Aplicações no dia-a-dia

Atualmente, o efeito fotoelétrico é utilizado em toda sorte de situações que vivemos no nosso cotidiano. "Graças ao efeito fotoelétrico tornou-se possível o cinema falado, assim como a transmissão de imagens animadas (televisão). O emprego de aparelhos fotoelétricos permitiu construir maquinaria capaz de produzir peças sem intervenção alguma do homem. Os aparelhos cujo funcionamento assenta no aproveitamento do efeito fotoelétrico controlam o tamanho das peças melhor do que o pode fazer qualquer operário, permitem acender e desligar automaticamente a iluminação de ruas, abrir e fechar portas de lojas, etc. 

Os aparelhos deste tipo tornam possível a prevenção de acidentes. Por exemplo, nas empresas industriais uma célula fotoelétrica faz parar quase instantaneamente uma prensa potente e de grande porte se, digamos, o braço dum operário se encontrar, por casualidade, na zona de perigo."

A Teoria

AA hipótese do quantum de luz

A imagem acima mostra um esquema da montagem do experimento que mostra o efeito fotoelétrico. Este efeito ocorre quando um único quantum de luz é absorvido pelo metal e toda sua energia é transferida para um único elétron. O mecanismo básico é ilustrado pela equação:

Onde γ representa o fóton incidente. Um aumento na intensidade irá aumentar o número de fótons que atinge o metal e com isso, o número de elétrons ejetados. Haverá uma corrente fotoelétrica mais intensa, mas a energia individual de cada elétron será a mesma. Para que mais energia seja transferida a eles por cada fóton é preciso que os fótons tenham uma maior frequência, por conta da relação dada porE=hν. Se a energia do fóton for maior que a que prende o elétron ao metal, então o elétron é liberado e o excesso de energia é liberada como a energia cinética do elétron livre. A conservação da energia nos garante que:

(1)

Onde W_o é a energia que prende o elétron à placa de metal. Digamos que para uma dada diferença de potencial entre as placas, uma certa intensidade e frequência da luz incidente temos uma corrente fotoelétrica. Se diminuirmos a tensão V entre as placas até o valor V_o em que a corrente fotoelétrica se anula, teremos uma medida direta da energia cinética máxima de um elétron ejetado:

V_o é chamado Potencial de Corte pois é a ddp capaz de fazer voltar à placa incidente o fotoelétron mais veloz e não depende da frequência ou da intensidade da luz incidente. Então substituíndo o valor da energia cinética máxima na relação entre a energia do fóton e a transferida para o elétron, temos uma previsão para o valor de V_o:

Onde a figura acima representa a relação entre V_o e ν. Veja que esta relação é linear e que a inclinação da reta é h/e, o que nos dá uma medida da constante de planck, tendo o valor da carga do elétron. Note que a figura indica que há uma frequência mínima da luz para que o efeito fotoelétrico possa ocorrer. Este valor da frequência pode ser obtido fazendo-se V_o=0, o que nos fornece:

Agora sim!

Um feixe de luz com esta frequência mínima ν_o, chamada frequência de corte, contém fótons com o mínimo de energia para liberar elétrons do metal com velocidade de ejeção quase nula. E luz com menor frequência que esta não consegue produzir fotoelétrons, não importa quão intensa seja a iluminação. Agora você é capaz de calcular a Função Trabalho do Sódio? Volte ao experimento virtual e confira! O valor da constante de Planck é 4,136 x 10^-15 eV.s .

Um experimento virtual

A animação simula um experimento que demonstra o efeito fotoelétrico. No desenho, temos um capacitor no vácuo ligado a uma bateria e um amperímetro para medir se algum elétron pulou da placa da esquerda para a da direita. Acima, uma fonte de luz inicialmente desligada e do lado direito, três barras que você pode controlar: A frequência da luz, a intensidade da luz e a diferença de potencial da bateria. 

