a fÍsica quÂntica, os dispositivos semicondutores e a estrutura da matÉria parte 1

A Física Quântica, os Dispositivos Semicondutores e a Estrutura da Matéria Helder de Figueiredo E Paula [[email protected]] - Departamento de Física da UFOP Esdras Garcia Alves [[email protected]] - Inovação Pedagógica: Equipamentos e materiais didáticos

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A FÍSICA QUÂNTICA, OS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES E A ESTRUTURA DA MATÉRIA

INTRODUÇÃO Imagine o mundo sem telefones celulares, aparelhos de controle remoto, computadores pessoais, dispositivos portáteis para gravação ou reprodução de som e outras “maravilhas” da tecnologia contemporânea. Pois bem, esse mundo existiu há algumas décadas e é possível que seus pais e avós tenham vívida lembrança dele. Todos os equipamentos citados e muitos outros se tornaram possíveis graças ao desenvolvimento de materiais especiais chamados semicondutores.

Nesta unidade de ensino convidamos você a realizar uma seqüência de atividades concebidas para investigar alguns dispositivos semicondutores extremamente comuns em nosso cotidiano e que estão presentes em todos os aparelhos eletro-eletrônicos da atualidade. Por meio dessas atividades, você terá contato com conceitos, modelos e explicações produzidas ao longo do século XX por uma área do conhecimento conhecida como Física Quântica. Grande parte desses conceitos e explicações será apresentada como um recurso necessário à compreensão dos usos e do funcionamento dos equipamentos e fenômenos investigados. Outra parte servirá para que você possa apreciar a coerência interna dessa ciência e o modo ousado e imaginativo como ela foi construída ao longo da história.

É importante destacar a esse respeito que a Física Quântica é a principal ferramenta de trabalho de inúmeras áreas de pesquisa científica e tecnológica atualmente em curso. Assim, ao contrário da mecânica, do eletromagnetismo e da termodinâmica que se desenvolveram até o século XIX, a Física Quântica é, por assim dizer, a ciência de nossa época.

As atividades experimentais serão feitas preferencialmente em grupo, caso haja material e espaço adequados. Sempre que as atividades experimentais forem feitas em grupo, alguns cuidados essenciais de segurança precisarão ser tomados. Aparelhos medidores serão usados e se forem danificados poderão impedir a conclusão das atividades. Por isso, o uso dos equipamentos deverá ser planejado pelo grupo e o modo como o grupo pretende utilizá-los deve ser previamente submetido à aprovação do professor.

Mesmo com esses cuidados, a idéia é que você desenvolva as atividades com o maior nível de autonomia possível, sinta-se à vontade para expressar suas dúvidas e até mesmo seu nível de satisfação ou insatisfação em relação ao modo como a Física Quântica aborda e explica os fenômenos que iremos estudar.

01 - FONTES DE LUZ ARTIFICIAL E CONSUMO DE ENERGIA

Introdução: Existem alternativas para a diminuição do consumo de energia numa escala capaz de reduzir os impactos ambientais dos processos de geração de energia?

Fotos de satélite mostram o planeta Terra exibindo pontos de intenso brilho durante a noite: tais pontos são resultantes da iluminação artificial obtida por lâmpadas elétricas. Grandes quantidades de energia são utilizadas para esse fim. A produção de energia elétrica implica na exploração de recursos naturais tais como barragens em cursos de água, no caso das usinas hidrelétricas, ou na queima de petróleo, gás ou carvão, no caso das usinas termoelétricas. O impacto ambiental resultante da exploração desses recursos constitui um foco de preocupação. Esse é um dos temas presentes na entrevista que reproduzimos a seguir feita com o cientista e inventor Shuji Nakamura. Leia a entrevista com atenção e, em seguida, responda as questões destinadas a avaliar e ampliar sua compreensão das informações que ela contém.


