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Einstein e o Efeito Fotoelétrico

A interpretação correta para o postulado de Planck veio cinco anos depois. Em 1905, um físico desconhecido, Albert Einstein, que trabalhava como examinador de patentes em Berna, Suíça, publicou três trabalhos revolucionários. O primeiro, conhecido como movimento browniano, procurou explicar o movimento das moléculas em um meio líquido, o segundo foi o famoso trabalho sobre a relatividade, explicou o fenômeno conhecido como efeito fotoelétrico. Foi em 1887 que Heinrich Hertz realizou as experiências que confirmaram a existência de ondas eletromagnéticas e ainda observou que uma descarga elétrica entre dois eletrodos dentro de uma ampola de vidro é facilitada quando radiação lumionosa incide em um deles, fazendo com que elétrons sejam emitidos de sua superfície. Esse fenômeno foi chamado efeito fotoelétrico. As consequências dessa descoberta são muito úteis em nosso dia-a-dia pois a energia da luz pode ser transformada diretamente em eletricidade, é isso que acontece em uma calculadora solar. Sensores baseados nesse fenômeno são utilizados para abrir e fechar portas, acionar sistemas de alarme, etc.

Experimento

Usando a dualidade: o rádio-laser

Sabemos que a luz pode se comportar como onda ou como partícula, mas nunca as duas simultaneamente, pois um comportamento exclui o outro. No entanto, podemos mostrar numa mesma montagem experimental os dois comportamentos, ocorrendo separadamente, é claro. Com o equipamento que será descrito, será possível fazer uma retransmissão de rádio, ou reproduzir uma música. De maneira simplificada, podemos dizer que em nosso sistema emissor vamos transformar som em luz e, em nosso sistema receptor, retransformar essa luz em som. Os pricípios físicos adotados são muito parecidos com os usados em comunicações por fibra ótica, mas, em vez da fibra, usaremos ar como meio de transmissão das informações, via luz.

Materiais necessários:

• 1 caixa de som com amplificador(por exemplo, a caixa de som de um computador PC);
• 1 ponteira laser;
• 1 rádio portátil à pilha com saída para fone de ouvido;
• 1 sendir LDR (ou fototransistor);
• 4 pilhas AA de 1,5 V;
• fios de ligação;
• pinos conectores tipo macho, fêmea e jacaré;

O rádio portátil possui um circuito elétrico que opera em ressonância com a frequência da rádio emissora, transformando as informações trazidas pelas ondas eletromagnéticas em um sinal elétrico pulsante (em forma de ondas) que, por sua vez, é transformado em som no alto-falante. Como vamos transformar esse som em luz?

Em vez de deixar o sinal elétrico chegar ao alto-falante, vamos conduzi-lo até uma ponteira laser, como mostram as figuras 1 e 2. Para isso, aos terminais de uma ponteira laser devidamente alimentados, devemos aplicar um sinal de áudio que permitirá a sua modulação. Em primeiro lugar, construímos o cabo que deve transmitir o sinal de áudio do rádio, conforme a figura 1.

Para permitir a alimentação da ponteira laser, retiramos as baterias que normalmente a acompanham e associamos três pilhas AA de modo que o cabo da Figura 2 possa ser conectado aos seus terminais(teste a polaridade para acender o laser).

FIGURA 1: Cabo de conexão entre saída de áudio de um rádio e os terminais de uma ponteira laser, para a modulação do feixe.

FIGURA 2: Ponteira laser e pilhas conectadas em série para a sua alimentação com os cabos correspondentes. Esses cabos devem ser conectados aos terminais da ponteira(mola interna e carcaça).

Figura 3: Ponteira laser com aplicação simultânea aos seus terminais, de sua açimentação e do sinal de áudio.

Nossa última etapa é conectar a saída do fone de ouvido aos terminais de alimentação do laser através do cabo da Figura 1, como indica a Figura 3. Agora o nosso sistema emissor está pronto, podemos dizer que o feixe de laser está modulado pelo sinal proveniente da saída de áudio do rádio. A luz, em forma de ondas eletromagnéticas, caminha no espaço carregando as informações do rádio.

Sistema Receptor

Agora, vamos transformar o feixe de luz em som. Para isso, precisamos converter a luz em sinal elétrico pulsante de modo que esse sinal permita que uma caixa de som, como por exemplo, as de um computador PC, funcionem e possamos ouvir a estação de rádio sintonizada no seu emissor e as músicas que estariam tocando em seu rádio. O sendor LDR ou fototransistor fará a conversão da luz em sinal elétrico. No LDR, um semicondutor, os fótons desolocam elétrons da banda de valência para a banda de condução, diminuindo a resistência do dispositivo, fazendo-o conduzir corrente elétrica, dessa forma estamos usando o comportamento corpuscular da luz. Para obter um sinal elétrico a partir de um LDR ou fototransistor vamos utilizar o mesmo circuito da Figura 4.

Figura 4.

O sinal elétrico será retirado a partir dos terminais do resistor. À medida que o fotossensor recebe uma intensidade maior de luz, teremos uma corrente elétrica maior no circuito, o que provoca uma maior diferença de potencial nos terminais do resistor. Essa informação é transmitida por um cabo que deve conectar os terminais do resistor aos terminais de um alto-falante. A figura 5 mostra o cabo que permite a transmissão da queda de tensão sobre o resistor à entrada da caixa de som de um PC. A figura 6 mostra um exemplo de um sistema de recepção.

FIGURA 5: Cabo que permite a conexão do sistema de recepção de sinais.

FIGURA 6: Sistema de recepção de sinais, com a conexão de um fotossensor e uma caixa de som aos terminais do resistor.