UFABC BC1519 CIRCUITOS ELTRICOS E FOTNICA

Relatrio - Experimento 3 Diodos Emissores de Luz e a Constante de Planck

Lineu Parra Raphael Ribeiro Sergio Machado

Santo Andr, 15 de Dezembro de 2014.

PARTE I. Constante de Planck

Dados experimentais:

LED 1 LED 2 LED 3

Cor Vermelho Amarelo Verde

(I 1 A) VL(V) 1,358 1,520 1,585 (I 10 A) VL(V) 1,446 1,601 1,661

a) Construa um grfico de LV (1/), representando no mesmo grfico os dados

para os dois valores de corrente (1 e 10 A). Utilize pontos para ilustrar os dados

experimentais (no ligue os pontos com linhas).

b) Para cada conjunto de dados, estime a constante de Planck a partir de um

ajuste de curva linear do tipo y = ax+b. No grfico, represente as curvas de

ajuste com linhas slidas.

Ajuste linear para I = 10 A:

Ajuste linear para I = 1 A:

c) Compare os valores obtidos com o valor conhecido de h. Mostre todo o

procedimento de clculo, faa uma estimativa da incerteza de sua medida e

discuta seus resultados.

Utilizando a seguinte equao:

= + = =

Considerando que W aproximadamente o mesmo para os trs LEDs,

podemos dizer que:

= (

) (

1

)

A partir da inclinao da reta obtida atravs dos dados experimentais e

tambm dos valores conhecidos da carga elementar e velocidade da luz

obtemos:

Inclinao da reta (V.m)

Constante de Planck (J.s)

Erro relativo (%)

I = 10 A 1,024e-6 5,46e-34 17,6

I = 1 A 1,079e-6 5,75e-34 13,2

Os valores obtidos para a constante de Planck ficaram bem prximos do

valor tabelado que 6,626e-34 Js. Algumas fontes de erro podem estar

relacionados com a falta de preciso nos instrumentos de medio como o

multmetro e tambm atravs de condies experimentais pouco controladas.

Tambm podemos mencionar que foi desconsiderada a resistncia interna

relacionada ao diodo, tratando-o como diodo ideal

PARTE II. Diodos Emissores de Luz

Dados experimentais:

LED ESCOLHIDO: Vermelho

I (mA) VL (V)

0,010 1,445

0,101 1,548

0,201 1,580

0,303 1,598

0,402 1,611

0,504 1,622

0,600 1,629

0,702 1,637

0,803 1,643

0,903 1,649

1,004 1,654

a) Construa um grfico de LI V . Utilize a equao terica para traar a curva que

melhor se ajusta aos dados experimentais e estime SI e para o LED em

questo. OBS.: Utilize pontos para representar os dados experimentais (no

ligue os pontos com linhas) e represente a curva de ajuste com uma linha slida.

Tenso limiar 1,59 V (LED vermelho)

Comparando o ajuste experimental com a equao:

= (

)

Encontramos que a corrente de saturao reversa 116 e =

1

22,065= 1,743.

b) Faa uma anlise dos seus resultados e os comentrios que julgar pertinentes.

Fazendo uma anlise da equao do modelo que faz uma relao entre a

corrente e a tenso em um diodo, tem-se:

=

Linearizando a equao:

ln = ln +

Nesta equao, sabe-se que o IS a saturao reversa, o fator de idealidade

e VT = (kBT/e) trata-se da tenso equivalente da temperatura. Sabe-se que em

temperatura ambiente, VT aproximadamente 26mV.

= 1. 101922,387

Para y = I e x = VL e linearizando:

ln = ln 1. 1019 + 22,387

Comparando as duas equaes linearizadas:

= 1. 1019 = 1. 1016

E

1

= 22,387

1

(26. 103)= 22,387

= 1,718

Quando se faz uma polarizao reversa no LED, a corrente de saturao surge

devido ao campo eltrico gerado pelo aumento da regio de depleo do diodo PN e os

portadores minoritrios. Uma vez que no h corrente nos portadores maioritrios,

percebe-se que a corrente de saturao reversa apresenta um valor muito baixo. O

fator de idealidade depende do material do semicondutor e apresenta uma variao

entre 1 e 2, desta forma, os valores obtidos experimentalmente so apropriados.

QUESTES COMPLEMENTARES

a) Que tipo de tenso (direta ou reversa) deve ser aplicada a um LED para que ele

opere como uma fonte luminosa? Explique.

Para que o LED opere como uma fonte luminosa a juno PN que o compem

deve ser polarizada diretamente. Esse tipo de polarizao diminui a barreira de

potencial na regio da juno. A injeo de corrente eltrica atravs da juno aumenta

a taxa de recombinao eltron-lacuna o que no caso das recombinaes radioativas

culmina na emisso de ftons com frequncia proporcional energia de gap EG.

b) Apresente alguns tipos de LEDs e suas aplicaes.

