Efeito fotoelétrico x efeito fotovoltaico: quais as diferenças?
O efeito fotovoltaico é a criação de uma corrente elétrica em um material semicondutor quando exposto a determinada frequência de radiação luminosa, como no painel solar exposto ao sol. Já o efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons de um material, geralmente metálico, quando recebe radiação em determinada frequência.
São efeitos diferentes, mas ligados por elementos em comum, como os fótons de luz e os elétrons, por isso, geralmente são confundidos e ambos estão na base de tipos de energia limpa e renovável.
Acompanhe o texto para entender melhor a diferença entre eles.
O que é efeito fotoelétrico?
Diante da exposição à radiação da luz em frequências específicas, determinados materiais, geralmente metálicos, são capazes de emitir um grande número de elétrons, processo conhecido como efeito fotoelétrico.
Quando o efeito ocorre, os fótons das ondas eletromagnéticas envolvidas transferem sua energia aos elétrons de carga baixa dos átomos desse material, que, assim, conseguem vencer a barreira atômica para se libertarem.
A parte da energia do fóton que não foi usada na liberação do elétron resulta em energia cinética, que o ejeta do material. A energia cinética dos elétrons é proporcional à frequência de emissão dos fótons, ou seja, quanto mais frequência, maior a energia cinética dos elétrons.
Quem descobriu o efeito fotoelétrico?
Em 1887, o efeito fotoelétrico foi visto pela primeira vez em um experimento realizado pelo físico alemão Heinrich Hertz, enquanto ele estudava a natureza eletromagnética da luz.
Por acaso, ao usar duas placas metálicas para o estudo, o físico notou a emissão de faíscas ao contato com a luz. No entanto, a apresentação teórica para o efeito só foi apresentada em 1905, por Albert Einstein.
Utilizando as ideias de Max Planck, Einstein notou que o agente responsável pela ejeção dos elétrons era um único fóton. A partícula de luz transferia aos elétrons uma parte de sua energia e os ejetava do material, desde que a frequência fosse suficiente. Planck e Einstein receberam o Prêmio Nobel de Física pelas pesquisas de quantização da luz.
Como funciona o efeito fotoelétrico?
Para compreender melhor o efeito fotoelétrico, podemos analisar os estudos de Einstein. Com o objetivo de explicar a luz, fundamentado nas teorias de Max Planck sobre a quantização das ondas eletromagnéticas, o físico desenvolveu um novo modelo, percebendo que a luz se propaga como partículas de energia, as quais batizou de fótons.
Portanto, o fenômeno se dá pela absorção de um fóton de luz por um elétron, que utiliza uma porção dessa energia na sua liberação, ao passo que o restante se torna energia cinética de ejeção do elétron presente no material. Essa energia equipara-se à frequência de emissão de fótons da luz.
Existe uma frequência de corte da radiação eletromagnética para cada tipo de material, abaixo da qual a energia dos fótons já não produz o efeito fotoelétrico.
Ou seja, o efeito fotoelétrico é a ejeção de elétrons de um material exposto a uma determinada frequência da radiação eletromagnética.
Os fótons incidem sobre os elétrons e aqueles com energia dentro da frequência de corte do material conseguem arrancar os elétrons de sua superfície, formando uma corrente de fotoelétrons.
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O que é radiação eletromagnética e os fótons de luz?
A luz que enxergamos é denominada cientificamente de onda eletromagnética, uma combinação de campos elétricos e magnéticos variáveis que se propaga pelo espaço carregando energia.
Os fótons são as partículas que compõem a luz e carregam essa energia, podendo ser definidos como pequenos “pacotes” de energia. Dessa forma, a luz é tanto onda quanto partícula, pois apresenta características de onda (refração, dispersão e polarização) e é composta por partículas (os fótons).
Segundo explicado por Einstein, o fóton é a quantidade elementar (quantum) da luz e é a base para os cálculos de grandeza das ondas eletromagnéticas. Cada fóton possui uma quantidade fixa de energia, que pode ser calculada pela equação desenvolvida por Einstein (E = h.f), na qual E é a energia do fóton, f é a frequência da radiação eletromagnética (Hz) e h é a constante de Planck.
