DIODOS EMISSORES DE LUZ NO MUNDO VIVENCIAL DO ALUNO

## DIODOS EMISSORES DE LUZ NO MUNDO VIVENCIAL DO ALUNO

## Luiz Cezar Mendes da Silva , 1 Wilma Machado Soares Santos 2

1 Professor de Ensino Médio/ Colégio Bahiense, Cezar.21rj@yahoo.com.br

2

Universidade Federal do Rio de Janeiro/ Instituto de Física, wilma@if.ufrj.br

## Resumo

A aprendizagem de física moderna ou contemporânea no ensino médio é importante para estabelecer o contato dos alunos com idéias que mudaram a ciência do século XX; É importante para o estudante do ensino médio conhecer os fundamentos da tecnologia atual que atua em sua vida. O que justifica a importância de incluir conceitos básicos da física moderna e, em especial, de se fazer uma ponte entre a física da sala de aula e a física do cotidiano (computador, tubo de imagem CRT, leitores ópticos, impressora laser, portas e torneiras automáticas, controle remoto, laser em Medicina, etc). No entanto, a maioria dos livros de ensino médio não aborda esse tema e, quando o faz é de forma muito superficial. Este trabalho visa servir de roteiro para outros professores que desejam ensinar para alunos do ensino médio como funciona o LED. Como o assunto é complexo, o aluno é estimulado a pesquisar sobre o assunto. Ele respondeu algumas perguntas, elas são denominadas 'perguntas chaves', pois guiaram os alunos na pesquisa. Após as pesquisas, os experimentos foram realizados com os alunos. O primeiro experimento mostrou como o Diodo emissor de Luz-LED é usado para controlar a intensidade de luz de uma lâmpada comum. Já o segundo envolve o funcionamento do circuito de um sinal que possui apenas uma luz verde e uma luz vermelha, como as das portarias de prédios. Todos os experimentos e os materiais utilizados são descritos. Este trabalho foi realizado em turma de segundo ano do Ensino Médio no Colégio Bahiense, uma escola tradicional da rede de ensino particular do Rio de Janeiro. Foi realizado como atividade suplementar.

Palavras-chave : LED, Circuitos, Ensino de Física e Cotidiano.

## Introdução

De acordo com os princípios propostos pela lei de Diretrizes e Bases LDB [1], assim como pelos Parâmetros Curriculares PCN-EM do MEC [2], é recomendada a aprendizagem de física moderna ou contemporânea no ensino médio. Tal aprendizagem tem importância crucial para os alunos, tendo em vista que a física moderna estabelece o contato dos alunos com as idéias que mudaram a ciência no século XX.

A aprendizagem de física moderna ou contemporânea no ensino médio visa estabelecer o contato dos alunos com idéias que mudaram a ciência do século XX. É importante para o estudante do ensino médio conhecer os fundamentos da tecnologia atual que atua em sua vida. O que justifica a importância de incluir

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30 de janeiro a 04 de fevereiro de 2011

conceitos básicos da física moderna e, em especial, de se fazer uma ponte entre a física da sala de aula e a física do cotidiano.

## Modelo Teórico

Com o modelo atômico de Bohr, adequado para estudar a absorção e emissão de luz por átomos isolados, como acontece nos gases, aprendemos que apenas alguns valores de energia são possíveis, havendo intervalos entre estes valores para os quais não ocorrem transições. São faixas de energia proibidas. Este conceito é convenientemente representado no diagrama de níveis de energia com o da figura 1 para o átomo de hidrogênio.

Figura 1: Diagrama de níveis de energia do átomo de hidrogênio.

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Quando os átomos estão agrupados formando sólidos, a emissão e absorção de radiação é fortemente modificada em comparação à dos gases. Vamos entender como é o processo.

## Contextualização

Diodos emissores de luz ou LEDS, acrônimo de Light Emitting Diode, são muito importantes no mundo eletrônico contemporâneo. LEDS são pequenas lâmpadas que podem ser encaixadas facilmente em circuitos eletrônicos, veja na figura 2. Mas, diferentemente das lâmpadas incandescentes, eles não possuem um filamento que é aquecido e eles não se aquecem enormemente em relação ao ambiente. Eles emitem luz somente devido ao movimento dos elétrons no material semicondutor, e estes têm uma durabilidade comparável aos diodos tradicionais.

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Figura 2: Diodos de diferentes cores

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Diodo é o dispositivo eletrônico mais simples possível, feito a partir de um material semicondutor que recebeu impurezas (átomos de outro material semicondutor). Este processo é denominado dopagem. Os diodos exibem características úteis tais como: funcionar como um interruptor controlado pela tensão que é aplicada aos seus terminais, como retificadores de tensão (deixam fluir a corrente num único sentido), verificar se há passagem de corrente num certo ponto de algum circuito (diodo LED) que emitem luz numa variedade de cores quando são atravessadas por uma corrente e para regular voltagens (diodo Zener).

