Roteiro do Experimento Medidas da constante de Planck usando LEDs (Diodos Emissores de Luz) Fotoluminescência de uma junção pn.

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1 Fotoluminescência de junção pn Página 1 de 7 Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho Departamento de Física Laboratório de Física Moderna Roteiro do Experimento Medidas da constante de Planck usando LEDs (Diodos Emissores de Luz) Fotoluminescência de uma junção pn. INSTRUÇÕES GERAIS: 1. Confira se encontra-se sobre a bancada todo o material que você irá utilizar durante o experimento. 2. Neste e em outros equipamentos que fazem uso de elementos ópticos (lentes, espelhos, prismas, redes difração, etc.), tome cuidado para não colocar a mão diretamente sobre as superfícies ópticas. 3. Esteja sempre atento às limitações do equipamento. 4. Atente também as altas voltagens e lâmpadas incandescentes que podem causar ferimentos. 5. Leia atentamente e completamente cada item antes de começar a executar o que nele é pedido. 6. Ao terminar o experimento verifique se todos os equipamentos estão desligados, antes de abandonar a bancada. O GRUPO DEVE TRAZER PARA REALIZAR ESTE EXPERIMENTO: - Seu caderno de laboratório - 1 calculadora EQUIPAMENTO A SER UTILIZADO NO EXPERIMENTO: 1 Espectrofotômetro contendo: 1 fenda colimadora; 1 lente colimadora; 1 rede de difração; 1 lente focalizadora; 1 máscara com fendas; 1 Sensor de Luz de Alta Sensibilidade; 1 trilho ótico; 1 base graduada; 1 Sensor de Movimento Rotativo; 1 interface USB ScienceWorkshop 750; 1 conjunto de LEDs contendo: 1 LED infra vermelho; 1 LED vermelho; 1 LED amarelo; 1 LED verde; 1 LED azul; 1 LED violeta; 1 LED branco; 1 amplificador de potência; 1 sensor de tensão; cabos de ligação.

2 Fotoluminescência de junção pn Página 2 de 7 MONTAGEM EXPERIMENTAL: 1. Você deverá encontrar o espectrofotômetro montado como na Figura 1, preso a dois suportes verticais de modo a ter sua altura ajustada para alinhar-se com as várias fontes de luz (LEDs). 2. Ajuste a distância entre a fenda colimadora e a lente colimadora para 10cm. 3. A rede de difração deve ser fixada magneticamente no suporte, no lado que contém a lente colimadora e a fonte de luz. O lado gradeado da placa de vidro deve coincidir com a linha da mesa graduada. 4. Ajuste a mesa graduada para que a linha de referencia aponte para 180 o, afastando o sensor de movimento rotativo com a mão. Figura 1 Espectrofotômetro montado 5. Ajuste a altura do conjunto de LEDs com a do conjunto espectrofotômetro. 6. Conecte o amplificador de potência ao canal C da interface USB que deve estar conectada ao computador. 7. Conecte o sensor de movimento rotativo aos canais 1 e 2 da interface. 8. Conecte a fonte DC no conjunto de LEDs; o sensor de tensão ao canal B da interface USB e aos conectores da caixa de LEDs como indicado na Figura Aterre o espectrofotômetro. Não use as tomadas de força para tal. 10. Inicie o programa DataStudio e abrindo o arquivo Fotoluminescência que se encontra na pasta Desktop/Laboratório de Física Moderna. Figura 2 Esquema de ligações da caixa do conjunto de LEDs.

3 Fotoluminescência de junção pn Página 3 de 7 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: O procedimento descrito a seguir refere-se a qualquer um dos LEDs do conjunto e deve ser repetido para todos eles individualmente. Medida do comprimento de onda da radiação emitida pelo LED. 1. Ajuste os valores conforme sugestão na tabela abaixo. O ganho é ajustado diretamente no sensor de luz e a sensibilidade é ajustada acionando o botão Configurar na barra de ferramentas superior do programa DataStudio. Clique duplamente no ícone do sensor de luz e selecione sensibilidade Baixa (1x). Ajustes sugeridos. Ganho do sensor de luz x10 Sensibilidade do sensor de luz Alta(100x) Fenda colimadora #2 Fenda do sensor de luz #3 2. Apague as luzes próximas e posicione a tela do computador longe do espectrofotômetro. 3. No DataStudio, encontre a janela Gerador de Sinais e ajuste a fonte para CC e 3 V e ligue-o. CUIDADO: Os LEDs podem queimar quando submetidos à tensões altas. 4. Conecte o plug macho da caixa de LEDs a um dos conectores (c1-c7). O LED corresponde (l1-l7) deverá acender. 5. Alinhe oticamente a posição do LED aceso e do espectrofotômetro. Afaste e aproxime a lente colimadora a fim de obter uma imagem o mais nítida possível no anteparo. Posicione o sensor de luz de modo que a fenda fique ao lado do máximo central. Veja a Figura 3. Figura 3 Montagem experimental onde a lâmpada de sódio deve ser substituída pelo conjunto de LEDs..

