ressonancia

AABBSSOORRCcedilCcedilAtildeAtildeOO EEMMIISSSSAtildeAtildeOO EE RREESSSSOONNAcircAcircNNCCIIAA DDEE LLEEDDss CCOOLLOORRIIDDOOSS

UM PASSEIO POR ESPECTROS E OUTROS CONCEITOS DE FIacuteSICA MODERNA

Eliane Cappelletto (Furg) e Elias Gonccedilalves (Ifes)

Colaboraccedilatildeo Marcelo Bruno (Furg)

PPLLAANNOO DDEE AAUULLAA

I Objetivos

1 Apresentar uma proposta do uso de LEDs como instrumentos de determinaccedilatildeo da cor dos LEDs atraveacutes do fenocircmeno da ressonacircncia

2 Identificar a natureza e aplicaccedilatildeo dos diodos de emissatildeo de luz (LEDs) 3 Determinaccedilatildeo do espectro de radiaccedilatildeo de um LED

II Metodologia

O desenvolvimento da aula constaraacute de 4 atividades

1 Atividade I ndash Descobrindo a cor de um LED a Apresentaccedilatildeo das caracteriacutesticas de um LED b Utilizaccedilatildeo do Multiacutemetro para verificaccedilatildeo da relaccedilatildeo da Cor de um LED com a ddp

aplicada c Fenocircnemo de Ressonacircncia

2 Atividade II ndash Discussatildeo Conceitual sobre os LEDs a Anaacutelise dos resultados obtidos na 1ordf atividade b O espectro de radiaccedilatildeo de um LEDs c A absorccedilatildeo

3 Atividade III ndash Simulaccedilatildeo da emissatildeo de radiaccedilatildeo de um LED a Comportamento da junccedilatildeo pn b Utilizaccedilao do simulador (httpphyseducksueduvqmhtmlledhtml) para se

observar o espectro de emissatildeo de um LED criaccedilatildeo das bandas de conduccedilatildeo e valecircncia correspondecircncia entre o espectro testado e o espectro real

4 Atividade IVndash Determinar o espectros de emissatildeo de um LED atraveacutes da construccedilatildeo de um espectroscoacutepio caseiro a Montagem de espectroscoacutepio com uma rede de difraccedilatildeo a partir de um CD b Observaccedilatildeo dos espectros de emissatildeo dos LEDs

III Referecircncias

CAVALCANTE MA amp TAVOLARO CRC Fiacutesica Moderna Experimental 2ordf ediccedilatildeo revisada Ed Manole SP 2007

CAVALCANTE MA amp TAVOLARO CRC Fiacutesica Moderna Experimental 2ordf ediccedilatildeo revisada Ed Manole SP 2007 Blog do livro httpfisicamodernaexperimentalblogspotcom

CAVALCANTE MA amp TAVOLARO CR Uma caixinha para o estudo de espectros Fiacutesica na escola v2 nordm2 2002 httpwwwsbfisicaorgbrfnevol3num2a13pdf

CAVALCANTE MA amp HAAG R Corpo negro e determinaccedilatildeo experimental da constante de Planck Revista Brasileira de Ensino de Fiacutesica v27 nordm3 2005 httpwwwsbfisicaorgbrrbefpdfv27_343pdf

T M SANSOSTI LEDrsquos Detectors disponiacutevel em httplaserphysicssunysbedu~tanyareport2 Acesso em 23 de julho de 2010

VISUAL QUANTUM MECHANICS disponiacutevel em httpphyseducksueduvqmhtmlledhtml Acesso em 23 de julho de 2010

