1
LISTA 1 - PROBLEMAS RESOLVIDOS
•
Conceitos fundamentais: Ondas e Fótons.
OBS.: Quando não mencionado, considere o índice de refração do ar n = 1. A velocidade
da luz no espaço livre c0 = 3108 m/s e a permissividade 0 = 8.8510−12 F/m.
1) Um laser de diodo emite luz de comprimento de onda 635 nm no espaço livre (vácuo).
Ache o valor numérico do número de onda na água (n = 1.33).
Re: k = 13.2 m−1
Solução
•
c=
k
k=
c
e k =
c
c
c
k c
=
k = k = k = nk = n
k c
c
c n
Substituindo = 635 nm e n = 1.33 k = 0.0132 nm−1 = 13.2 m−1
2) Duas ondas têm comprimentos de onda e frequências ligeiramente diferentes,
respectivamente e + , e + . Mostre que as razões e são
aproximadamente iguais. Considere que as ondas propagam-se em um meio não
dispersivo.
•
Solução: c = . Tomando as diferenciais: = d + d
d
=−
d
3) Mostre que:
E = eE [ xˆ + yˆb exp(i )] exp i (kz − t ) = E [ xˆ cos(kz − t ) + yˆb cos(kz − t + )] .
Considere E0 e b reais.
Solução:
E = exˆE exp i(kz − t ) + eyˆbE exp i(kz − t + )
= xˆE cos(kz − t ) + yˆbE cos(kz − t + )
4) Uma onda harmônica plana tem o vetor campo elétrico descrito por
E = xˆ cos( z + t + ) V/m. Considere as dimensões no SI.
Determine: a) O número de onda; b) A fase inicial; c) A direção do vetor campo
magnético H; d) A direção e o sentido do vetor de Poynting S; e ) O índice de refração do
meio.
Re: a) k = 2107 m−1; b) ( z = , t = ) = ; c) x; d) y; e) −z; f) n = 1.5
2
Solução
a) k = 2107 m−1
b) ( z = , t = ) =
c) Direção y (H = H (− yˆ ) )
d) Direção z, Sentido − (= direção e sentido do vetor de propagação k)
s −
e) c= =
= m/s
-1
k m
c m/s
n= =
= .
c m/s
5) Uma onda harmônica plana se propaga em um pedaço de vidro. O campo elétrico está
orientado na direção z e seu módulo é dado por Ez = E cos [( x .c ) − t ] .
Considere as dimensões no SI. Determine:(a) A frequência angular da luz; (b) O
comprimento de onda; (c) O índice de refração do vidro.
Re: a) = 1015 rad/s; b) = 390 nm; c) n = 1.54
Solução
•
k
Escrevendo Ez = E cos(kx − t ) = cos x − t identificamos:
(a) A frequência angular = 1015 rad/s
(b) A razão
k
=
.c
=
. O comprimento de onda =
. Substituindo
k
.c
c = m/s e = 1015 rad/s = 390 nm
(c) c =
c
k
k
= .
= n = c . Substituindo =
n=
.
n k
.c
6) Considere uma onda com uma velocidade de fase 3108 m/s e uma frequência de
61014 Hz.
a) Qual é a menor distância ao longo da onda entre dois pontos defasados de 30 graus?
b) Qual a diferença de fase (em graus) num dado ponto em 10−6 s?
c) Quantas ondas passaram nesse tempo?
Re: a) d = 41.7 nm ; b) = 2.161011 graus ; c) N = 6.0108 ondas
3
Solução: a) Comprimento de onda = c = 500 nm
d = = . nm
d
b) = t = t = 3.77109 radianos = 2.161011 graus
c)
N=
= t = 6.0108 ondas
7) Uma onda harmônica plana, linearmente polarizada, se propaga em um pedaço de
vidro. O vetor campo elétrico dessa onda é dado por:
t
E = yˆ cos
x+
−
−
V/m. Considere as unidades no SI e x̂ , ŷ e ẑ os
versores nas direções das coordenadas x, y e z, respectivamente. Determine:
a) A direção de polarização;
b) A direção do vetor campo magnético H;
c) A direção e o sentido do vetor de Poynting S;
d) O número de onda no vácuo.
Re: a) y ; b) z ; c) − x ; d) k0 = 8.38 m−1
Solução
a)
ŷ ( = direção de oscilação do campo elétrico)
b)
ẑ
c)
− x̂ ( = direção e sentido do vetor de propagação k)
d) A frequência angular = ( − ) = rad/s. Logo, o número de onda
no vácuo: k = c = . m−1 (= 8.38 m−1), com c = m/s.