Vemos, então, que a energia do fóton está diretamente relacionada com a frequência de onda da radiação eletromagnética. Então, quanto mais alta a frequência, maior a energia do fóton.
Um fóton surge a partir do deslocamento de um elétron de um átomo entre duas camadas (estados) de energia diferentes. Ao ser energizado, o elétron transita de uma camada interna para uma externa e, ao voltar para o seu estado (camada) original, emite a energia (fóton) correspondente a essa diferença.
Tanto o efeito fotovoltaico quanto o fotoelétrico são originados pela energia dos fótons de luz de determinada frequência da onda eletromagnética.
Quais as principais aplicações do efeito fotoelétrico?
Apesar de não ser muito conhecido pela população, o efeito fotoelétrico está fortemente presente em nosso cotidiano e é usado em diversos contextos. Isso é possível devido às células fotoelétricas (ou fotocélulas), que são responsáveis por transformar a energia luminosa em energia elétrica.
Confira alguns exemplos da presença do efeito fotoelétrico no cotidiano.
Sistemas de segurança e alarmes
Os sensores de presença usam um interruptor eletromecânico com célula fotocondutiva que torna possível as portas abrirem e fecharem somente com a aproximação.
Controles remotos infravermelhos
Os controles remotos controlam equipamentos que contam com um dispositivo fotossensível a partir de um feixe de luz enviado em uma frequência determinada, a qual é identificada pelos equipamentos.
Cinema
O uso de células fotoelétricas permite reconstituir os sons registrados nas películas do cinematógrafo.
Interruptores automáticos para iluminação de vias públicas
Os postes de iluminação urbana possuem sensores fotoemissivos que funcionam a partir da luz do ambiente. Quando a célula recebe luz suficiente, por exemplo, do sol, a lâmpada se apaga e, quando a intensidade da luz diminui, ela se acende.
Processo industrial
Com aparelhos fotoelétricos, tornou-se possível construir máquinas capazes de produzirem peças sem intervenção humana e com precisão.
Visão noturna
Equipamentos de visão noturna modernos são produzidos com tubos intensificadores de imagens que funcionam a partir do efeito fotoelétrico.
O que é efeito fotovoltaico?
O efeito fotovoltaico é a geração de uma corrente elétrica – energia – em um material semicondutor quando exposto a luz, seja ela do sol ou de qualquer outra fonte.
Esse processo só é possível graças à movimentação de elétrons no interior da estrutura desse tipo de material, que é utilizado na fabricação do painel solar, por exemplo.
A estrutura dos semicondutores é composta por uma banda de valência e uma de condução, separadas por uma lacuna “gap”. A banda de valência é cheia de elétrons semilivres e a de condução é parcialmente vazia, enquanto o “gap” entre elas é de 1 elétron-volt (eV).
O efeito fotovoltaico, então, é quando os elétrons da banda de valência do semicondutor recebem fótons com energia suficiente para que consigam saltar o “gap” até a banda de condução, criando a corrente elétrica.
Esse salto ocorre quando a energia do fóton é maior ou igual a energia do “gap”, que é o que fica no meio, entre a energia máxima da banda de valência e a mínima da banda de condução, ou seja, a diferença entre elas.
Esse efeito foi observado pela primeira vez em 1839, pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel. Foi somente após mais de um século de sua descoberta que o fenômeno passou a ser usado para geração de energia a partir do sol, com as células fotovoltaicas.
Como funciona o efeito fotovoltaico?
O efeito fotovoltaico acontece a partir da absorção de fótons, os quais liberam elétrons que fluem pelas células fotovoltaicas em placas fotovoltaicas, conhecidas popularmente por “placas solares”. É desta forma que a energia elétrica é gerada.
Cada célula possui uma cobertura que serve como uma camada antirrefletora, fazendo com que os elétrons entrem no circuito. A junção de várias células dá origem aos painéis solares, essenciais para o efeito fotovoltaico.
A maioria dos sistemas fotovoltaicos existentes no Brasil é do tipo on grid, visto que esse tipo de sistema é mais econômico. Nesse tipo de sistema, o conjunto de módulos fotovoltaicos, fixados geralmente nos telhados, capta a luz e a transforma em energia elétrica.
Essa energia é enviada a um inversor solar, aparelho que converte a energia corrente capturada na energia que usamos em nossa casa.
Além disso, o inversor gerencia a energia que é gerada pelo sistema fotovoltaico e também a energia que chega pela distribuidora de energia.
Isso é necessário pois o sistema é conectado com a rede distribuidora, enviando e recebendo energia, conforme a sua demanda. Ao enviar energia excedente para a distribuidora, o consumidor recebe créditos energéticos que podem ser utilizados em momentos nos quais não há geração de energia solar, como à noite.
Na Resolução Normativa 482 de 2012 da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), foi criado o sistema de compensação de energia elétrica, que torna possível o sistema de créditos energéticos.
Células fotovoltaicas
As células fotovoltaicas são geralmente feitas de silício, que é o material semicondutor mais utilizado na indústria microeletrônica. As células são compostas por duas metades de silício, que, ao serem combinadas com outros materiais, alteram a sua estrutura eletrônica.
Uma metade torna-se negativa e a outra, positiva. Na área de contato entre as metades, há um campo elétrico que impede que os elétrons do lado negativo cheguem à metade positiva.
Com a entrada de luz, os elétrons das camadas externas ganham energia suficiente, que é doada pelos fótons, para pararem de sofrer a força de atração dos átomos e se tornarem elétrons livres.
Os elétrons se acumulam na parte negativa da célula fotovoltaica. Na face das células, há uma grade muito fina que captura os elétrons livres, tornando possível a corrente elétrica.
A primeira célula solar como a que usamos hoje foi apresentada em 1954 pelo Bell Labs – Laboratórios Bell. Ela possuía apenas 2 cm² e foi projetada para ser utilizada com baterias, mas seu alto custo não tornou possível a produção em larga escala.
A indústria espacial iniciou a utilização da tecnologia solar em suas naves espaciais em 1960. Isso fez com que a tecnologia avançasse e houvesse redução de custos.
Relação entre o efeito fotoelétrico e o efeito fotovoltaico
O efeito fotoelétrico e o efeito fotovoltaico estão relacionados, pois ambos envolvem a interação da luz com materiais, resultando na geração de corrente elétrica. No entanto, eles diferem em termos de mecanismos e aplicações específicas.
O efeito fotoelétrico geralmente é associado a dispositivos de detecção e sensores, enquanto o efeito fotovoltaico é fundamental para a geração de eletricidade a partir da luz solar em células solares.
Características do efeito fotoelétrico
As características principais do efeito fotoelétrico incluem:
Efeito Imediato: o efeito fotoelétrico ocorre instantaneamente quando a luz incide sobre a superfície do material. Não há um atraso perceptível entre a chegada da luz e a emissão de elétrons.
Dependência da Frequência da Luz: a intensidade do efeito fotoelétrico é diretamente proporcional à frequência da luz incidente. Isso significa que aumentar a frequência da luz aumenta a energia dos fótons, o que resulta em maior energia cinética dos elétrons emitidos.
Limiar de Frequência: cada material tem um limiar de frequência específico abaixo do qual o efeito fotoelétrico não ocorre, independentemente da intensidade da luz. Isso é conhecido como a frequência limiar, e apenas fótons com frequência igual ou superior a esse valor podem causar o efeito.
Efeito Cumulativo da Intensidade: a intensidade da luz afeta apenas o número de elétrons emitidos, não a energia cinética individual de cada elétron. Aumentar a intensidade da luz resulta em mais elétrons sendo emitidos, mas a energia cinética de cada elétron permanece constante.
Independência da Polarização: o efeito fotoelétrico é independente da polarização da luz incidente. Isso significa que a polarização (orientação das oscilações elétricas e magnéticas da luz) não afeta a emissão de elétrons.
Desvio do Comprimento de Onda: a energia cinética dos elétrons emitidos não depende do comprimento de onda da luz incidente. Esse é um ponto importante e contrasta com as expectativas baseadas na teoria clássica da luz, onde a intensidade deveria ser mais relevante.
