Quais dispositivos que utilizam o efeito fotoelétrico no cotidiano?

EFEITO FOTOELÉTRICO

Um elétron pode ser removido de um material metálico.

Isso ocorre devido ao efeito fotoelétrico.

Coube a Albert Einstein esclarecer os fenômenos do efeito fotoelétrico. Mas o que seria esse efeito? Nessa matéria, você vai compreender o que é, como funciona, suas características e aplicações em nosso cotidiano. Além disso, será apresentada a fórmula para calcular o valor da energia do efeito fotoelétrico.

O QUE É O EFEITO FOTOELÉTRICO

O efeito fotoelétrico ocorre quando radiações eletromagnéticas de um tipo específico incidem em alguma placa metálica e fazem com que elétrons pertencentes a ela escapem, após absorverem uma certa quantidade de energia. Primeiramente, ele foi descoberto na metade do século XIX, pelo físico russo Alexander Staletov (1839-1896) e o físico alemão Heinrich Hertz (1857-1894).

Entretanto, foi apenas em 1905 que, com a noção de quantização da energia de Max Plank, Albert Einstein conseguiu explicar corretamente o fenômeno do efeito fotoelétrico.

COMO FUNCIONA O EFEITO FOTOELÉTRICO

A imagem acima, retirada de um experimento online em nossa página QuantumLAB, mostra como ocorre o efeito fotoelétrico. Einstein denominou os elementos de onda cuja energia é compartimentada em quanta de luz, os quais são chamados de fótons. Cada um dos fótons carrega uma quantidade de energia E, denominada quantum de energia. Ela é proporcional à frequência da radiação eletromagnética e pode ser expressa da seguinte forma:

E=h.f

Na fórmula, h é a constante de Plank e f é a frequência da onda eletromagnética. Cada um dos fótons cede energia para um único elétron, ou seja, o elétron absorve um fóton ou nada absorve. Para que esse elétron seja removido do metal, ele deve receber um mínimo de energia, chamada de função trabalho (τ). Essa função trabalho vária de material para material.

Caso a energia do fóton seja maior ou igual à função trabalho, então o elétron é removido do metal. Dessa forma, Einstein conseguiu expressar matematicamente essa situação, que foi denominada de equação fotoelétrica de Einstein. Ela é representada da seguinte maneira:

Além disso, é necessário que a radiação eletromagnética tenha uma frequência mínima para que o efeito fotoelétrico ocorra.

CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DO EFEITO

Existem, nesse efeito, algumas características que só foram explicadas por Einstein em seu artigo. A seguir, são apresentadas as principais delas:

• A energia cinética dos elétrons independe da intensidade da luz que incide no metal;
• Para que ocorra o efeito fotoelétrico, é preciso que a frequência da radiação eletromagnética seja maior que a frequência mínima, conhecida como frequência de corte;
• Não é possível medir, experimentalmente, o intervalo de tempo entre o momento da incidência da radiação no metal e o momento em que os fotoelétrons são emitidos.

Essas são as principais características do efeito fotoelétrico, que possui várias aplicações no nosso cotidiano. Continue acompanhando a seguir!

APLICAÇÕES NO DIA A DIA

Como vimos, o efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons de uma superfície metálica, quando uma radiação eletromagnética incide sobre ela. Esse fenômeno pode ser utilizado em várias ocasiões no nosso cotidiano. Confira as principais:

• Dispositivos para abertura e fechamento de portas automáticas;
• Sistemas de segurança e alarmes;
• Interruptores automáticos para a iluminação de vias públicas;
• Fotômetros de máquinas fotográficas, que controlam o tempo de exposição de filmes.

Esses dispositivos funcionam a partir da mesma ideia, que é a utilização da célula fotoelétrica.

Outra aplicação muito útil e bastante utilizada para a geração de energia limpa são os painéis solares. Esses painéis utilizam uma célula fotovoltaica que usa o efeito fotoelétrico para a geração de energia.

Efeito fotoelétrico é um fenômeno quântico no qual a luz comporta-se como partículas, conhecidas como fótons. O efeito fotoelétrico consiste na ejeção de elétrons da superfície de algum material iluminado que é exposta a uma fonte luminosa de certa frequência. O efeito fotoelétrico foi explicado por Albert Einstein e é mundialmente utilizado para produção de energia elétrica por meio da energia solar.

Veja também: Origens, fórmulas e exercícios resolvidos sobre eletricidade

Quem descobriu o efeito fotoelétrico?

O efeito fotoelétrico foi descoberto por Heinrich Hertz, durante seus experimentos relacionados à produção e captação de ondas eletromagnéticas. Em 1886, Hertz conduzia seus experimentos com chapas metálicas quando percebeu que a incidência da luz ultravioleta resultava em maior produção de faíscas. A explicação teórica para o fenômeno, entretanto, só foi feita em 1905, pelo físico alemão Albert Einstein.

O mecanismo do efeito fotoelétrico era controverso, uma vez que, de acordo com os conhecimentos do eletromagnetismo clássico, um corpo iluminado por uma fonte de luz deveria absorver toda energia luminosa irradiada sobre ele, no entanto, o efeito fotoelétrico só acontecia a partir de certa frequência, que variava de acordo com cada material.

Albert Einstein conseguiu interpretar o efeito fotoelétrico usando os argumentos matemáticos de Max Planck, generalizando-os. De acordo com a teoria da Planck, a radiação térmica é quantizada, isto é, apresenta valores de energia discretos. Segundo esse ponto de vista, a luz é formada por pequenos pacotes de energia, que mais tarde foram batizados como fótons.

Einstein assumiu que a hipótese de Planck fosse válida para todo tipo de radiação eletromagnética, desse modo, mostrou a todo o mundo que luz podia comportar-se como onda e como partícula.

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Como funciona o efeito fotoelétrico?

O efeito fotoelétrico acontece quando os fótons que incidem sobre um material apresentam certa energia capaz de arrancar os elétrons desse material. Cada material necessita de uma quantidade específica de energia para ter seus elétrons ejetados, essa quantidade de energia é chamada de função trabalho.

A energia contida em um fóton é diretamente propocional à sua frequência, como é mostrado na fórmula a seguir:

E – energia armazenada no foton (eV)

h – constante de Planck (4,0.10-15 eV.s)

f – frequência do foton (Hz)

Essa energia é transferida para os elétrons do material na forma de energia cinética. Assim, caso a energia do fóton seja superior à energia que mantém o elétron preso no material, o elétron será ejetado, e sua energia cinética será numéricamente igual à diferença entre a energia contida no fóton e a função trabalho.

E – energia cinética do elétron ejetado

Φ – energia que mantém o elétron dentro do material

Experimento sobre o efeito fotoelétrico

O experimento que ressaltou o caráter quântico do efeito fotoelétrico é conhecido como experimento de Philipp Lenard, um dos assistentes de Heinrich Hertz. Lenard realizou uma série de experimentos e constatou que a intensidade da luz não afetava a energia com que os elétrons eram arrancados de placas metálicas, contradizendo a teoria vigente do eletromagnetismo, em 1903.

Pouco tempo depois, Egon Schweidler conseguiu provar experimentalmente que a energia cinética dos elétrons ejetados era diretamente proporcional à frequência da luz que iluminava as placas.

Os experimentos de Lenard eram feitos utilizando duas placas metálicas — uma placa emissora, iluminada por uma fonte de luz monocromática, e uma placa coletora, que servia para absorver os elétrons. A fim de detectar a absorção de elétrons pela placa coletora, ligava-se um amperímetro em série com as duas placas, além disso, havia uma variação do experimento em que uma bateria era ligada às placas.