Mova primeiro a barra da diferença de potencial (ddp). Como o meio entre as placas é o vácuo nenhuma corrente será registrada. Agora deixe a ddp em 1 (não precisa ser exato) e mova a barra da intensidade da luz. Como a frequência inicial é de 4x10¹⁴Hz, que corresponde à cor vermelha, você verá surgir um feixe vermelho que vai ficando cada vez mais intenso. Deixe a itensidade da luz em 5 ou próximo disso. 

Mas ainda não há nenhuma corrente elétrica, pois os fótons da luz vermelha ainda não têm energia suficiente para arrancar os elétrons da placa de sódio. Você pode aumentar a intensidade ao máximo que nenhuma corrente será registrada no amperímetro. 

Agora aumente a frequência lentamente até chegar a 5x10¹⁴ Hz. Você deverá notar que a luz ficou amarela, mas ainda não aconteceu nada. Então continue aumentando a frequência que um efeito interessante irá surgir: com a frequência da luz em torno de 5,5x10¹⁴ Hz, os elétrons da placa da esquerda saltam da superfície, mas acabam voltando devido à ddp. Neste ponto, se você diminuir a ddp ou aumentar a frequência da luz, os elétrons conseguirão chegar à placa da direita, fazendo com que o amperímetro registre uma corrente. A frequência da luz em que os elétrons começam a saltar da primeira placa para a da direita e o amperímetro passa a registrar uma corrente é chamada de frequência de corte. É uma constante que só depende do metal que está sendo iluminado.

                        O efeito fotoeletrico

Uma descrição

O Efeito Fotoelétrico ocorre quando luz de determinada frequência incide numa superfície de metal e faz com que elétrons sejam ejetados da superfície. Outra placa com maior energia potencial elétrica pode ser colocada na frente da primeira placa sem que seja iluminada para absorver os elétrons da primeira placa e para que se possa medir a corrente fotoelétrica.

A descoberta

O efeito foi observado pela primeira vez em 1887, de forma acidental por Frank Hertz, logo após ele ter demonstrado a natureza ondulatória da luz. Em 1899, J. J. thomsom demonstrou que as partículas ejetadas da placa de metal eram elétrons. O grande problema do efeito era que a energia dos elétrons ejetados não mudava com a intensidade da luz incidente, enquanto se esperava que a energia deles aumentasse quando expostos a um maior fluxo de energia eletromagnética.

Irônicamente, o efeito fotoelétrico exibe o aspecto de partícula da luz, que tem um aspecto dual e dependendo do experimento ela pode se manifestar ora como onda ora como partícula.

A quantização da luz

A Hipótese Quântica formulada por Max PLanck para resolver o problema da radiação de corpo negro foi um conceito radical para a Física. Ele teorizou que as partículas da superfície de um oscilador eletromagnético somente absorvem e emitem energia múltiplos de hν:

Onde h é a constante de Planck e ν é a frequência do fóton. Albert Einstein então interpretou que a luz era o sistema discreto formado por estes pacotes de energia, como uma partícula. Os físicos da época resistiram à ideia porque ela contradizia a figura estabelecida da luz como uma onda. Então ele encontrou o efeito fotoelétrico, que poderia apoiar sua teoria e chamou de fótons estes pacotes de luz.

Aplicações no dia-a-dia

Atualmente, o efeito fotoelétrico é utilizado em toda sorte de situações que vivemos no nosso cotidiano. "Graças ao efeito fotoelétrico tornou-se possível o cinema falado, assim como a transmissão de imagens animadas (televisão). O emprego de aparelhos fotoelétricos permitiu construir maquinaria capaz de produzir peças sem intervenção alguma do homem. Os aparelhos cujo funcionamento assenta no aproveitamento do efeito fotoelétrico controlam o tamanho das peças melhor do que o pode fazer qualquer operário, permitem acender e desligar automaticamente a iluminação de ruas, abrir e fechar portas de lojas, etc.

Os aparelhos deste tipo tornam possível a prevenção de acidentes. Por exemplo, nas empresas industriais uma célula fotoelétrica faz parar quase instantaneamente uma prensa potente e de grande porte se, digamos, o braço dum operário se encontrar, por casualidade, na zona de perigo."