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O novo Edison - Entrevista a Shuji Nakamura

Cássio Leite Vieira – Ciência Hoje, volume 39, no 229, agosto de 2006

No ano passado, em uma reunião da Sociedade Brasileira de Física, ao surgir o nome de Shuji Nakamura durante uma apresentação, um dos participantes comentou em voz alta: "Ele certamente vai ganhar o prêmio Nobel”. Intrigados, alguns presentes quiseram saber por quê. Resposta: ele inventou o LED branco, que, estima-se, em uma década, vai pôr fim ao reinado mais que centenário da lâmpada incandescente, inventada pelo norte-americano Thomas Edison (1847-1931). LED é a sigla inglesa para designar diodos emissores de luz. São aquelas lampadazinhas (em geral, vermelhas) encontradas em muitos aparelhos eletrônicos. Se comparados com as 'primas' incandescentes, os LEDs (incluindo a versão branca de Nakamura) duram 100 vezes mais, são menores, emitem mais luz, gastam menos energia, esquentam bem menos, não empregam vidro, filamento ou mercúrio, não têm partes móveis. Estima-se que em 10 anos os LEDs brancos invadirão os lares do planeta. E passarão a levar luz a locais sem eletricidade, pois funcionam com baterias solares. Nascido em 1954, esse engenheiro formado pela Universidade de Tokushima começou sua carreira em uma pequena empresa química no interior do Japão. Foi de lá que, no início da década de 1990, passou a surpreender especialistas da área, depois de apresentar ao mundo os LEDs branco, azul e verde bem como o laser azul. Desde 2000, é professor catedrático na conceituada Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, cujo lema é, ironicamente, Fiat lux (algo como 'Que se faça a luz'). Do Japão, Nakamura concedeu esta entrevista à Ciência Hoje.

No próximo dia 8 de setembro, o senhor vai

receber, em Helsinque, o Prêmio de Tecnologia do

Milênio, uma versão finlandesa, bienal (e mais

polpuda) do Prêmio Nobel. Ao receber o cheque de

1 milhão de euros (R$ 2,8 milhões), o senhor se

tornará milionário, literalmente. Como acha que

essa significativa quantia irá mudar sua vida?

Metade do prêmio irá para o pagamento de impos tos.

Portanto, a quantia, no final das contas, será menor

que 1 milhão. Posto de modo simples, esse dinheiro

não afetará meu cotidiano.

0 senhor disse, em uma entrevista, que pretende

doar parte do prêmio para instituições e

universidades cuja linha de pesquisa seja voltada

à disseminação da iluminação no mundo,

principalmente no Terceiro Mundo. Por quê?

Um terço da população do planeta não tem nem

eletricidade, nem iluminação. No entanto, com os

LEDs brancos que inventei, a iluminação poderia

chegar até eles. Em muitas regiões dos países em

desenvolvimento, não há ilum inação à noite. Os LEDs

brancos, ligados a pequenas baterias alimentadas por

células solares, poderiam ser usados como fontes de

luz nesses lugares.

O que o senhor pretende fazer com o resto do

dinheiro do prêmio?

Neste momento, não tenho a menor idéia.

Em termos de economia de energia, o senhor

poderia nos dar uma idéia sobre as principais

diferenças entre um LED branco e uma lâmpada

incandescente? Em comparação com esta última,

quanto tempo a mais duraria um LED branco?

A eficiência de um LED branco é cerca de 10 vezes

mais alta que a de uma lâmpada incandescente

convencional. Portanto, podemos dizer que, caso a

fonte de alimentação seja a mesma, um LED branco

poderia funcionar por um período 10 vezes maior.

Seria possível calcular quanta energia seria

economizada, por exemplo, nos Estados Unidos,

caso ocorra a substituição das lâmpadas

incandescentes e fluorescentes por lâmpadas de

estado sólido, ou seja, LEDs?

A iluminação com LED branco poderia ser empregada

para diminuir o consumo de energia, bem como para

poupar recursos [energéticos]. Por volta de 2025, a

eletricidade usada no mundo para iluminação cairia

pela metade. Só nos Estados Unidos, calcula-se que,


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até 2020, a iluminação à base de LED branco evitaria

a construção de 133 usinas. Em outras palavras, 133

usinas com capacidade de 1 mil mega-watts cada

poderiam deixar de ser construídas. O Departamento

de Energia norte-americano estima que, também por

volta de 2020, cerca de USS 100 bilhões [R$ 215

bilhões] em recursos energéticos terão sido poupados,

caso a iluminação seja feita por LEDs. Essa troca

também reduziria a emissão de gases do efeito estufa,

pois grande parte da energia vem da queima de

combustíveis fósseis. Os Estados Unidos, por

exemplo, deixariam de emitir 258 milhões de toneladas

métricas de carbono. Em termos mundiais essa

substituição, conseqúentemente, diminuiria

drasticamente os efeitos do aquecimento global. Isso

ajudaria todos os países a reduzir suas emissões, em

acordo com o Protocolo de Kyoto.