Exemplos do efeito fotoelétrico
O efeito fotoelétrico pode ser observado em uma variedade de situações e em diferentes tipos de materiais. Aqui estão alguns exemplos de aplicações e situações relacionadas ao efeito fotoelétrico:
Fotocélulas em Iluminação Pública
Fotocélulas são dispositivos que utilizam o efeito fotoelétrico para detectar a presença de luz. Elas são comumente usadas em iluminação pública, controlando automaticamente a ativação e desativação de luzes com base na luz ambiente.
Sensores de Movimento em Sistemas de Segurança
Alguns sistemas de segurança usam sensores de movimento que empregam o efeito fotoelétrico. Quando a luz incidente nos sensores é bloqueada, ocorre uma mudança na corrente elétrica, indicando a presença de um objeto ou movimento.
Câmeras Digitais e Dispositivos Fotográficos
Em câmeras digitais e dispositivos fotográficos, sensores CCD (dispositivos de carga acoplada) e CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) utilizam o efeito fotoelétrico para converter a luz em sinais elétricos, formando assim imagens digitais.
Detectores de Fumaça
Alguns detectores de fumaça utilizam o efeito fotoelétrico para detectar a presença de partículas de fumaça no ar. Quando a fumaça bloqueia a luz incidente, a corrente elétrica no detector é alterada, ativando o alarme.
Tubos Fotomultiplicadores
Tubos fotomultiplicadores são dispositivos que utilizam o efeito fotoelétrico para amplificar a detecção de luz fraca. Eles são comumente usados em aplicações científicas, como detecção de partículas em experimentos de física de partículas.
Sensores de Luz em Equipamentos Eletrônicos
Sensores de luz em dispositivos eletrônicos, como smartphones e relógios inteligentes, muitas vezes empregam o efeito fotoelétrico para ajustar automaticamente o brilho da tela com base na luz ambiente.
Efeito Compton
O Efeito Compton, também conhecido como Espalhamento Compton, é um fenômeno observado na interação entre partículas de luz, chamadas fótons, e partículas subatômicas, geralmente elétrons. Este efeito é uma confirmação experimental da natureza quântica da luz e é fundamental para a compreensão da dualidade partícula-onda da luz.
O fenômeno foi descoberto pelo físico norte-americano Arthur H. Compton em 1923, que recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1927 por seu trabalho.
As principais características do Efeito Compton incluem:
Espalhamento de Fótons
Quando fótons (partículas de luz) incidem sobre partículas subatômicas, como elétrons, eles podem espalhar ou serem desviados em ângulos diferentes. Isso é contrário ao que seria esperado se a luz fosse considerada apenas como onda, conforme previsto pela teoria clássica.
Aumento no Comprimento de Onda
O espalhamento Compton resulta em um aumento no comprimento de onda dos fótons espalhados. Este aumento no comprimento de onda está diretamente relacionado ao ângulo de espalhamento e à energia do fóton incidente.
Conservação de Energia e Momentum
O Efeito Compton é consistente com os princípios de conservação de energia e momentum. A conservação de momentum é uma parte crucial para entender como a mudança na direção do fóton está relacionada ao aumento do comprimento de onda.
Natureza Particulada da Luz
O Efeito Compton fornece evidências experimentais da natureza particulada dos fótons, contribuindo para o estabelecimento da teoria quântica da luz.
Qual a diferença entre o efeito fotoelétrico e o efeito fotovoltaico?
Enquanto o efeito fotoelétrico é caracterizado pela emissão de um elétron do material, o efeito fotovoltaico é caracterizado pelo surgimento de uma tensão.
No primeiro ocorre um processo externo, o elétron é arrancado do material; e no segundo há um processo interno, em que o elétron apenas pula da banda de valência para a banda de condução.
Vale ressaltar, também, que o efeito fotoelétrico necessita de uma frequência mínima de radiação (luz) incidente e que o efeito fotovoltaico acontece através da luz visível.
Então, mesmo que com princípios semelhantes, que se trata da absorção de um fóton, os resultados dos efeitos e como eles acontecem são diferentes.
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