Energia Fotoelétrica

Energia Fotoelétrica

INTRODUÇÃO:

A exploração intensa das reservas esgotáveis de combustíveis fósseis e os
danos causados ao meio ambiente apresentam um cenário preocupante para o próximo século. Nesse contexto assume crucial importância a busca de fontes alternativas de energias renováveis e não poluentes, como a solar e a eólica.

Vários países investem nas aplicações da energia solar, analisando desde as características do fluxo de radiação solar que chega a terra até a tecnologia necessária para viabilizar, em termos técnicos e econômicos, o máximo aproveitamento dessa energia.

O Brasil também busca soluções para o futuro, que não apenas reduzirão o consumo de fontes não renováveis de energia, mas também possibilitarão o acesso a energia elétrica em regiões remotas, elaborando estudos para avaliar a eficácia de pequenos módulos solares, e o mapeamento do potencial energético solar existente no país.

A utilização da energia solar possui várias vantagens, como a economia na conta de energia, a diminuição da demanda pela energia do sistema nacional, adiando assim, a construção de novas barragens e usinas termelétricas e nucleares que geram diversos impactos ambientais e por ser uma fonte de energia renovável e limpa, sem produzir resíduos poluentes. Nesse contexto se insere o estudo e aplicação das células fotoelétricas.

                                       Exercícios

Exercício 1: (UDESC 2010)

Analise as afirmativas abaixo, relativas à explicação do efeito fotoelétrico, tendo como base o modelo corpuscular da luz.

I – A energia dos fótons da luz incidente é transferida para os elétrons no metal de forma quantizada.

II – A energia cinética máxima dos elétrons emitidos de uma superfície metálica depende apenas da frequência da luz incidente e da função trabalho do metal.

III – Em uma superfície metálica, elétrons devem ser ejetados independentemente da frequência da luz incidente, desde que a intensidade seja alta o suficiente, pois está sendo transferida energia ao metal.

Assinale a alternativa correta.

A)	Somente a afirmativa II é verdadeira.
B)	Somente as afirmativas I e III são verdadeiras.
C)	Somente as afirmativas I e II são verdadeiras.
D)	Somente a afirmativa III é verdadeira.
E)	Todas as afirmativas são verdadeiras.

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Exercício 2: (UDESC 2008)

Foi determinado experimentalmente que, quando se incide luz sobre uma superfície metálica, essa superfície emite elétrons. Esse fenômeno é conhecido como efeito fotoelétrico e foi explicado em 1905 por Albert Einstein, que ganhou em 1921 o Prêmio Nobel de Física, em decorrência desse trabalho. Durante a realização dos experimentos desenvolvidos para compreender esse efeito, foi observado que:

1. os elétrons eram emitidos imediatamente. Não havia atraso de tempo entre a incidência da luz e a emissão dos elétrons.

2. quando se aumentava a intensidade da luz incidente, o número de elétrons emitidos aumentava, mas não sua energia cinética.

3. a energia cinética do elétron emitido é dada pela equação Ec = ½ mv² = hf – W, em que o termo hf é a energia cedida ao elétron pela luz, sendo h a constante de Planck e f a frequência da luz incidente. O termo W é a energia que o elétron tem que adquirir para poder sair do material, e é chamado função trabalho do metal.

Considere as seguintes afirmativas:

I – Os elétrons com energia cinética zero adquiriram energia suficiente para serem arrancados do metal.

II – Assim como a intensidade da luz incidente não influencia a energia dos elétrons emitidos, a freqüência da luz incidente também não modifica a energia dos elétrons.

III – O metal precisa ser aquecido por um certo tempo, para que ocorra o efeito fotoelétrico.

Assinale a alternativa correta.

A)	Somente a afirmativa II é verdadeira.
B)	Todas as afirmativas são verdadeiras.
C)	Somente as afirmativas I e II são verdadeiras.
D)	Somente a afirmativa III é verdadeira.
E)	Somente a afirmativa I é verdadeira.

Esquema Fotoelétrico