A função da bateria era criar um campo elétrico entre as placas que pudesse frear os elétrons; ajustando-se à tensão elétrica, era possível descobrir-se o valor da energia cinética de cada elétron ejetado.

Veja também: A física por trás dos geradores de eletricidade

Exemplos do efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico é utilizado em diversas tecnologias presentes no cotidiano, vamos conferir alguns exemplos:

• Detectores de lumonosidade: os relés são dispositivos que captam a luminosidade. A luz promove a ejeção de elétrons de um material fotoelétrico, então, um circuito é acionado para que a iluminação externa acenda.

• Células fotovoltaicas: são as unidades geradoras de corrente elétrica nos painéis solares. Essas células são feitas de materiais semicondutores, que produzem eletricidade quando iluminados pela luz solar.

Exercícios sobre o efeito fotoelétrico

Questão 1) (UEMG) Leia o trecho a seguir:

O efeito fotoelétrico foi descoberto em 1886 pelo físico alemão Heinrich Hertz (1857-1894). Na ocasião, Hertz percebeu que a incidência da luz ultravioleta em chapas metálicas auxiliava a produção de faíscas. A explicação teórica para o efeito fotoelétrico, entretanto, só foi apresentada pelo físico alemão Albert Einstein em 1905.

A dúvida que existia na época estava relacionada com a energia cinética dos elétrons que eram ejetados do metal: essa grandeza não dependia do(a) __________ da luz incidente. Einstein percebeu que o agente responsável pela ejeção de cada elétron era um único fóton, uma partícula de luz que transferia aos elétrons uma parte de sua energia, ejetando-o do material, desde que seu(sua) __________ fosse grande o suficiente para tal.

Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-efeito-fotoeletrico.htm. Acesso: 11 dez. 2018. (Fragmento: Adaptado).

Assinale a alternativa que preenche CORRETAMENTE as lacunas:

a) frequência – comprimento de onda

b) comprimento de onda – intensidade

c) intensidade – frequência

d) comprimento de onda – frequência

Gabarito: Letra C

Resolução:

No efeito fotoelétrico, a intensidade da luz não afeta a energia cinética dos elétrons ejetados, além disso, essas partículas somente são ejetadas do material se a luz incidente tiver uma frequência mínima para vencer a função trabalho do material, logo, a alternativa correta é a letra C.

Questão 2) (UFU) A natureza da luz é um assunto que tem estado presente nas discussões de cientistas e filósofos há séculos, principalmente a partir da possibilidade de aplicação de fenômenos luminosos por comportamentos tanto ondulatórios quanto corpusculares. Segundo o princípio da complementaridade, proposto por Niels Bohr em 1928, a descrição ondulatória da luz é complementar à descrição corpuscular, mas não se usa as duas descrições simultaneamente para descrever um determinado fenômeno luminoso. Desse modo, fenômenos luminosos envolvendo a propagação, a emissão e a absorção da luz são explicados ora considerando a natureza ondulatória, ora considerando a natureza corpuscular.

Assinale a alternativa que apresenta um fenômeno luminoso mais bem explicado, considerando-se a natureza corpuscular da luz:

a) Espalhamento da luz ao atravessar uma fenda estreita.

b) Interferência luminosa quando feixes luminosos de fontes diferentes se encontram.

c) Mudança de direção de propagação da luz ao passar de um meio transparente para outro.

d) Absorção de luz com emissão de elétrons por uma placa metálica.

Gabarito: Letra D

Resolução:

O efeito fotoelétrico ocorre quando um fóton apresenta uma frequência mínima e, portanto, uma energia mínima, necessária para arrancar elétrons de uma placa metálica. Assim, a alternativa que descreve um fenômeno corpuscular da luz é a letra D.

Quais os dispositivos que utilizam o efeito fotoelétrico no cotidiano?

O que é efeito fotoelétrico Cite exemplos de sua utilização?

Onde pode ser observado o efeito fotoelétrico?

Qual a importância do efeito fotoelétrico para nós?