Autores

Miranda Gomes, A. (UEA / FAMETRO) ; Xavier Gil, A. (UFAM) ; Nunes Oliveira, E. (UEA) ; Costa Rebelo, M. (FAMETRO)

Resumo

Este trabalho objetiva-se apresentar aos alunos do ensino médio, uma abordagem sobre o efeito fotoelétrico, como forma de contribuição nos conteúdos de Física e de Química, devido as dificuldades na compreensão em ambas disciplinas. O Efeito Fotoelétrico é fundamentado na emissão de elétrons na superfície de um material condutor ao ser submetido a uma radiação eletromagnética de alta frequência e este fenômeno foi descoberto por Heinrich Hertz por volta de 1887. A pesquisa mostra um experimento computacional de um programa de Física da Universidade do Colorado-USA, que pode ser instalado em um computador para fins de demonstrações didáticas. A metodologia usada é de pesquisa bibliográfica, PowerPoint®, abordagem didática sobre o fenômeno, utilização do simulador e de um experimento caseiro

Palavras chaves

Efeito Fotoelétrico; Física e Química; Ensino Médio

Introdução

A abordagem do efeito fotoelétrico como contribuição para o ensino de física e de química para escola de ensino médio tem como objetivo apresentar aos alunos uma compreensão deste fenômeno, em ambas as disciplinas e abrir um espaço para facilitar o ensino-aprendizagem em vários aspectos: histórico, conceitual, experimental e de aplicação do fenômeno citado ao cotidiano de cada aluno. Dentro dos Aspectos históricos, a pesquisa mostra que a descoberta do efeito fotoelétrico atribuiu-se ao físico Heinrich Hertz, em 1887 (Gouvêa et al, 2013). A partir de agosto de 1882, Hertz estudou os fenômenos luminosos ocorridos nos gases rarefeitos e construiu um aparato para fazer suas observações da energia elétrica descarregada entre dois fios eletrodos, um fora e outro dentro de um tubo de vidro com um furo, onde percebeu descargas elétricas pelo furo (Mangili, 2012). Em um laboratório da Academia de Ciências de Berlin, Hertz realizou pesquisas voltadas para a propagação de eletricidade em outros meios e também com raios catódicos. O Experimento utilizado foi com bobinas combinadas de um gerador e uma bateria, constatando que o fenômeno ocorria em garrafas de Leyden e espiras de Knochenhauer, as quais denominou Hertz funke, conhecido como sparks (Mangili, 2012). O efeito fotoelétrico ocorreu neste experimento quando duas sparks elétricas saíram na mesma descarga. O efeito fotoelétrico só foi conhecido pelas publicações de Albert Einstein em 1905 através de hipóteses de Planck (Hameka, 2004). Na metodologia, a aula será com Powerpoint®, um simulador disponível no site:http://phet.colorado.edu/new/simulations/sims.php? sim=Photoelectric_Effect e um experimento caseiro. Assim a metodologia proporcionará um ensino de qualidade pela interação aluno-professor e professor-aluno.

Material e métodos

A metodologia adotada foi a pesquisa Bibliográfica, uso de PowerPoint®, abordagem didática, simulador e experimento caseiro sobre o efeito fotoelétrico. Na metodologia da escola, poderá ser feita a pesquisa de campo com alunos do Ensino Médio, de forma qualitativa, quantitativa e método indutivo, em aula expositiva sobre o efeito fotoelétrico, como parte da física e da Química ou ambas, acompanhados de simulação computacional e experimento real, distribuindo os alunos em grupos, visando a construção do conhecimento. No PowerPoint® poderão ser apresentados aspectos históricos sobre o efeito fotoelétrico, as tecnologias de desenvolvimento de equipamentos aplicados com este fenômeno e suas contribuições. Nos exemplos de aplicações podem ser de: Placa Solar fotovoltaica; Porta automática que se abre com um sensor; Celular com sensor de digital; Carros com sensor fotoelétrico; Postes de luz com sensor para acender as lâmpadas; Sensor termopar; Sensor de umidade (Fontes: sites do Google); e em Química o uso de Espectroscópio e Espectrofotômetro (Portela et al, 2016 e Skoog, 2005). Na metodologia, o Simulador computacional do efeito fotoelétrico mostrará como os elétrons são arrancados da placa de metal, que podem ser analisados pelo experimento caseiro, idealizado e testado pelo primeiro autor, mostrando o funcionamento da emissão da radiação eletromagnética por uma Lâmpada ligada, que incide a luz sobre uma placa metálica ligada a um eletrodo e mensurado por um multímetro que registrará a oscilação dos elétrons entre 12,13 a 15,16mA, devido ao movimento dos elétrons para a outra placa de outro eletrodo afastado, contidos em uma garrafa PET contendo gás da reação entre bicarbonato de sódio (NaHCO3) e vinagre (CH3COOH), em que este valor cai para 9,8mA ao desligar a lâmpada.

