Espectros de LEDs coloridos na sua mão

por Alfredo Mateus

O QUE É?

Uma montagem portátil para demonstrar o espectro da luz de LEDs de diversas cores.

 

POR QUE É INTERESSANTE?

O experimento permite visualizar os espectros de um LED vermelho, um verde, um azul e um branco ao mesmo tempo. Ao se ligar os LEDs podemos olhar pela rede de difração e ver como a luz de cada LED se separa. Uma vez que a luz branca contém as cores dos outros LEDs, podemos ver que cada cor é desviada em um ângulo diferente, com a luz vermelha mais à direita e a azul à esquerda. Ao comparar o espectro de cada LED colorido com o formado a partir do LED branco, vemos que as cores estão nas mesmas posições relativas. 

COMO FUNCIONA?

Para acender os LEDs, usamos uma bateria de 9V e resistores adequados, de modo a não sobrecarregar os LEDs com uma corrente muito alta. 

Os espectros são formados com a ajuda de uma rede de difração. Uma rede de difração contém um grande número de ranhuras no plástico muito próximas, com a distância entre ranhuras ficando na ordem de grandeza do comprimento de onda da luz visível. Quando a luz atravessa (ou é refletida) pela rede, ela sofre um fenômeno conhecido por difração. Com a difração, cada luz de cor diferente (e que portanto possui um comprimento de onda diferente) é desviada em um ângulo. 

 

Embora não seja necessário, escurecer a sala pode facilitar a observação dos espectros.

FAÇA O SEU

Veja o modelo que nós criamos no TinkerCAD e que está público. Você pode salvar uma cópia e exportar o arquivo no formato. STL. Criamos um suporte para os LEDs e outro para a rede de difração.

Aproveitamos um pedaço de madeira que era a base para uma placa de um prêmio e estava descartada no laboratório. A base tem dimensões de 8 cm x 19 cm.

Nós utilizamos o suporte para baterias de 9 V criado por circuito  (https://www.thingiverse.com/thing:2144462). O suporte de baterias foi preso na madeira com super cola. Você pode usar uma fita dupla face. Você vai precisar de um clipe de bateria de 9V além da bateria, é claro.

Nós calculamos o resistor apropriado para cada LED e os soldamos aos respectivos LEDs. Uma boa maneira de saber qual é o resistor correto para cada LED é usar um calculador de resistor online como o em https://www.digikey.com/en/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-led-series-resistor.

 

A impressão é muito rápida e usa uma quantidade muito pequena de plástico, tornando este projeto algo que você pode fazer em quantidade para que muitos alunos possam fazer as observações ao mesmo tempo.

Parâmetros de Impressão

Altura de camada – 0,2 mm

Porcentagem de preenchimento: 10 %

Com suportes 

O QUE ACONTECE

LEDs são uma fonte de luz interessante e atual, e estão gradualmente substituindo as fontes mais antigas como as lâmpadas fluorescentes e incandescentes. Os LEDs são vantajosos especialmente pelo seu baixo consumo de energia e sua longa vida útil. Mas como eles funcionam? E porque temos LEDs de cores diferentes?

A sigla LED está em inglês e representa Light-Emitting Diode, ou Diodo Emissor de Luz. Um diodo é um componente eletrônico que permite a passagem de uma corrente em apenas uma direção. Quando uma corrente passa por um LED, ocorre a emissão de luz. Cada LED possui uma junção de semicondutores diferentes, um deles dopado com impurezas de modo que ele fique com excesso de elétrons e outro dopado com outras impurezas, que fazem com que exista uma falta de elétrons. De maneira simplificada, quando passamos uma corrente pelo LED, fazemos com que os elétrons “extra” saiam de níveis de maior energia de um lado da junção dos semicondutores e passem para níveis de menor energia, ocupando buracos do outro lado da junção. 

É esse “salto” de um nível de maior energia para outro de menor energia que libera luz. Quanto maior a diferença de energia entre os níveis, maior a energia (e a frequência) da luz emitida. Assim, para o LED vermelho, temos uma diferença de energia menor que no LED verde, que por sua vez é menor do que a do LED azul. Vemos que cada LED emite uma faixa estreita de cores justamente por estar limitada a essa diferença entre os níveis dos semicondutores. A imagem abaixo, retirada do livro Quântica para Iniciantes, do prof. Hélder de Paula (do qual eu sou co-autor), mostra o processo de emissão de luz em um LED. O livro traz uma rede de difração justamente para que o leitor possa fazer experimentos como esse.

Mas e como funciona o LED branco? O LED branco funciona de modo muito similar a uma lâmpada fluorescente. Ele é formado combinando um LED que emite luz ultravioleta (UV) e um material que emite luz visível ao ser exposto a essa luz UV. Usando materiais que fluorescem emitindo luz vermelha, verde e azul, obtemos a luz branca. Quando observamos o seu espectro, estamos vendo o espectro da fluorescência destes materiais, e não do LED ultravioleta.

Finalmentes

Gostou do experimento? Deixe seu comentário abaixo e compartilhe com seus colegas. Você pode usar um CD ou DVD velho como uma rede de difração, como mostramos no artigo sobre o espectroscópio de celular

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