Parece que os LEDs brancos já são usados nos

faróis de certas marcas de automóveis. O senhor

recebe direitos de patente (royalties) por isso? O

senhor poderia citar outras aplicações em uso

para os LEDs brancos?

Não recebo royalties nem posso recebê-los, pois todas

as patentes de produtos que inventei no Japão

pertencem à empresa em que trabalhei lá. Os LEDs

brancos são empregados como luz de fundo em telas

de cristal líquido de telefones celulares e de aparelhos

de televisão, em projetores portáteis, na iluminação

geral de edifícios, casas e exteriores, em

equipamentos médicos.

Quando o senhor acha que os preços dos LEDs

brancos serão acessíveis para uso doméstico?

Acho que em uns 10 anos eles passarão a ser

empregados para iluminação doméstica.

O LED branco e o laser azul parecem ser as

'estrelas' entre seus inventos. E quanto ao LED

azul e o verde? Para que eles servem?

Os LEDs brancos são feitos a partir dos LEDs azuis,

acrescentando-se [o elemento químico] fósforo. Então,

sem o LED azul, não seria possível desenvolver o

branco. Em certas aplicações, como nos projetores

portáteis e nos aparelhos de televisão com tela de

cristal líquido, os fabricantes gostam de usar LEDs

azuis, verdes e vermelhos. Em semáforos, por

exemplo, deve-se necessariamente usar LEDs verdes.

Portanto, há muitas aplicações para eles.

Ao tomar conhecimento de que havia sido

premiado, o senhor disse: "Algum dia, haverá

iluminação em partes do mundo em que, hoje, nem

mesmo há eletriddade." Como a tecnologia

desenvolvida pelo senhor poderia melhorar a

qualidade de vida de pessoas que moram em

países em desenvolvimento?

Em muitas regiões de países em desenvolvimento,

não há eletricidade. No entanto, como já disse, os

LEDs brancos poderiam funcionar com pequenas

baterias que, por sua vez, seriam alimentadas pela luz

solar. Com isso, esses locais poderiam ser iluminados

à noite e, assim, as pessoas poderiam ler livros, ou

seja, estudar. A educação e a conscientização de

mulheres que vivem em certas regiões do planeta são

importantes para controlar as altas taxas de

natalidade. Vale acrescentar que os LEDs que emitem

luz na faixa do ultravioleta são usados para a

purificação de água e ar.

Outros pesquisadores em sua área passaram

décadas tentando fazer o que o senhor fez desde o

momento em que anunciou a primeira de suas

invenções no início da década de 1990. Por que o

senhor acha que conseguiu fazer antes de todos?

LEDs, bem como diodos emissores de luz laser (LDs),

são as mais avançadas fontes de luz. Na década de

1980, a luz azul estava faltando na área de LEDs e

LDs. Se essa cor estivesse disponível, poderíamos

fazer qualquer outra delas, incluindo o branco. E esses

LEDs e LDs seriam certamente usados em

mostradores, iluminação etc. Muitos pesquisadores

estavam tentando desenvolver LEDs e LDs azuis. Eu

queria fazer o mesmo. No entanto, no meu caso,

selecionei materiais baseados no nitreto de gálio

[GaN] para desenvolver esses dois componentes. Na

década de 1980, a esmagadora maioria dos

pesquisadores dessa área estava usando materiais

contendo seleneto de zinco [ZnSe]. Achei que o nitreto

de gálio seria bem melhor, porque ele é fisicamente

mais robusto, e, ao mesmo tempo, eu queria fazer

algo diferente do que estavam fazendo as grandes

empresas.


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O senhor poderia explicar para um leitor não

especializado por que o nitreto de gálio tem sido

tão fundamental para o desenvolvimento de suas

inovações? Como e quando o senhor percebeu

que esse composto daria frutos tão

revolucionários?