OBS.: k = k (− xˆ ) , E = E yˆ e H = H ( − zˆ ) , pois yˆ (− zˆ ) = − xˆ (S = S kˆ = E H)
8) Mostre que a energia de um fóton, em elétron-volts (eV), é relacionada ao
comprimento de onda , em nanômetros (nm), através da expressão E ph = .
SOLUÇÃO: Equação de Planck-Einstein: E ph = h = h
c
.
Substituindo h = 4.1410−15 eVs, c = 31017 nm/s (= 3108 m/s) hc = 1242 eVnm
Com boa aproximação, podemos escrever E ph =
4
9) Um transmissor de ondas de radio AM operando em 700 kHz tem potência de 1 kW.
Calcule o número de fótons emitidos por segundo pela antena.
Re: 2.16 1030 fótons/s
SOLUÇÃO: Cálculo da energia do fóton:
E ph = h = (6.626 10−34 Js)(700 103 s−1)
E ph = 4.638 10−28 J/photon ou 2.895 10−9 eV/photon
O número de fótons emitidos pela antena por segundo,
N=
P
J s
=
= 2.16 1030 fótons por segundo
E ph .− J
10) Um radio FM pode detectar sinais de até 10−12 W. Se a estação emite na frequência de
100 MHz, qual o número mínimo de fótons por segundo necessários para detecção do
sinal?
Re: 1.511013 fótons/s
SOLUÇÃO
Seja o número de fótons/s. A potência P = h
P
− J/s
=
=
= . fótons/s
−
6 −
h (. J s)(100 10 s )
11) Um laser He-Ne emite um feixe de luz vermelha ( = 633 nm) com diâmetro
aproximado de 3.5 mm. Se a potência óptica do feixe é de 5.0 mW, qual a taxa de fótons
emitidos por unidade de área?
Re: 1.651024 fótons/m2s
SOLUÇÃO
Energia fóton: E ph = h =
hc
= (6.62610−34 Js)(3108 m/s)/(63310−9 m) = 3.1410−19 J
O número de fótons emitidos por segundo,
N=
P
J s
=
= 1.591019 fótons por segundo
−
E ph . J
Dividindo pela área A = (d ) = ( )(3.510−3 m)2 = 9.6210−6 m2
N A = 1.651024 fótons/m2s
5
12) Um laser He-Ne radia luz com comprimento
de onda 632.8 nm e potência 5.0 mW. O feixe
diverge com um ângulo = 0.17 mrad, como
ilustra a figura abaixo. Qual o fluxo de fótons
(número de fótons por unidade de tempo por unidade de área) a uma distância d = 10 m
do laser?
Re: 7.011021 fótons/m2s
SOLUÇÃO
•
Dados: i) Potência da luz emitida pelo laser P = 5.0 mW; ii) Ângulo de abertura do
cone = 0.17 mrad
P
a) Irradiância I =
A
r
/2
d
A = r2
r
d
tan = r = d Área A = r =
d
Substituindo = 0.1710−3 radianos e d = 10 m A = 2.2710−6 m2.
Irradiância I = P A = = 2203 W/m2
Fluxo de fótons ph = I E ph = 2203/3.1410−19 = 7.011021 fótons/m2s
13) Em condições ideais, o olho humano é capaz de perceber luz de comprimento de onda
550 nm se a energia captada pelo olho se dá a uma taxa tão pequena quanto 100 fótons
por segundo. Qual a potência óptica correspondente?
Re: 3.610−17 W
SOLUÇÃO
Energia do fóton,
E ph = h =
hc
= (6.62610−34 Js)(3108 m/s)/(55010−9 m) = 3.6110−19 J
O número de fótons emitidos por segundo N = 100 fótons/s. Logo a potência,
P = NE ph = (100 fótons/s)(3.6110−19 J) = 3.6110−17 W (= J/s)
6
14) Mostre que o valor médio temporal do vetor de Poynting é dado pela expressão
S = ( )e E0 H 0 , onde E = eE 0 exp i (kz − t ) e H = eH 0 exp i (kz − t ) .
15) Um laser emite um feixe de luz com potência óptica de 5 mW. Se o feixe é focalizado
em uma área circular de 10 m de diâmetro, encontre a irradiância e a amplitude do
campo elétrico da luz no plano focal. Considere a iluminação uniforme, a velocidade c =
3108 m/s e a permissividade = 8.8510−12 F/m. Expresse os resultados em unidades
SI.
Re: E0 = 2.2105 V/m
Solução
Dados: P = 5 mW, d = 10 m, c = 3108 m/s e = 8.8510−12 F/m.
P
P
P
=
=
: Eq.(1)
A (d )
d
•
A irradiância I =
•
Escrevendo I em função do campo elétrico: I = S = ( ) E H , com H = c E .