ESCALADA L T REBELLO N S amp ZOLLMAN D A (2004) Student explorations of quantum effects in LEDs and luminescent devices The Physics Teacher 42 173-179

httpoptativafisicaufrgsblogspotcom

httpwwwsbfisicaorgbrfneVol3Num2a13pdf

httpfisicamodernaexperimentalblogspotcom200903espectroscopio-manualhtml

Este texto estaacute disponiacutevel em httpfisicadabellablogspotcom

ABSORCcedilAtildeO EMISSAtildeO E RESSONAcircNCIA DE

_LEDs_COLORIDOS_


Data__________

Um Pouco de Teoria

Apresentamos uma proposta de ensino centrada na absorccedilatildeo emissatildeo e ressonacircncia de leds coloridos Focalizamos inicialmente o conceito de ressonacircncia utilizando diodos emissores de luz ou LEDs (acrocircnimo de Light Emitting Diode) O LED eacute um diodo semicondutor (junccedilatildeo P-N) que quando energizado emite luz visiacutevel A luz natildeo eacute monocromaacutetica (como em um laser) mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita e eacute produzida pelas interaccedilotildees energeacuteticas dos eleacutetrons Essa processo de emissatildeo de luz pela aplicaccedilatildeo de uma fonte eleacutetrica de energia eacute chamado eletroluminescecircncia

A banda colorida eacute relativamente estreita A cor portanto dependente do cristal e da impureza de dopagem com que o componente eacute fabricado O LED que utiliza o arsenieto de gaacutelio emite radiaccedilotildees infravermelhas Dopando-se com foacutesforo a emissatildeo pode ser vermelha ou amarela de acordo com a concentraccedilatildeo Utilizando-se fosfeto de gaacutelio com dopagem de nitrogecircnio a luz emitida pode ser verde ou amarela Hoje em dia com o uso de outros materiais consegue-se fabricar LEDs que emitem luz azul violeta e ateacute ultravioleta Existem tambeacutem os LEDs brancos mas esses satildeo geralmente leds emissores de cor azul revestidos com uma camada de foacutesforo do mesmo tipo usado nas lacircmpadas fluorescentes que absorve a luz azul e emite a luz branca

Quando aplicamos uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo os eleacutetrons de conduccedilatildeo ganham energia suficiente para vencer a barreira de potencial e caminhar para a regiatildeo p Quando o eleacutetron passar para a regiatildeo p podemos ter uma recombinaccedilatildeo entre eleacutetrons e lacunas e como consequumlecircncia para cada transiccedilatildeo teremos a emissatildeo de um foacuteton com energia hf

Cada cor portanto tem a sua frequumlecircncia de emissatildeo caracteriacutestica que para ser emitida depende de uma tensatildeo aplicada especiacutefica para cada cor

Nome email

Entatildeo se aplicarmos sobre o LED uma ddp ele emitiraacute foacutetons de energia com uma frequecircncia caracteriacutestica

A nossa experiecircncia consiste no processo inverso onde sobre o LED seraacute incidido uma radiaccedilatildeo hf e detectaremos nos seus terminais uma determinada ddp que seraacute registrada por um voltiacutemetro

Aleacutem de observar esse processo inverso poderemos perceber um outro fenocircmeno ondulatoacuterio que eacute a ressonacircncia

Um LED como todo semicondutor aumenta sua condutividade agrave medida que foacutetons de energia correspondente agrave sua ldquobanda de emissatildeordquo incidem sobre ele Esta propriedade nos permite utilizar um LED como um sensor de radiaccedilatildeo com uma resposta espectral definida pela largura de sua banda de emissatildeo Podemos dizer portanto que a corrente eleacutetrica fornecida pelo LED na incidecircncia de uma radiaccedilatildeo ressonante eacute proporcional agrave intensidade de luz incidente Os LEDs vecircm sendo utilizados como sensores de radiaccedilatildeo em fotocircmetros solares desde 1992 apresentando uma meia largura tiacutepica de resposta na regiatildeo de 550 a 700 nm da ordem de 25 a 35 nm o que nos permite selecionar adequadamente o comprimento de onda da radiaccedilatildeo

A primeira atividade proposta eacute bastante simples e consiste em observar esta propriedade ressonante dos LEDs Para isso incidiremos sobre um LED de uma cor qualquer a luz emitida por um outro LED

Registra-se maior ddp quando a radiaccedilatildeo que incide sobre o LED corresponde agrave radiaccedilatildeo emitida por outro LED idecircntico Atraveacutes desta propriedade poderemos identificar a cores de LEDs sem ligaacute-los a uma ddp mas atraveacutes da sua propriedade ressonante