A emissão de luz colorida por um LED é determinada

pelo tipo de material com que ele é feito. Para a

emissão da cor azul, estão disponíveis apenas esses

dois tipos de materiais que já citei: o seleneto de zinco

e o nitreto de gálio. Em 1992, tive sucesso em produzir

o primeiro LED azul, embora ele não fosse muito

brilhante. No entanto, a vida média dele era superior a

10 mil horas de funcionamento, enquanto os LEDs

azuis à base de seleneto de zinco duravam menos de

uma hora. Isso me deu bastante confiança de que o

nitreto de gálio era o melhor material para construir

LEDs azuis.

O senhor passou algum tempo, no início de sua

carreira, trabalhando como um jovem engenheiro

em uma empresa química no interior do Japão. O

senhor acha que esse tipo de trabalho foi

importante para sua formação como cientista?

Sim, porque podemos aprender o quão importante é

fazer produtos no menor tempo possível. Na

universidade, trabalhamos principalmente voltados

para o desenvolvimento de idéias, teorias ou a

construção de um protótipo. Mas fazer produtos reais

é um campo completamente distinto. E sabemos que é

importante fazer produtos reais para aplicações reais.

Como é seu dia-a-dia? O senhor vai ao laboratório

todos os dias ou seu trabalho exige que parte

significativa de sua rotina diária seja dedicada a

assuntos administrativos e outros problemas

burocráticos?

Sim, vou à universidade todos os dias. No entanto, lá

[no laboratório], meus estudantes fazem os

experimentos sozinhos, e eu apenas os supervisiono.

Isso me obriga a ter reuniões constantes com eles.

É atribuída a Thomas Edison a seguinte

expressão: "Invenção é 1% de inspiração e 99% de

transpiração". O senhor diria que esse tipo de

receita também se aplica em seu caso?

Eu diria que são 99% de esforço e 1% de sorte.

A propósito, como o senhor se sente sendo

comparado a Thomas Edison, um homem

considerado o maior inventor de todos os tempos?

Muito orgulhoso.

Que tipo de conselho o senhor daria para um

jovem físico que esteja pensando em iniciar sua

carreira como um experimental?

Rompa com o senso comum e tente coisas incomuns.

Desse modo, você terá a chance de fazer uma

descoberta importante cuja probabilidade de que seja

alcançada por outros é muito pequena. Se não fizer

assim, a chance de você chegar a uma descoberta

importante será praticamente zero.

Questões de avaliação e interpretação do texto: 1- De acordo com o que diz a entrevista:

a) Quais são os principais usos que os LEDs já possuem na atualidade e quais são os usos que se supõe que eles irão adquirir em um futuro próximo?

b) Como se comparam a eficiência e a durabilidade de um LED e de uma lâmpada convencional? 2- O aumento no uso de LEDs conduzirá a alguma mudança importante? Explique. 3- A partir do depoimento de Shuji Nakamura, você diria que a imaginação e a criatividade são necessárias

à produção do conhecimento científico? Sustente seu ponto de vista com argumentos. 4- Em sua origem, a palavra droga significava tanto remédio, quanto veneno. Esses sentidos se chocam, de

modo que se pode dizer que a palavra droga é ambígua, ou ambivalente. O desenvolvimento científico e tecnológico da atualidade poderia ser considerado ambivalente, no que diz respeito à preservação do meio ambiente? Explique seu ponto de vista e tente encontrar informações na entrevista que você leu para apoiar o que você irá dizer.


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02- EXPLORANDO ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DOS DIODOS EMISSORES DE LUZ Introdução:

O LED (da sigla Light Emitting Diode, em inglês) é um diodo emissor de luz. Mas, o que é um diodo? Que característica comum nos permite considerar diodos diferentes como um mesmo tipo de componente eletro-eletrônico? Essas são as questões que irão dirigir as explorações realizadas nesta atividade. Para realizá-la os seguintes materiais serão necessários: uma fonte de tensão (voltagem), fios condutores, um LED vermelho, um diodo de silício (não emissor de luz), uma lâmpada convencional daquelas utilizadas em lanternas, um pequeno resistor usado em circuitos eletrônicos e alguns suportes para ligar esses componentes entre si.

Procedimento experimental e questões para interpretação dos resultados :

1) Monte um circuito em série contendo uma lâmpada de lanterna, um LED vermelho e uma fonte de tensão cuja potência foi pré-ajustada pelo professor. a) Ligue a fonte ao circuito e observe: a lâmpada brilhou após o circuito ter sido montado? b) Inverta a posição dos terminais do LED e observe novamente a lâmpada. Com base no que você

pôde observar até aqui, você diria que os dois terminais do LED são idênticos? Explique. 2) Substitua o LED pelo diodo de silício. Experimente montar o circuito sem considerar qual terminal do

diodo estará mais próximo ao pólo positivo da fonte. Depois responda às seguintes questões: a) A lâmpada brilha após o circuito ter sido montado? b) Inverta a posição dos terminais do diodo e observe novamente a lâmpada. O diodo e o LED têm

alguma característica comum? 3) Troque o diodo por um pequeno resistor cilíndrico de 10 Ohms e volte a ligar o circuito com o resistor

em série com a lâmpada. Depois disso, responda: o resistor também possui polaridade? Em outras palavras, faz diferença inverter o terminal do resistor que é conectado mais próximo ao pólo positivo da fonte?

4) Discuta com seu grupo e responda: a capacidade de um diodo inibir a circulação de corrente, dependendo do modo como ele é ligado ao circuito poderia ter alguma aplicação prática?

03- LEDs COMO MODELOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

Introdução:

Materiais semicondutores como aqueles utilizados na fabricação de LEDs e diodos são também utilizados na fabricação de painéis fotovoltaicos (vide figura).

Como os LEDs são muito mais acessíveis do que painéis fotovoltaicos convencionais iremos estudar o efeito fotovoltaico a partir do comportamento de um LED.

A principal diferença entre o LED e o painel é que o cristal usado na fabricação de um LED é milimétrico e, portanto, a área disponível para captação de luz chega a ser dezenas de milhões de vezes menor do que a de um painel fotovoltaico comercial.


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Como a intensidade da luz interfere na tensão elétrica (voltagem) produzida por um LED iluminado? Será que as lâmpadas convencionais de filamento também funcionam como fontes de tensão quando adequadamente iluminadas?

Para investigar essas questões reúna-se em um grupo e planeje um experimento. Mais uma vez, o professor poderá fornecer materiais que o grupo julgar necessários, além de orientações adicionais para o uso dos materiais.

Interpretação dos resultados :

1) Que diferenças podem ser observadas entre o comportamento exibido por um LED e por uma lâmpada incandescente convencional?

2) Experimente usar o LED iluminado para substituir a bateria de um pequeno relógio digital. a) Por que um LED adequadamente iluminado pode substituir a bateria fazendo o relógio funcionar

perfeitamente? b) Por que um LED adequadamente iluminado não é capaz de gerar energia elétrica para permitir a

emissão de luz em outro LED ou em uma lâmpada de lanterna?

3) Atualmente, todos os televisores e a maior parte de outros equipamentos eletrodomésticos dispõem de um aparelho de controle remoto. No equipamento que manipulamos com as mãos, ocorre a emissão de um sinal que é produzido por um LED. Quase sempre se trata de um LED que emite “luz” infravermelha, invisível aos nossos olhos, mas com maior capacidade de contornar obstáculos e atingir o equipamento que queremos controlar. Parece óbvio supor que a “luz” emitida pelo LED infravermelho deva ser captada por algum dispositivo ligado ao equipamento a ser controlado. Mas que dispositivo seria esse? Este dispositivo poderia ser outro LED? Em outras palavras, LEDs podem gerar sinais elétricos se forem submetidos a uma radiação luminosa adequada?

04- O LDR: OUTRO DISPOSITIVO ELETRO-ELETRÔNICO SENSÍVEL À LUZ

Introdução:

Em uma exploração anterior concluímos que LEDs são sensíveis à luz. O condutor metálico que constitui o filamento de uma lâmpada não é sensível à luz. Ele é opaco e reflete grande parte da luz que incide sobre ele, como acontece com todo e qualquer metal.

Antes de oferecer uma teoria microscópica para explicar a diferença entre condutores metálicos e LEDs no quesito “sensibilidade à luz”, iremos apresentar outro dispositivo semicondutor denominado LDR, sigla em inglês para Resistor Dependente de Luz.

Os materiais usados na fabricação de LDRs e LEDs são chamados de semicondutores porque têm propriedades intermediárias entre dois extremos: os isolantes e os condutores metálicos.