## Semicondutores

Os dois semicondutores de maior importância na eletrônica são o silício e o germânio. Estes elementos estão localizados na quarta coluna da tabela periódica e apresentam quatro elétrons de valência. A estrutura cristalina do silício ou do germânio segue um padrão tetraédrico com cada átomo partilhando um elétron de valência com cada um dos quatro outros átomos vizinhos. Para temperaturas próximas do zero absoluto, os elétrons nas camadas mais externas estão fortemente ligados ao núcleo atômico, não existem elétrons livres e o silício é um isolante.

Quando os átomos não estão isolados, mas juntos em um material sólido, as forças de interação entre os mesmos são significativas. Isso provoca uma alteração nos níveis de energia acima da valência. Podem existir níveis de energia não permitidos, logo acima da valência. Para que um material conduza eletricidade, é necessário que os elétrons de valência, sob ação de um potencial elétrico aplicado, saltem do nível de valência para um nível ou banda de condução.

A Figura 3 mostra que em um material condutor não existem níveis ou banda de energia proibida entre a condução e a valência e, portanto, a corrente flui facilmente sob a ação do campo elétrico. Já um material isolante tem uma larga banda proibida entre a valência e condução. E dificilmente haverá condução da corrente.

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Figura 3: Diferença do tamanho das bandas de energia para materiais condutores, semicondutores e isolantes

Os semicondutores possuem bandas proibidas com larguras intermediárias, Isto significa que podem apresentar alguma condução, melhor que os isolantes, mas pior que os condutores. A energia necessária para quebrar uma ligação covalente é de cerca de 1 eV para o silício e de 0,7 eV para o germânio. Na temperatura ambiente (300 K), alguns elétrons são excitados para a banda de condução destes elementos, tornando-se elétrons livres. As regiões no material da qual os elétrons foram excitados tornam-se regiões com um excesso de carga positiva, e as regiões do material para a qual os elétrons excitados migraram, tomam-se regiões com um excesso de carga negativa. Deste modo, sob a ação de um campo elétrico, a condutividade do semicondutor será caracterizada pelo fluxo de cargas positivas e negativas ao longo do material.

## Conceito de Voltagem

0 conceito de voltagem está muito relacionado em nossa vida diária. Em nossas residências as tomadas elétricas são de 127 V para quem mora na cidade do Rio de Janeiro (em algumas cidades as tomadas elétricas são de 220 V, como é o caso da cidade de São Paulo). Para o caso de 127 V = 127 J/C, isto significa que, se um aparelho elétrico for ligado nesta tomada cada carga de 1 C que se deslocar de um terminal para outro receberá 127 J de energia. O termo voltagem esta relacionado à diferença de potencial ou de tensão entre dois pontos A e B. Quando ligamos por meio de um condutor dois pontos com potenciais diferentes uma corrente ira fluir pelo condutor. Quando o sentido da corrente se mantém inalterado ao longo do condutor, temos a corrente contínua que é fornecida por pilhas e baterias. Quando o sentido da corrente muda periodicamente, temos a corrente alternada que é a corrente que encontramos nas tomadas elétricas residenciais. Para transformar a corrente alternada em corrente contínua temos que fazer uso de dispositivos retificadores que são denominados diodos retificadores.

## Aplicação na Escola;

O texto acima foi discutido com os alunos e relacionado com os assuntos abordados na pesquisa feita por eles. Em seguida os experimentos descritos foram realizados com os alunos conforme o roteiro. A aula foi realizada como atividade suplementar, portanto não houve avaliação nos moldes tradicionais.

## EXPERIÊNCIA 1

## Roteiro Experimental

## Material Utilizado

- · Diodo 1N4007

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- · Um interruptor 3 pinos e 3 posições (do tipo paralelo usado em controle de ventilador)
- · Um lâmpada 30 W 127 V
- · Uma tábua de madeira 30(cm) × 50(cm)
- · Fio condutor 0,5 mm²
- · Um receptáculo E27 (bocal de lâmpada)

O circuito montado está representado abaixo, figura 4, o aluno é questionado sobre o funcionamento do circuito. O mesmo é analisado com aluno.

Figura 4: Circuito do controle de luminosidade

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## Chave na posição 2

Nesta posição o interruptor fecha o circuito, a corrente passa direto para os pólos da lâmpada. O efeito é o brilho total da lâmpada.

Os alunos alteraram a chave para posição 2, e compararam o resultado esperado com o resultado experimental.

## Chave na posição 1

A corrente passa pelo diodo sendo retificada em apenas um dos semi-ciclos, não importa se é o negativo ou o positivo, pois o efeito é o mesmo, veja as representações da onda antes e depois da passagem pelo diodo, figura 5. Observe que a lâmpada fica com a metade do seu brilho.

Os alunos alteraram a chave para posição 1, e compararam o resultado esperado com o resultado experimental.

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Figura 5: Configuração da onda antes e depois de atravessar o diodo

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## Chave na posição 3

- O interruptor tem uma terceira posição onde não existe ligação elétrica dos pólos, assim o circuito fica aberto, nesta posição a lâmpada fica desligada.
- A chave inicialmente estava na posição 3, essa situação foi analisada também com os alunos. Eles perceberam experimentalmente que a chave nesta posição não acendia a lâmpada.