RESUMO DA ATIVIDADE

Observa-se nesta atividade o processo de ressonacircncia caracteriacutestico de um espectro de absorccedilatildeo Para isso LEDs satildeo utilizados como sensores de radiaccedilatildeo Um LED pode fornecer tensatildeo eleacutetrica nos seus terminais desde que se incida sobre ele uma radiaccedilatildeo que tenha um comprimento de onda ressonante com sua banda de absorccedilatildeo Nesta atividade esta ressonacircncia pode ser observada fazendo incidir sobre LEDs de uma dada cor radiaccedilatildeo de diferentes comprimentos de onda apenas as radiaccedilotildees com comprimentos de onda dentro da faixa de absorccedilatildeo do LED receptor possibilitam o registro de ddp nos seus terminais

COMO AVALIAR ESSE TRABALHO

Para avaliar este trabalho sugiro que o professor desenvolva com os alunos uma atividade experimental que pode ser executada em grupo pedindo um relatoacuterio detalhado no qual seja descrito todo o processo de medida os dados coletados e uma conclusatildeo

EM QUAL ANO OU ANOS DO ENSINO MEacuteDIO SERIA MELHOR APLICAR ESSE TRABALHO

Como nesta atividade os alunos utilizam multiacutemetros seria mais apropriada para a 3ordf seacuterie na qual satildeo abordados temas relacionados agrave eletricidade e magnetismo

AAttiivviiddaaddee II ndashndash EExxppeerriimmeennttoo ndashndash DDeessccoobbrriinnddoo aa ccoorr ddee uumm LLeedd sseemm lliiggaacuteaacute--LLoo aa

uummaa bbaatteerriiaa

Material

3 Leds transparentes (indicadores) nas cores vermelho verde e violeta

1 resistor de 100 para limitar a corrente

1 bateria de 9 V

Presilha para encaixar fios

Voltiacutemetro

6 Leds transparentes a testar nas cores vermelho laranja amarelo verde azul e violeta

3 Leds transparentes (desafio) a testar

2 Pilhas 15 V em seacuterie


Ponteira laser

A)

B)

Figura 1 ndash A) Circuito indicador para descobrir a cor de um led sem ligaacute-lo agrave bateria

B) Detalhe da montagem do resistor e dos leds indicadores

Procedimento

Monte o circuito indicador conforme mostra a Figura 1

Ligue a chave que conecta a bateria ao circuito acendendo os leds indicadores

Conecte um dos leds a testar ao voltiacutemetro prendendo os fios na presilha (Figura 2)

Aproxime o led a testar a um dos leds indicadores observando a resposta no voltiacutemetro

Repita com os outros dois leds indicadores (Figura 3)

Em cada caso anote se a resposta eacute fraca meacutedia ou forte (Tabela 1)

A partir da resposta aos leds indicadores estime a cor do led misterioso (Tabela 2)

Repita com todos os leds misteriosos ateacute completar as tabelas

Figura 2 ndash Conexatildeo do led receptor com o voltiacutemetro

Atenccedilatildeo Para natildeo queimar os leds nunca os ligue diretamente agrave fonte sem colocar em seacuterie um resistor para limitar a corrente

Verifique se a sua estimativa foi boa ligando cada led misterioso (em seacuterie com um resistor) agrave bateria de 3V (Figura 4)

O led possui polaridade Para que ele acenda ligue o fio com a anilha ao borne positivo da pilha

A) B)

C)

Figura 3 ndash Procedimento experimental A) Testando um led misterioso no led indicador violeta B) Testando no led indicador verde C) Testando no led indicador vermelho

TABELA 1 ndash Anote suas observaccedilotildees

REACcedilAtildeO AO LED VERMELHO

REACcedilAtildeO AO LED

VERDE


VIOLETA

LED A TESTAR Fraca Meacutedia Forte Fraca Meacutedia Forte Fraca Meacutedia Forte

Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T

TABELA 2

LED A TESTAR Cor ESTIMADA para o

Led Misterioso Cor OBSERVADA para o

Led Misterioso

Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T

Figura 4 ndash Verificando se a estimativa estaacute correta Vemos que este led misterioso eacute vermelho

AAttiivviiddaaddee IIII ndashndash DDiissccuussssatildeatildeoo ccoonncceeiittuuaall ssoobbrree rreessssoonnacircacircnncciiaa ccoomm LLeeddss

Questotildees para pensar e discutir com os colegas

1 Explique por que o led violeta responde fortemente agrave luz emitida pelo led indicador violeta

2 Explique por que o led violeta responde fracamente agrave luz emitida pelos leds indicadores

vermelho e verde

3 Leds (como qualquer outro emissor de radiaccedilatildeoluz) possuem um espectro de emissatildeo e um

espectro de absorccedilatildeo Que relaccedilatildeo existe entre esses espectros

4 Utilize o conceito de ressonacircncia para explicar por que um led reage agrave luz emitida por um led

indicador

5 Incida a luz de uma ponteira laser vermelha sobre o led receptor vermelho Compare a resposta

desse led agrave luz do laser e agrave luz do led indicador vermelho

6 Alguns leds como o laranjaamarelo podem responder bem a dois leds indicadores diferentes

Explique como isso eacute possiacutevel

7 Vocecirc verificou que o led azul responde fortemente agrave luz emitida pelo led indicador violeta

Suponha agora que utilizaacutessemos um led indicador da cor azul Ao aproximar um led violeta de

um led indicador azul diferentemente da situaccedilatildeo inversa natildeo obtemos resposta (reage

fracamente) Explique por que essa diferenccedila

8 Comente a resposta dos leds ldquodesafiordquo P W e T aos leds indicadores Quais satildeo as cores destes

leds

9 Explique a diferenccedila entre espectro de linhas e espectro de bandas

AAttiivviiddaaddee IIIIII ndashndash SSiimmuullaaccedilccedilatildeatildeoo ndashndash EEssppeeccttrroo ddee LLeeddss CCoolloorriiddooss

httpphyseducksueduvqmhtmlledhtml

Figura 5 ndash Simulador ldquoEspectroscopia de Ledsrdquo

Figura 6 ndash Simulando o espectro de um Led Vermelho

Figura 7 ndash Simulando o espectro de um Led Laranja

Figura 8 ndash Simulando o espectro de um Led Amarelo

Figura 9 ndash Simulando o espectro de um Led Verde

Figura 10 ndash Simulando o espectro de um Led Azul

Figura 11 ndash Simulando o espectro de um Led Infravermelho

AAttiivviiddaaddee IIVV ndashndash EExxppeerriimmeennttoo ndashndash EEssppeeccttrrooss ddee LLeeddss ccoolloorriiddooss

Observar espectros de leds coloridos usando um espectroscoacutepio caseiro e diferenciar espectro de linhas de espectro de bandas

Data__________

Nome Email

Espectro de um LED ndash Observaccedilatildeo das frequecircncias de emissatildeo Como vimos nos simuladores existe uma banda de transiccedilatildeo para o eleacutetron retornar agrave banda de valecircncia em um semicondutor e portanto a radiaccedilatildeo emitida apresenta uma faixa de frequumlecircncias possiacuteveis Dizemos que o espectro observado eacute um espectro de bandas Atividades

1 Observe o espectro de diferentes leds coloridos com um espectroscoacutepio caseiro

2 Fotografe os espectros procurando deixar visiacutevel a escala do espectroscoacutepio

3 Compare os espectros de leds diferentes

4 Observe o espectro de um gaacutes aquecido e compare com o espectro de um led

A seguir satildeo apresentadas algumas fotografias dos espectros de leds

Figura 12 ndash Fotografando o espectro de um Led Violeta

Figura 13 ndash Espectro de um Led Azul

Figura 14 ndash Espectro de um Led Verde

Figura 15 ndash Espectro de um Led Amarelo

Figura 16 ndash Espectro de um Led Laranja

Figura 17 ndash Espectro de um Led Vermelho

Figura 18 ndash Espectro de um Led Rosa Pink

As

Figura 19 ndash Espectro de um Led Branco

Link para o viacutedeo do espectro de um Led RGB (tricolor)