As explorações a seguir permitirão que você manipule um LDR, aprenda como inseri-lo em um circuito e seja desafiado a conceber uma aplicação prática para esse dispositivo.

De preferência, esta atividade deve ser realizada em grupos. Nesse caso, o professor fornecerá ao seu grupo: uma fonte de luz laser; uma fonte de tensão, um LED azul, um LDR; um resistor de 1.000 Ohms, um multímetro.

IMPORTANTE: (a) Verifique se o potenciômetro da fonte de tensão encontra-se na posição de mínimo antes de ligar o circuito; (b) Varie a tensão da fonte com muito cuidado para não queimar os componentes a ela ligados; (c) Nunca ligue um multímetro ao circuito antes de configurá-lo corretamente. Sempre aguarde a conferência do circuito pelo professor!

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1) O LDR tem uma face plana sobre a qual pode se observar uma espécie de “caminho em zig-zag”. Monte um circuito com uma fonte de tensão com o controle de tensão no nível mínimo, um LED e um LDR ligados em série. a) Ilumine a superfície do LDR sem iluminar significativamente o LED. Feito isso, aumente a tensão da

fonte progressivamente até provocar o brilho do LED. Então, observe o brilho do LED para comparações futuras.

b) Experimente diminuir a intensidade de luz que incide sobre o LDR e observe se há variação no brilho do LED.

c) O LDR possui polaridade como os LEDs e os diodos em geral? Faça o teste para responder a pergunta.

2) Troque o LDR por um resistor comum e repita o procedimento descrito no item anterior. Pense sobre as diferenças observadas e escreva um texto descrevendo essas diferenças.

3) A sigla LDR sugere que este é um dispositivo cuja resistência depende da luz que incide sobre ele. a) As observações feitas até agora permitem estabelecer que tipo de dependência existe entre a luz

incidente e a resistência de um LDR? b) Existe algum outro tipo de exploração ou experimento, além dos que fizemos no item 1, capaz de

fornecer informações sobre o modo como a resistência de um LDR é afetada pela luz? Explique.

4) Junto a seu grupo, conceba alguma finalidade prática para o uso das características do LDR. Não se incomode com uma eventual dificuldade em imaginar como funcionam outros elementos que possam vir a ser necessários na utilização prática das características do LDR.

05- COMPARANDO A SENSIBILIDADE DE DIODOS E RESISTORES METÁLICOS ÀS VARIAÇÕES DE TENSÃO (atividade opcional)

Introdução:

Nas ciências julgamos que uma teoria é boa quando nos torna capaz de explicar uma grande quantidade de fenômenos e comportamentos a partir de um mesmo conjunto básico de idéias. Essa é a razão que tem nos levado a protelar a apresentação de teorias e a realizar sucessivas atividades em que novas características de dispositivos como os diodos passam a ser conhecidas e comparadas com o comportamento de condutores metálicos.

Nesta atividade, ainda perseguimos a meta de enriquecer nosso conhecimento sobre as características que distinguem os condutores metálicos dos materiais semicondutores, tais como os usados na fabricação de LEDs e LDRs. Iremos utilizar agora um aparato que permite variar a tensão aplicada nos terminais de um LED, de um resistor usado em circuitos eletrônicos e de uma lâmpada de lanterna. Além desses componentes iremos precisar de uma fonte de tensão, cabos, suportes e dois multímetros: um configurado como amperímetro e outro configurado como voltímetro.

De preferência, esta atividade deve ser realizada em grupos. Neste caso é IMPORTANTE: (a) Verificar se o potenciômetro da fonte de tensão encontra-se na posição de mínimo antes de ligar o circuito; (b) Variar a tensão da fonte com muito cuidado para não queimar os componentes a ela ligados; (c) Nunca ligar um multímetro ao circuito antes de configurá-lo corretamente e de aguardar que o professor confira o circuito!


Se a atividade estiver sendo realizada em grupos, LEDs com cores diferentes deverão ser estudados por diferentes grupos. Essa estratégia nos permite obter informações sobre vários LEDs em menos tempo e colaborar com o restante da turma no estudo desses dispositivos. Lembre -se que o LED possui polaridade e não emitirá luz se não estiver corretamente conectado à fonte.