## Conclusão

- O aluno pode verificar que a corrente elétrica que chega a nossa residência é variável no tempo (alternada), ou seja, ela oscila de um pólo positivo a outro negativo. Ele analisou o efeito do diodo retificador, como ele bloqueia um dos semiciclos da corrente alternada.

Verifica-se de um jeito prático a aplicação do diodo no controle de luminosidade do brilho de uma lâmpada incandescente. Este circuito também é muito utilizado em eletrodomésticos para reduzir sua potência. Os eletrodomésticos que possuem apenas duas velocidades (uma máxima e a outra com redução pela metade), tais como furadeira elétrica, liquidificador, batedeira, fazem uso do diodo retificador.

## EXPERIÊNCIA 2

## O FUNCIONAMENTO DO SEMÁFORO

## Introdução teórica

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Polarização direta do diodo: É quando temos no terminal negativo (catodo) uma tensão menor que no terminal positivo (anodo), nestas condições o diodo conduz comportando-se como uma chave fechada.

Polarização inversa do diodo: É quando temos no terminal negativo (catodo) uma tensão maior que no terminal positivo (anodo), nestas condições o diodo não conduz, comporta-se como uma chave aberta. Semáforo é um dispositivo elétrico formado por duas lâmpadas, uma verde e a outra vermelha, que precisam ser acesas independentemente. Para se ligar uma lâmpada, precisamos de uma tomada de tensão de e dois fios condutores como esquematizado no circuito da figura 6.

Figura 6: Circuito para ligar uma lâmpada

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Se quisermos ligar duas lâmpadas, teremos um fio condutor comum ligado a um dos pólos das duas lâmpadas, mais um fio condutor para cada um dos pólos de cada lâmpada a ser acesa totalizando três fios condutores, como esquematizado no circuito da figura 7.

Figura 7: Circuito para ligar duas lâmpadas

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## Situação problema 2

Na construção de um prédio, quando o eletricista passou os fios condutores para a ligação de um semáforo na garagem, ele cometeu um erro e só passou dois fios condutores de uma tomada de tensão na cabine do porteiro até um ponto na garagem, onde ficará ligado um semáforo a ser controlado pelo porteiro. O semáforo utiliza duas lâmpadas; uma verde e outra vermelha, que precisam ser acesas independentemente.

Sabe-se que a tensão na cabine é 127V alternada e conhecendo o diodo retificador, vamos ajudar o eletricista a construir um circuito que possa resolver este problema.

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## Roteiro Experimental

## Material utilizado

- · 4 diodos 1N4007 (D1, D2, D3, D4)
- · 1 lâmpada 127 V 15 W, incandescente verde (L1)
- · 1 lâmpada 127 V15 W, incandescente vermelha (L2)
- · 2 interruptores simples (I1, I2)
- · Uma tábua de madeira 50 cm x 30 cm
- · Fio condutor 0,5 mm²
- É Montado o circuito conforme mostra a figura 8.

Figura 8: Circuito do semáforo (L1 lâmpada verde, L2 lâmpada vermelha)

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## Análise do circuito

Ligue o interruptor 1, observem quais das lâmpadas vai acender. O que aconteceu?

Figura 9: Semáforo verde

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A lâmpada L1 acendeu, pois o diodo D1 retificou o semi-ciclo positivo da tensão, logo apenas o diodo D3 ficou diretamente polarizado funcionando como uma chave fechada, e assim, acendeu a lâmpada verde.

- - Ligue o interruptor 2 e observem quais das lâmpadas vai aceder. O que aconteceu?
- O diodo D2 retificou o semi-ciclo negativo da tensão, logo apenas o diodo D4 ficou diretamente polarizado funcionando como uma chave fechada e acendeu a lâmpada vermelha, veja na figura 10.

Figura 10: Semáforo vermelho

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## Conclusão

Os alunos perceberam como o diodo é usado na prática, a tecnologia complexa num simples circuito de um semáforo de prédio, além de verificar que a corrente elétrica que chega a nossa residência é variável no tempo (alternada), ou seja, ela oscila de um pólo positivo a outro negativo. Eles analisaram o efeito do diodo retificador, como ele bloqueia um dos semi-ciclos da corrente alternada.

Os alunos ficaram motivados com o experimento, viram na prática o funcionamento do diodo.

Um roteiro para aplicação do experimento foi desenvolvido dentro da proposta de produção de material instrucional, que vem apresentando alternativas, diferentes das tradicionais, para o ensino de temas em que, usualmente, os alunos apresentam dificuldade de compreensão, devido à abstração envolvida.

## Referências

- 1- LDB - Leis de Diretrizes e Bases da Educação Nacional. LEI No. 9.394, de 20 de dezembro de 1996. D.O.U. de 23 de dezembro de 1996.
- 2- Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio - Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias, MEC, 2002.
- 3- Determinação de propriedades do elétron no enfoque do ensino médio. Luiz Cezar Mendes da Silva, Wilma Machado Soares Santos, Penha Maria Cardoso Dias e Marcos Binderly Gaspar. Atas do XVIII SNEF- 2009- Vitória - Espirito Santo

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