Resultado e discussão

Os resultados foram analisados pela pesquisa bibliográfica, em que pode-se mostrar em aulas expositivas com uso de computador, as imagens de Exemplos de aplicações do efeito fotoelétrico tanto pela física como pela química e um simulador computacional do efeito fotoelétrico, pelo site da Universidade do Colorado - dos Estados Unidos (USA):http://phet.colorado.edu/new/simulations/sims.php? sim=Photoelectric_Effect, que mostra como a intensidade da luz atinge os elétrons de um alvo metálico de um certo material, arrancando-os e estes se movimentando no espaço para outra placa. No experimento caseiro pode-se observar que existe um pequeno banco com 4 pilhas alcalinas com polo negativo e positivo ligados aos eletrodos das placas na garrafa PET fechada, contendo o Gás CO2, proveniente da reação química entre o NaHCO3 e CH3COOH. este gás ajuda na condução dos elétrons dentre da garrafa quando ligados os polos dos eletrodos e a luz incidente. Fato comprovado quando se utiliza um multímetro e mede a amperagem com valores obtidos entre 12,13 e 15,16mA. Pela explicação quântica, pode-se analisar o efeito conforme a proposição de Einstein, com base na hipótese de Planck pela radiação de corpo negro. Entretanto, a mais convincente foi quando Einstein propôs que a energia da luz que incide seria formada de pacotes de energia, ou seja, os chamados fótons com a intensidade da luz sendo proporcional a quantidade destes pacotes de energia. O quantum de energia irradiado é proporcional à frequência de energia irradiada, ou seja, a energia total E em Joules (J), dada por: E = nhv, onde n = 1, 2, 3, ..., sendo um número inteiro quântico, v é a frequência de energia irradiada em Hertz (Hz) e h a Constante de Planck igual a h = 6,626 x 10E-34 J.s.

(a) a (f): Placa fotovoltaica; Porta automática; Celular; Carros; Postes de luz; Termopar e de Umidade.


Instrumentos ópticos de medidas de espectros luminosos de radiação eletromagnética (a) e de absorção das radiações de UV, visível e IV (b)


(a) Simulador e (b) experimento com: pilhas e eletrodos no interior da ampola (garrafa PET), e a luz incidente ejeta elétrons de uma placa a outra.

Conclusões

O Efeito Fotoelétrico é de fundamental importância na sociedade e pode ser ensinado e demonstrado pelo uso de metodologias que sejam contribuidoras no ensino-aprendizagem de alunos do Ensino Médio na compreensão dos conteúdos do fenômeno ensinado. As dificuldades no aprendizado serão afastadas pela utilização de aulas expositivas com PowerPoint®, simulador do fenômeno e experimento real. Assim, pela qualidade se pretende alcançar a educação, pois a extrema necessidade de se ensinar o referido conteúdo proporcionará o preparo e aproximação do aluno às atividades relacionadas em seu dia-à-dia.

Agradecimentos

Agradecimentos a UFAM, UEA e FAMETRO pelo apoio educacional.

Referências

GOUVÊA, Marcos M. et al. Aplicação da Radiação Ultravioleta como forma de contribuição para a Química verde e contrução de um reator fotoquímico alternativo de baixo custo, para pre-tratamento de amostras. (Quim. Nova, Vol. 37, No. 2, 337-343, 2014 - http://dx.doi.org/10.5935/0100-4042.20140056). Niterói-RJ: UFF, 2013.
HEWITT, Paul G. Física Conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci; revisão técnica: Maria \Helena Gravina. 11ª edição. Porto Alegre: Editora Bookman, 2011.
HAMEKA, Hendrik F. Quantum Mechanics: a conceptual approach. Hendrik F. Hameka. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey and Published simultaneously in Canada: Wiley-Intersciencia, 2004.
MANGILI, Arthur Issa. Heinrich Rudolph Hertz e a “descoberta” do efeito fotoelétrico: Um exemplo dos cuidados que devemos ter ao utilizar a história da ciência na sala de aula. (História da Ciência e Ensino – Construindo Interfaces - Volume 6, 2012 – pp. 32-48). São Paulo: UNESP, 2012.
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PORTELA, Benedito Yago Machado et al. Espectrofotometria, essencial para análises clínicas. (Mostra Científica em Biomedicina, Volume 1, Número 01, Jun. 2016). Quixadá: UCQ, 2016.