Logo I = ( )c E : Eq.(2)
Eq.(1) = Eq.(2) E =
P
E = . V/m (= 219 kV/m)
d c
7
16) Uma aeronave voando a uma distância de 10 km de um transmissor de ondas de radio
recebe um sinal de irradiância 10 W/m2. Qual é a amplitude a) do campo elétrico da
onda e b) do campo magnético da onda? c) Se o transmissor radia uniformemente sobre
um hemisfério, qual a potência da onda transmitida?
Re: a) E0 = 87 mV/m; b) 230 A/m; c) 6.28 kW
Solução
Dados: d = 10 km, I = 10 W/m2, c = 3108 m/s e = 8.8510−12 F/m.
E H : Eq.(1)
A amplitude do campo magnético H = c E : Eq.(2)
a) Irradiância da onda que chega na aeronave I =
Eq.(2) → Eq.(1) I =
I
c E E =
c
Substituindo os dados E = . − V/m = 86.8 mV/m
b) H = c E = 2.310−4 A/m = 230 A/m
d
c) ÁREA DO HEMISFÉRIO: A =
= d
Potência P = IA = 10 W/m2 2(10103)2 m2 = 6.28109 W = 6.28 kW
17) Um sistema de vigilância de radar, operando com frequência de 12 GHz e 180 kW de
potência, detecta uma aeronave militar distante 90 km. Assuma que as ondas são emitidas
pelo radar uniformemente sobre um hemisfério. a) Qual a irradiância da onda que atinge a
aeronave? A aeronave reflete as ondas emitidas pelo radar com uma seção de choque
efetiva de área 0.22 m2. b) Assumindo que a onda é refletida pela aeronave de maneira
uniforme sobre um hemisfério, calcule a irradiância da onda detectada pelo sistema de
radar.
Re: a) 3.5 W/m2; b) 1.510−17 W/m2
Solução
•
Dados: i) Potência da onda emitida pelo radar P = 180 kW; ii) Distância da aeronave
até radar d = 90 km ( Área do hemisfério = d ); iii) Área da seção de choque
efetiva da aeronave AS = 0.22 m2.
a) A irradiância da onda que chega até a aeronave: I A =
P
= 3.5410−6 W/m2
d
8
b) A potência da onda refletida pela aeronave: PA = I A AS =
onda que retorna ao radar I R =
P AS
. A irradiância da
d
P AS
PA
=
= 1.5310−17 W/m2
d
( d )
18) Um laser He-Ne radia luz com comprimento de onda 632.8 nm e potência 3.0 mW. O
feixe diverge com um ângulo = 0.17 mrad, como ilustrado na figura abaixo. a) Qual a
irradiância do feixe a uma distância d = 40 m do laser? Considere que o laser é substituído
por uma fonte de luz pontual, que emite luz de maneira uniforme em todas as direções. b)
Qual potência deveria ter essa fonte para prover a mesma irradiância a 40 m?
Re: a) 82.6 W/m2; b) 1.7 MW
Solução
Dados: i) Potência da luz emitida pelo laser P = 3.0 mW; ii) Ângulo de abertura do cone
= 0.17 mrad
a) Irradiância I =
P
A
/2
r
A = r2
d
tan
=
r
d
r = d Área A = r =
d
Substituindo = 0.1710−3 radianos e d = 40 m A = 3.6310−5 m2.
Irradiância I =
P
= 8.26104 mW/m2 = 82.6 W/m2
A
b) Para uma fonte pontual emitindo luz em todas as direções A = d
A potência P = IA = 82.6 W/m2 4(40 m)2 = 1.66106 W = 1.66 MW
9
19) Qual a pressão de radiação exercida em uma superfície que absorve luz de intensidade
180 W/cm2 ?
Re: 610−3 Pa
SOLUÇÃO
I = h I = h
h
I
I = = Pc P = = 6 10−3 Pa
c
20) A intensidade média do sol ao meio-dia é de aproximadamente 1 kW/m2. Qual a força
exercida pela radiação em um painel solar medindo 60 cm por 2.5 m? Considere que o
painel absorve toda a luz e está orientado em ângulo reto com a radiação incidente.
Re: 510−6 N
SOLUÇÃO
F = PA e P =
I
AI
F=
= (0.6 2.5) 103 (3 108 ) = 5 10− 6 N
c
c
21) Um astronauta com 65 kg de massa está flutuando no espaço livre. Se ele liga uma
lanterna que emite luz de 1 W de potência em uma certa direção, quanto tempo levaria
para o astronauta atingir uma velocidade de 10 m/s?
