efeito fotoelétrico a partir de um aparato como o da figura 2-1.

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Figura 1: aparato utilizado para estudar o efeito fotoelétrico.

Através de uma janela de quartzo, a luz incide sobre o catodo (em laranja), liberando elétrons sobre sua superfície. Esses elétrons, se dotados de energia cinética suficientemente grande, são coletados pelo anodo (em azul). A resistência variável nos permite ajustar a diferença de potencial entre os dois eletrodos, medida com o auxílio do voltímetro; o amperímetro nos fornece uma medida da corrente fotoelétrica.

Abaixo, figura 2-2, temos um gráfico da corrente que atravessa os eletrodos versus a diferença de potencial sobre eles aplicada; cada curva denota o comportamento do circuito para uma dada intensidade da luz que incide sobre o catodo.

Observa-se que, aumentando a diferença de potencial, a corrente que atravessa o circuito aumenta até atingir um ponto de saturação – quando todos os elétrons emitidos pelo catodo são efetivamente coletados pelo anodo. Se diminuirmos a diferença de potencial a zero, no entanto, ainda uma corrente residual atravessa os eletrodos, demonstrando que os fotoelétrons deixam a superfície do catodo com uma energia cinética diferente de zero. A energia potencial elétrica necessária para anular a maior energia cinética de um fotoelétron é alcançada quando uma tensão de corte V0 é aplicada.

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Figura 2: corrente que atravessa os eletrodos versus diferença de potencial para diferentes intensidades de radiação.

Observa-se ainda que, ao contrário do que se possa inicialmente imaginar, a intensidade da luz incidente não determina a tensão de corte do sistema, ou seja: ainda que se aumente a intensidade da luz que incide sobre o catodo, a maior energia cinética com que um elétron pode ser emitido permanece inalterada.

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Figura 3: tensão de corte V0 versus frequência da luz incidente.

Além disso, percebemos que radiações eletromagnéticas de frequência menor que uma determinada frequência de corte f0 levam a uma tensão de corte V0 nula, ou seja: a energia cinética dos fotoelétrons, quando da retirada da diferença de potencial sobre os eletrodos, é nula, o que significa, na prática, que eles não são emitidos para a superfície do catodo e não ocorre o efeito fotoelétrico.

Assim, além de a intensidade da radiação incidente não influenciar a energia cinética dos elétrons emitidos, fica demonstrado experimentalmente que nem todas as frequências são capazes de induzir o efeito fotoelétrico – contrariando o modelo clássico da luz enquanto onda eletromagnética.

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:

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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.

1. 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.