Fundamentos de Electricidad y Magnetismo E L E F E CTO FOTOE L É CTRICO Y SUS APLICACIONES THE PHOTOELECTRIC EFFECT AND ITS APLICATIONS
David Segura Monroy código. 244705 G9NL30 Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia 2 de Junio de 2010 Resumen Aunque tiene más de un siglo de descubierto, el efecto fotoeléctrico esta más vigente que nunca y además de ser útil en un gran número de aplicaciones para el funcionamiento de muchas de nuestros dispositivos electrónicos , puede ser también el comienzo de la solución a nuestros problemas energéticos a largo plazo. Este artículo quiere dar a conocer en que consiste este efecto y algunas de sus principales aplicaciones prácticas. Palabras claves: Efecto fotoeléctrico,Efecto fotovoltaico ,foton, luz,electrón Abstract
Although it has more than a century of discovered, the photoelectric effect is more valid now than ever , besides being useful in a large number of applications for the operation of many of our electronic devices, it also could be the beginning of the solution to our energy problems long term. This article wants to show what is the photoelectric effect and some of its main práctical applications. Keywords: Photoelectric effect, photovoltaic effect, photon, light,electron Introducción En principios del siglo XX, los físicos descubrieron que la mejor forma de entender la estructura de la materia era combinar elementos tanto de las partículas como de las ondas, la luz es una onda en el campo electromagnetico pero la luz interactua con los átomos en haces cuasiparticulares llamados fotones, de igual forma un rayo de electrones muestra difracción de onda cuando es reflejado en un cristal. Así es como empezaron a conocerse algunas particularidades del electrón en fenómenos que asentaron las nacientes teorías de la relatividad y la mecánica cuántica. Entre ellas destaca la manifestacion conocida como efecto fotoeléctrico, una forma de interacción entre los electrones y la radiación electromagnética. En 1887, el físico alemán
Heinrich Hertz (1857-1894) descubrió accidentalmente que la luz ultravioleta modificaba el voltaje al que se producían chispas entre los electrodos metálicos. La explicación teórica llegó con Albert Einstein, quien en 1905 publica el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran agraciados con sendos premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.
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El Efecto Fotoeléctrico
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El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones de una superficie cuando esta es sometida a la acción de la luz (visible ,infrarroja , ultravioleta)
La luz incidente es una corriente de cuantos de energía en fomra de partículas llamadas fotones, cada una con energía hf y con igual probabilidad de expulsar un electrón, cuando una onda de luz incidente entrega un cuanto de energía a un electrón , una mínima cantidad ɸ es usada para escapar del metal, asi que los electrones emergen con un rango de enrgía cinética.Cuantitativamente es:
Un arreglo experimental para estudiar el efecto consiste de dos placas metálicas paralelas dentro de una botella a la que se le ha practicado vacío. Estas placas son conectadas a un amperímetro y a una bateria con un potenciometro que permite no sólo variar el potencial entre las placas sino además su signo. El experimento se lleva a cabo iluminando la superficie del cátodo (emisor), y como resultado se mide una pequeña corriente eléctrica en el amperímetro.
Las Aplicaciones Fotoeléctrico
La tasa de emisión de electrones es proporcional a la intensidad de la luz.
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La energía de los electrones expulsados es independiente de la intensidad de luz.
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del
Efecto
Las aplicaciones las encontramos en: Camaras, en el dispositivo que gobierna los tiempos de exposición; en detectores de movimiento; en el alumbrado público; como regulador de la cantidad de toner en la máquinas copiadoras; en las celdas solares muy útiles en satélites, calculadoras, y relojes. Las aplicaciones las encontramos, también, cuando asistimos a una función de cine ya que el audio que escuchamos es producido por señales eléctricas que son provocadas por los cambios de intensidad de la luz al pasar por la pista sonora que viene en la cinta cinematrográfica.Además también se aplica en los ¡alcoholímetros! en donde la reacción del alcohol con una sustancia de prueba provoca cambios de color los cuales son medidos por el dispositivo, la lectura nos permite entonces saber la concentración de alcohol en el individuo.
Cuidadosos experimentos de Hertz y otros por más de 18 años revelaron varias características importantes sobre el efecto fotoeléctrico: •
La energía de les electrones expulsados por la luz de frecuencia f es proporcional a la diferencia de frecuencias f-f0.