A partir de imagens como estas (as em que a escala estaacute visiacutevel) eacute possiacutevel determinar a largura espectral de emissatildeo do LED

4 Atividade IVndash Determinar o espectros de emissatildeo de um LED atraveacutes da construccedilatildeo de um espectroscoacutepio caseiro a Montagem de espectroscoacutepio com uma rede de difraccedilatildeo a partir de um CD b Observaccedilatildeo dos espectros de emissatildeo dos LEDs

III Referecircncias

CAVALCANTE MA amp TAVOLARO CRC Fiacutesica Moderna Experimental 2ordf ediccedilatildeo revisada Ed Manole SP 2007

CAVALCANTE MA amp TAVOLARO CRC Fiacutesica Moderna Experimental 2ordf ediccedilatildeo revisada Ed Manole SP 2007 Blog do livro httpfisicamodernaexperimentalblogspotcom

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CAVALCANTE MA amp HAAG R Corpo negro e determinaccedilatildeo experimental da constante de Planck Revista Brasileira de Ensino de Fiacutesica v27 nordm3 2005 httpwwwsbfisicaorgbrrbefpdfv27_343pdf

T M SANSOSTI LEDrsquos Detectors disponiacutevel em httplaserphysicssunysbedu~tanyareport2 Acesso em 23 de julho de 2010

VISUAL QUANTUM MECHANICS disponiacutevel em httpphyseducksueduvqmhtmlledhtml Acesso em 23 de julho de 2010

ESCALADA L T REBELLO N S amp ZOLLMAN D A (2004) Student explorations of quantum effects in LEDs and luminescent devices The Physics Teacher 42 173-179

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httpfisicamodernaexperimentalblogspotcom200903espectroscopio-manualhtml

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_LEDs_COLORIDOS_


Data__________

Um Pouco de Teoria





Nome email







RESUMO DA ATIVIDADE








Material



1 bateria de 9 V


Voltiacutemetro





Ponteira laser

A)

B)



Procedimento













A) B)

C)





VERDE


VIOLETA


Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T

TABELA 2



Led Misterioso

Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T






vermelho e verde




indicador










leds













Data__________

Nome Email














As





_LEDs_COLORIDOS_


Data__________

Um Pouco de Teoria





Nome email







RESUMO DA ATIVIDADE








Material



1 bateria de 9 V


Voltiacutemetro





Ponteira laser

A)

B)



Procedimento













A) B)

C)





VERDE


VIOLETA


Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T

TABELA 2



Led Misterioso

Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T






vermelho e verde




indicador










leds













Data__________

Nome Email














As










RESUMO DA ATIVIDADE








Material



1 bateria de 9 V


Voltiacutemetro





Ponteira laser

A)

B)



Procedimento













A) B)

C)





VERDE


VIOLETA


Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T

TABELA 2



Led Misterioso

Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T






vermelho e verde




indicador










leds













Data__________

Nome Email














As






Material



1 bateria de 9 V


Voltiacutemetro





Ponteira laser

A)

B)



Procedimento













A) B)

C)





VERDE


VIOLETA


Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T

TABELA 2



Led Misterioso

Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T






vermelho e verde




indicador










leds













Data__________

Nome Email














As




Procedimento













A) B)

C)





VERDE


VIOLETA


Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T

TABELA 2



Led Misterioso

Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T






vermelho e verde




indicador










leds













Data__________

Nome Email














As




A) B)

C)





VERDE


VIOLETA


Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T

TABELA 2



Led Misterioso

Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T






vermelho e verde




indicador










leds













Data__________

Nome Email














As




TABELA 2



Led Misterioso

Led V

Led B

Led G

Led Y

Led O

Led R

Led P

Led W

Led T






vermelho e verde




indicador










leds













Data__________

Nome Email














As








vermelho e verde




indicador










leds













Data__________

Nome Email














As















Data__________

Nome Email














As










As




ressonancia

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