Existem diferentes tipos de LEDs e a sua escolha deve ser feita baseando-se na

aplicao desejada. Basicamente, h seis tipos de LEDs:

1. LED SMD SurfaceMount Led : Trata-se de um LED de montagem

superficial, geralmente usado em circuitos eltricos de drives de

computadores, rdios de carros e at em brinquedos.

Figura : LED SMD

2. LED CC ou Contra cnico: LED de vida til longa e de baixo custo

relacionado, geralmente utilizado em sinalizao.

3. LED esfrico: Muito parecido com os LEDs CC, apresentando os mesmos

usos e caractersticas, porm apresenta uma ponta mais arredondada.

Figura :LEDs CC e LED esfrico.

4. LED PL ou Power LED: Utilizado em equipamentos que precisam de uma

iluminao potente, apresentam caractersticas de um dissipador de calor,

devido a sua grande potencia.

Figura :LED PL.

c) Compare a produo de luz em uma lmpada incandescente e em um LED,

discutindo aspectos como: princpio de funcionamento, eficincia, caractersticas

da radiao emitida, etc. A partir desta experincia, voc consegue explicar

porque os LEDs so mais econmicos que as lmpadas?

A grande vantagem do uso dos LEDs a economia de energia, j que nos LEDs a

energia totalmente convertida em luz, no havendo perdas de energia na forma de

calor, por exemplo.

A seguir ser feita uma comparao do LED com alguns tipos de lmpadas:

- Lmpada dicroica 50W equivale a uma luminria LED de 6W ( economia de

44W/hora)

- Lmpada incandescente de 60W equivale a uma luminria LED de 4,5W (

economia de 55,5 W/hora).

- Lmpada fluorescente tubular de 40W equivale a uma luminria LED de 18W (

economia de 22W/hora)

O LED um semicondutor (diodo emissor de luz), ou seja, capaz de transformar

energia eltrica em luz. Diferentemente das lmpadas, o LED no possui

filamentos metlicos, radiao UV ou descarga de gases, a transformao da

energia eltrica em luz feita na matria, por este motivo, em alguns casos

chama-se de Estado Solido.

d) Compare os valores das tenses medidas nos terminais dos trs LEDs. Qual a

relao entre a tenso e a frequncia da radiao emitida pelo LED? Explique a

relao entre a cor do LED e a tenso em que o LED comea a conduzir

corrente.

A frequncia da radiao emitida est diretamente relacionada com a

energia de gap do semicondutor utilizado. O LED comea a conduzir corrente e,

consequentemente, emitir luz a partir de um valor mnimo de tenso conhecido

por tenso de corte. A partir desse valor de tenso possvel vencer a barreira

de potencial criada pela juno pn do semicondutor. Cada tipo de LED possui

um valor tpico de tenso de corte, e dessa forma pode ser observado diferentes

valores de queda de tenso para os LEDs de diferentes cores utilizados no

experimento.Para LEDs que emitem luz com menor comprimento de onda e,

portanto, maior frequncia, possvel observar que necessitam de uma tenso

maior como o que ocorre com o LED verde e vermelho.

e) Liste quais foram as hipteses assumidas neste experimento.

1) A frequncia f da luz emitida por um LED depende do bandgapEG do material

semicondutor. Sendo que a energia do fton hf aproximadamente igual ao

bandgap (EG), com a constante de Planck h = 4,135x10-15eV.s (= 6,626x10-

34J.s);

2) A energia do bandgap pode ser escrita como EG = qVL + W, sendo q a carga

elementar (q = 1,6 1019 C), VL a tenso no LED e W um termo de energia

que depende da corrente I que flui pelo LED. Para os LEDs selecionados

nesse experimento, assumi-se que o valor de W aproximadamente igual

para os trs LEDs quando eles so percorridos pela mesma corrente I, com a

condio de que a corrente seja suficientemente baixa (I

incidente pode-se observar uma relao linear entre a energia cintica do eltron

e a frequncia da luz at uma determinada frequncia de corte. A partir da

inclinao da reta desse grfico foi possvel obter a razo entre a constante de

Planck e a carga elementar do eltron que havia sido determinada tambm por

Millikan no experimento da gota de leo. Dessa forma,o valor da constante de

Planck obtido por Millikan foi (6,57 0,33)1034 J s.

BIBLIOGRAFIA

[1]Brandl, M. The PhotoelectricEffect. Disponvel em: . Acesso em: 13/12/2014. [2] SANTOS, W. L. P.; MALDANER, O. A.Qumica Nova na Escola. A Constante de Planck: uma nova viso para o ensino mdio. Vol. 33, n.4, Novembro 2011.