SOLUÇÃO (Re: 6103 anos)
F = ma e v = at t = v a = mv F
Utilizando a expressão que relaciona pressão de radiação e irradiância PR =
multiplicando ambos os lados pela área A PR A =
I
e
c
P
IA
F = O , com PO = 1 W.
c
c
t = (65kg)(10 m s)(3 108 m s) (1W ) = 1.95 1011 s 6 103 anos
22) Quantos fótons vermelhos com = 633 nm atingem uma superfície totalmente refletora no
intervalo de tempo de 1 s, se a força exercida na superfície é de 1 N. (1.5 pt).
Prad =
SOLUÇÃO:
2 I 2h 2h
=
=
, com [] = Fótons/m2s
c
Multiplicando pela área Frad = APrad =
2h(A)
A quantidade A representa o número de fótons/segundo que atinge a superfície. Assim:
N=
Frad t
2h
=
633 10 −9 (1)(1)
= 4.78 10 26 fótons (por segundo).
=34
2(6.626 10 )
10
23) Um feixe laser está direcionado verticalmente para cima. Qual a potência óptica
necessária para suportar uma lâmina de alumínio com 30 g de massa e diâmetro igual ao
do feixe? Assuma a refletância da placa R = 100% e a aceleração devido à gravidade g =
9.8 m/s2.
SOLUÇÃO 1
Fgravidade = mg = Fradiação (no equilíbrio)
Utilizando a expressão que relaciona pressão de radiação e irradiância PR =
multiplicando ambos os lados pela área A PR A =
2I
e
c
2P
2 IA
cF
F = O , com PO =
a
c
c
2
potência óptica.
Logo PO =
1
1
FR c = (mg )c = (1 2)(0.294N )(3 108 m s) = 4.4110 7 W
2
2
24) Em um arranjo fotoelétrico foram realizados dois experimentos utilizando um
fotocatodo de cobre iluminado com luz UV de comprimento de onda = 190 nm. No
primeiro experimento a irradiância I = 15 mW/cm2 e no segundo I = 20 mW/cm2. As
figuras abaixo ilustram as curvas de corrente elétrica vs tensão (i V), onde a linha sólida
refere-se ao primeiro experimento e a linha tracejada refere-se ao segundo. a) Qual das
figuras (de A a F) melhor representa o resultado obtido? b) Justifique sua resposta.
i
i
A
B
0
C
0
V
i
V
E
0
V
0
V
0
V
i
i
D
Re: Fig. D
i
F
0
V
11
SOLUÇÃO
1) O potencial de freamento depende apenas de e (e portanto independe da irradiância) o
ponto de cruzamento das curvas com o eixo horizontal é o mesmo.
2) Maior irradiância implica em maior fluxo de fótons e portanto maior fotocorrente, sendo que
para tensões positivas, todos os fotoelétrons chegam ao anodo e portanto a corrente permanece
constante.
25) Um experimento fotoelétrico indica que luz violeta de comprimento de onda = 420 nm
corresponde ao máximo comprimento de onda da radiação que provoca emissão de fotoelétrons
pela superfície de um fotocatodo multialcalino.
a) Qual a função trabalho do fotocatodo, em eV?
b) Se radiação UV de comprimento de onda = 300 nm incide no fotocatodo, qual a máxima
energia cinética dos fotoelétrons, em eV?
c) Se a radiação UV do item acima tem irradiância de 20 mW/cm2, e os elétrons emitidos são
coletados pela aplicação de uma tensão positiva no eletrodo oposto ao fotocatodo, qual a
densidade de fotocorrente, em mA/cm2?
Re: a) 2.96 eV , b) 1.18 eV , c) 4.84 mA/cm2
12
26) O metal Césio é utilizado como material de um fotocatodo para emissão de fótons
porque os elétrons podem ser facilmente removidos da sua superfície. A função trabalho
para o Césio puro é de 1.9 eV.
a) Qual o máximo comprimento de onda da radiação incidente que provoca emissão de
elétrons?
b) Se radiação azul de comprimento de onda = 450 nm incide no fotocatodo, qual é a
energia cinética máxima dos fotoelétrons, em eV? Qual a voltagem requerida no eletrodo
oposto ao fotocatodo para que a fotocorrente no circuito seja nula?
c) A eficiência quântica (QE) de um fotocatodo é definida como,
QE =
Número de fotoelétrons emitidos
.
Número de fótons incidentes
QE é 100% se cada fóton incidente ejeta um elétron. Considere que luz azul com = 450
nm e irradiância I = 30 mW/cm2 incide em um fotocatodo circular de Césio com 6.0 mm
de diâmetro. Se os fotoelétrons são coletados pela aplicação de uma voltagem positiva no
anodo (eletrodo oposto ao fotocatodo) e a eficiência quântica QE = 25%, qual será a
fotocorrente?
Re: a) 653.9 nm , b) 0.86 eV e − 0.86 V , c) 0.769 mA
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