Sin embargo se hara enfásis en un par de aplicaciones las celdas fotovoltaicas, los fotomultiplicadores y los sensores fotoeléctrico
Para cualquier metal dado, ahi una frecuencia mínima f0 de luz que puede expulsar electrones. 2
Sensores Fotoeléctricos
emitan más electrones, seguido de electrodos enfocadores y un multiplicador de electrones (dínodos) , junto con un colector de electrones (ánodo) en un tubo al vacío. Cuando la luz incide sobre el fotocátodo este emite electrones , los cuales se enfoncan hacia los dinodos , que producen una emisión secundaria de un número mayor de electrones al chocar los primeros contra estos, así son multiplicados, al llegar al ánodo se obtiene la señal de salida usada para producir la respuesta. Los fotomultiplicadores se usan principalmente en control de procesos industriales debido a su alta sensibilidad
Los sensores fotoeléctricos son dispositivos electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz, se valen del efecto fotoeléctrico para que cuando incida la luz expulsen electrones de sus materiales que tienen una baja ɸ, o función de trabajo para permitir que se emitan más electrones y que estos generen una corriente eléctrica por medio de un transductor; cuando hay un cambio en la intensidad de la luz disminuye la tasa de emisión de electrones y de igual manera la corriente eléctrica generada y este cambio puede ser detectado. Estos sensores son principalmente usados como sensores de presencia , como por ejemplo en ascensores y puertas.. En la puerta de un ascensor por ejemplo, un rayo incide sobre una célula fotoeléctrica situada al otro lado. Cuando se interrumpe el rayo la célula no conduce y el riel conectado a ella conmuta de posición volviendo a la antigua conexión.
Esquema sistema Fotomultiplicador
Celdas Fotovoltaica Las celdas fotovoltaicas son una de las aplicaciones más importantes del efecto fotoeléctrico, pues son los dispositivos diseñados para proveer una corriente eléctrica a escala hogar y representan una de las alternativas al uso de los combusitbles fósiles para obtención de energía.
Sensores más característicos
Foto multiplicadores
La luz solar está compuesta por fotones, o partículas energéticas. Estos fotones son de diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones inciden sobre una célula FV, pueden ser reflejados o absorbidos, o pueden pasar a su través. Únicamente los fotones absorbidos generan electricidad. Cuando un fotón es
Se llama fotomultiplicador a un tipo de detector óptico de vacío que aprovecha el efecto de emisión secundaria de electrones para responder a niveles muy bajos de iluminación. Consiste de un cátodo fotoemisivo (fotocátodo) consistente de metales alcalinos con funciones de trabajo bajas, para que así se 3
absorbido, la energía del fotón se transfiere a un electrón de un átomo de la célula. Con esta nueva energía, el electrón es capaz de escapar de su posición normal asociada con un átomo para formar parte de una corriente en un circuito eléctrico. [5]
tipo n) para formar un campo eléctrico, positivo en una parte y negativo en la otra. Cuando la luz solar incide en la célula se liberan electrones que pueden ser atrapados por el campo eléctrico, formando una corriente eléctrica. Es por ello que estas células se fabrican a partir de este tipo de materiales, es decir, materiales que actúan como aislantes a bajas temperaturas y como conductores cuando se aumenta la energía[5]
Las celdas solares están hechas de la misma clase de materiales semiconductores, tales como el silicio, que se usan en la industria microelectrónica. Para las celdas solares, una delgada rejilla semiconductora es especialmente tratada para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la energía luminosa llega hasta la celda solar, los electrones son golpeados y sacados de los átomos del material semiconductor. Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de una corriente eléctrica, es decir, en electricidad. La electricidad puede entonces ser usada para suministrar potencia a una carga, por ejemplo para encender una luz o energizar una herramienta.[4]
. Conclusiones El efecto fotoeléctrico representa la comprensión de la naturaleza dual de la luz y permite aprovechar esa característica para su utilizacion práctica. Por medio de la creacion de distintos dispositivos que no solo se encuentran en la industria o en la ciencia avanzada si no que también hacen parte de nuestra vida cotidiana, como las camaras fotográficas , los ascensores, e incluso los alcoholímetros!. Por otra parte este es un excelente ejemplo del por que se debe incentivar la investigación y el desarrollo , pues de descubrimientos que en un principio no tienen utilidad , se logran grandes logros y avances tecnológicos con su consecuente mejora en la calidad de vida de los seres humanos.
Bibliografía [1]http://www.astro.inin.mx/mar/teaching/FisicaM oderna_I_2005/efecto_fotoelectrico.pdf [2]http://www.fisica.uh.cu/bibvirtual/fisica_aplica da/fisicaIII/tekct/foto.htm Diagrama celda fotovoltaica
[3]BURKE,John. Physics: The Nature of Things. Brooks/Cole.
Las partes más importantes de la célula solar son las capas de semiconductores, ya que es donde se crea la corriente de electrones. Estos semiconductores son especialmente tratados para formar dos capas diferentemente dopadas (tipo p y
[4]http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2002/solarce lls_spanishA.htm [5]http://www.enalmex.com/docpdf/libro/ch03.pdf .pdf
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