INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Aplicaciónes del efecto fotoeléctrico.

ALUMNO: OSCAR VILLARRUEL PALACIOSGrupo 4ev1 Turno vespertino.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA.UNIDAD CULHUACAN.

ASIGNATURA: MECANICA. CUANTICA Y MECANICA. ESTAD.PROFESOR: RODRIGUEZ SANCHEZ CARLOS

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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.

El Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones de una superficie cuando esta es sometida a la acción de la luz (visible ,infrarroja , ultravioleta) 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. Cuidadosos experimentos de Hertz y otros por más de 18 años revelaron varias características importantes sobre el efecto fotoeléctrico:

• La tasa de emisión de electrones es proporcional a la intensidad de la luz

. • La energía de los electrones expulsados es independiente de la intensidad de luz.

• Para cualquier metal dado, ahi una frecuencia mínima f0 de luz que puede expulsar electrones. • La energía de les electrones expulsados por la luz de frecuencia f es proporcional a la diferencia de frecuencias f-f0.

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:

Las Aplicaciones del Efecto Fotoeléctrico

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. Sin embargo se hara enfásis en un par de aplicaciones las celdas fotovoltaicas, los fotomultiplicadores y los sensores fotoeléctrico

Sensores Fotoeléctricos 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.

Sensores más característicos Foto multiplicadores 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 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 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. 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 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.

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.

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 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.

Un experimento que se puede comprobar en casa en laboratorio es el siguiente.

Un electroscopio es un instrumento utilizado para detectar carga eléctrica.Está constituido por un eje de material conductor, una aguja delgada de aluminio que puede girar alejándose del eje y una superficie amplia del mismo material conectada al eje. Su soporte está aislado del mecanismo interno. Su utilidad radica en que la aguja o lámina se aleja del eje al notar la presencia de carga eléctrica. Este instrumento se puede cargar por conducción o inducción. Un electroscopio cargado, estando al aire libre perderá gradualmente su carga debido a que un pequeño número de moléculas está siendo ionizado continuamente bajo la acción de rayos cósmicos, algunos de estos iones pueden tomar un exceso de carga del electroscopio. A parte del electroscopio tradicional, se puede construir un electroscopio electrónico. En este caso la parte sensible no es una bola o esfera, sino un componente electrónico denominado transistor de campo (FET). Este transistor

controla dos transistores más: un de ellos hace lucir el LED rojo y el otro el LED verde. Si se acerca un objeto al terminal libre del transistor FET y se ilumina uno de los LED's, significa que el cuerpo está cargado, en caso contrario podemos entender que el cuerpo está descargado.Para saber el signo de la carga hemos de fijarnos en el color una vez se ha alejado el objeto: si el color que permanece es rojo, la carga es positiva; si el color es verde, la carga es negativa

Material utilizado.

Una placa Fenolica mod-400

2 Transistores BC557-B

1 Transistor 2N5460

2 LEDS

2 Resistencias de 100KΩ

2 Resistencias de 1KΩ

1 Batería de 4.5Volt

1 Diodo 1N4007

Procedimiento.

1. Soldando el diodo 1N4007 el lado positivo al polo positivo de la pila de 4.5V

2. Se solda el Transistor BC557 de modo que la patita „E‟ este conectada al lado negativo del diodo.

3. La patita „B‟ se soldara a una resistencia de 100KΩ que estará conectada por el otro lado a la patita „C‟ del segundo transistor BC-557

4. La patita „C‟ del primer transistor BC-557 se Soldara a un LED

5. El lado negativo de nuestro diodo también se conectara al otro transistor BC-557 por la patita „E‟ que va conectada a una resistencia de 1KΩ

6. La patita „B‟ del Segundo BC-557 se solda a una resistencia de 100kΩ que se conecta con el otro lado de la resistencia de 1kΩ(Que está conectada a la „E‟

7.-La patita „C‟ del segundo Transistor BC-557 que esta conectada a la resistencia de 100KΩ se conectara a un 2° LED

8.-El segundo LED se conectara al Primer LED

9.-Los dos LED‟s se conectaran juntos a una 2° resistencia de 1KΩ

10.-La segunda resistencia de 1kΩ se soldara al lado negativo de la pila y al mismo tiempo a la patita „S‟ del Transistor 2N5460

11.-La patita „D‟ del transistor 2N5460 se conecta a las resistencias de 1 y 100K y la patita „G‟ se dejara sin soldar.

12.-El apagador se conectara entre el diodo y la pila.

Diagrama.

En la siguiente imagen se pueden identificar como van puestos los componentes y cual es cada uno

Desarrollo

Iluminar con Luz Ultravioleta, el LED comenzara a apagarse y el otro LED (Rojo) comenzara a Encender.

Hasta que El LED cambie de color

resultados

La hipótesis formulada mediante conocimientos teóricos fue comprobada mediante la realización de este experimento ya que: Se pudo observar: 1. Que el sistema iluminado con luz visible sin importar que intensidad tuviese no hacía que el LED cambiara de color. 2. Cuando se probó con luz ultravioleta el LED instantáneamente comenzó a cambiar de color. Con estas observaciones se comprueba que si iluminamos un metal con luz adecuada, sus electrones saltan y se puede iniciar una corriente eléctrica. Comprobando esto podemos entender como este efecto se usa, por ejemplo, en las puertas de ascensores: si una persona entra mientras se están cerrando, corta el rayo de luz que activa una célula fotoeléctrica, y las puertas se vuelven a abrir.

Conclusiones.

El efecto fotoeléctrico nos permite conocer que la luz tiene características duales y que si aprovechamos esas particularidades para la creación de componentes o circuitos ayudaran a mejorar nuestra vida cotidiana. Las aplicaciones se encuentran en la industria o en la ciencia avanzada también hacen presencia en el mundo clásico que nos rodea , camaras fotográficas , dipositivos de acensores tales como sensores de luminosidad en el mecanismo de puertas y en las nuevas tecnologías de iluminación donde se ocupa efecto fotoeléctrico para crear ambientes con lámparas ajustadas a una fotocelda. En el desarrollo de trabajo se encuentra un experimento que pude observar los siguientes puntos:

Que el sistema iluminado con luz visible sin importar que intensidad tuviese no hacía que el LED cambiara de color.

2. Cuando se probó con luz ultravioleta el LED instantáneamente comenzó a cambiar de color. Con estas observaciones se comprueba que si iluminamos un metal con luz adecuada, sus electrones saltan y se puede iniciar una corriente eléctrica.

A si que la aplicación del efecto fotoeléctrico en nuestra vida cotidiana se a llevado perfeccionando en dispositivos electrónicos hasta poder semiatomatizar varias aplicaciones de mecnismos que utilizamos común mente.

Bbiblografia.

http://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria20/feria388_01_el_efecto_fotoelectrico.pdf