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1) Variaremos lentamente a tensão na fonte e observaremos o LED enquanto monitoramos a tensão e a corrente estabelecidas no circuito. Anotaremos as medidas de tensão e corrente para preencher uma tabela semelhante àquela reproduzida a seguir. Com o auxílio da tabela você deverá produzir um gráfico “Voltagem x Corrente”, identificando no gráfico o ponto a partir do qual se inicia a emissão de luz. No caso do LED vermelho a tensão máxima não deverá ultrapassar os 2,5 V. Para o LED verde a tensão máxima deve ser de 3,0 V. No caso do LED azul, a tensão máxima poderá chegar aos 4,5 V.

Voltagem (V) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Corrente (mA) Fazer tabela no caderno

Voltagem (V) ...... 2,5 ..... .... 3,0 .... ... .... 4,5 Corrente (mA) Limite para o LED

Vermelho Limite para o

LED Verde Limite para

o LED Azul 2) Volte o controle da fonte para o valor mínimo de tensão. Depois disso, ligue agora uma lâmpada de

lanterna ao circuito. Sem superar o limite máximo de 3,0 V, faça medidas e organize uma tabela similar àquela confeccionada no item anterior. Com base nessas medidas, elabore um novo gráfico “Voltagem x Corrente”.

3) Mais uma vez, volte o controle da fonte para o valor mínimo de tensão. Depois disso, ligue um resistor de 1.000 Ohms ao circuito. Novamente, preencha uma tabela com medidas de voltagem e corrente para elaborar um terceiro gráfico.

4) Há alguma diferença significativa no comportamento dos três tipos de componente (resistor, lâmpada e LED), que é exibido com o auxílio de um gráfico “Voltagem x Corrente”? Explique.

06- COMPARANDO A EFICIÊNCIA DE DIODOS EMISSORES DE LUZ E LÂMPADAS CONVENCIONAIS

Um marco na história da iluminação foi a invenção da lâmpada elétrica incandescente que converte energia elétrica em calor e energia luminosa. A invenção ocorre por volta da década de 1840, mas esse tipo de lâmpada só alcança sucesso comercial a partir de 1879, quando Thomas Edson aperfeiçoou a lâmpada ao retirar o ar do interior de seu bulbo de vidro, de modo a evitar que o filamento incandescente se queimasse. Desde esse período até 1907 pouca coisa mudou no projeto original da lâmpada elétrica. Neste ano, o filamento de algodão carbonizado usado desde 1840 foi substituído por uma liga metálica de tungstênio que é resistente a altas temperaturas e também é bastante duradoura. Em 1938, surge outro marco na história da iluminação. Neste ano, foram criadas as lâmpadas fluorescentes cujo funcionamento é baseado na excitação de vapor de mercúrio contido dentro de um tubo. Em uma próxima atividade, teremos oportunidade de conhecer melhor as características das lâmpadas fluorescentes. Na presente atividade, nosso objetivo é comparar as lâmpadas incandescentes convencionais de filamento com um dispositivo relativamente novo e que só recentemente passou a ser cogitado como um substituto da iluminação convencional: o diodo emissor de luz (LED). Reúna-se com alguns colegas para formar um grupo. O grupo deve planejar uma forma de comparar a eficiência energética de um LED branco e de uma lâmpada de lanterna ligados a uma fonte de tensão variável.

As questões a seguir podem auxiliar o planejamento a ser concebido e executado por seu grupo: 1) Que aparelhos de medida serão necessários para realizar o experimento planejado pelo grupo e como eles

deverão ser utilizados? 2) Que critério ou recurso será usado para comparar as intensidades de luz emitidas por cada dispositivo?

Se houver material experimental disponível para que o plano concebido por cada grupo seja realizado, o professor poderá emprestar os equipamentos necessários. Caso contrário, o desenvolvimento do plano poderá ocorrer em outro momento do curso.

3) O resultado obtido por seu grupo é coerente com o resultado obtido por outros grupos? Explique. 4) Considerando as diferenças encontradas experimentalmente para a eficiência energética de um LED

branco e de uma lâmpada convencional, que impactos econômicos, culturais e sociais podem vir a ocorrer caso toda a iluminação necessária às atividades humanas passe a ser realizada por LEDs?

a fÍsica quÂntica, os dispositivos semicondutores e a estrutura da matÉria parte 1

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