4 Fotoluminescência de junção pn Página 4 de 7 6. No DataStudio, acione o botão Configurar, Opções de amostragem, Parada automática, ajuste para que interrompa a medida quando a Medição dos dados de Corrente, canal C (A) elevar-se acima de 0.025A. Isto protegerá o LED contra excesso de corrente. 7. No DataStudio, na janela Gerador de Sinais e eleve gradualmente a tensão CC. Como o LED está protegido do excesso de corrente, você poderá encontrar a tensão para conseguir o máximo de intensidade luminosa do LED. 8. Pressione o botão Iniciar no painel do programa DataStudio e movimente vagarosamente o sensor passando pelo máximo central e pelo primeiro máximo lateral. Ao iniciar a varredura, verifique se o ângulo cresce positivamente. Caso positivo continue a varredura vagarosamente. Caso contrario pare a coleta dos dados acionando o botão Parar no DataStudio, inverta os conectores do sensor de movimento rotativo e reinicie a coleta de dados. Pressione o botão Parar após encontrar o primeiro máximo. 9. Usando a ferramenta Smart (botão xy ) no gráfico, meça o ângulo entre o máximo central e o máximo de primeira ordem (m=1). 10. Usando o a separação de linhas d calculada no experimento Espectro Atômico calcule o comprimento de onda da radiação emitida pelo LED. Levantamento da curva IxV do LED: 1. Abra o Gerador de Sinais e ajuste a forma conforme a tabela abaixo: Ajustes sugeridos. Modo Auto Amplitude 7.5V Freqüência 0.40Hz Forma da onda Rampa ascendente positiva 2. Pressione o botão Iniciar no painel do programa DataStudio e obtenha o gráfico I xv (Corrente ChC x Voltagem ChB). 3. Repita a curva I xv para cada diodo 3 vezes. Salve seus dados. Determinação do valor de h/e para o fotodiodo: 1. Extrapole a porção de tensão constante da curva para o obtenção do potencial de difusão

5 Fotoluminescência de junção pn Página 5 de 7 V D. Calcule o valor médio para as 3 medidas que você obteve em cada diodo. 2. Faça um gráfico de V D versus f (freqüência da luz emitida pelo diodo) e obtenha o valor de h/e. INCLUA EM SUAS ANÁLISES NO RELATÓRIO FINAL 1. Considere como erro de medida o efeito da largura de banda da radiação emitida pelo diodo nos seus cálculos. 2. O potencial de difusão é dependente da temperatura conforme a expressão ( V D /V D,0 ). T = -5, K, onde V D e T são as variações no potencial de difusão e na temperatura e V D,0 é potencial de difusão em T=0. Use esta expressão para estimar V D,0 e recalcule h/e usando o gráfico V D,0 versus f. Compare os valores obtidos.

6 Fotoluminescência de junção pn Página 6 de 7 QUESTÕES QUE DEVEM SER RESPONDIDAS NA APRESENTAÇÃO PRÉVIA 1) O que são materiais semicondutores? 2) O que é uma junção pn? 3) O que é e como funciona um LED? 4) No caso de um LED policromático, como devem ser consideradas as diversas freqüências de emissão no cálculo de V D? 5) Supondo que o espectro de emissão do LED seja uma gaussiana, como podemos considerar a largura da banda nos cálculos que serão realizados.

7 Fotoluminescência de junção pn Página 7 de 7 FOLHA DE DADOS EXPERIMENTAIS Grupo: data / / Medidas dos comprimentos de onda emitidos pelos LEDs LED infravermelho λ (cor) por ordem de intensidade LED vermelho LED amarelo LED verde LED azul LED violeta LED branco Potencial de difusão: LED infravermelho LED vermelho LED amarelo LED verde LED azul LED violeta LED branco V D (1) V D (2) V D (3) V D médio Faça aqui sugestões de alterações no texto da apostila ou no procedimento experimental: