Universidad Nacional de Trujillo

FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA

AGROINDUSTRIAL

CURSO: QUÍMICA GENERAL

TRABAJO: EL EFECTO FOTOELÉCTRICO Y SUS APLICACIONES

CICLO: I

ALUMNOS:

ARANA FU, Luis ÁngelCORTIJO MENDOZA, Paul EricsonHARO SÁNCHEZ, Ronald Masiel

FECHA DE ENTREGA: 22 de Mayo del 2012

DOCENTE: Ms. Ing. Patricia Carranza Vilchez

TRUJILLO-PERÚ

2012

“Año de la Integración Nacional y el reconocimiento de nuestra diversidad”

PRESENTACIÓN:

El presente trabajo titulado “EL EFECTO FOTOELÉCTRICO”

corresponde al primer ciclo de la Escuela de Ingeniería

Agroindustrial de la Institución de Estudios Superiores "Universidad

Nacional de Trujillo", el mismo que está enmarcado dentro del

curso de Química General.

Se debe mencionar que el presente trabajo tiene relación con

la temática del curso, puesto que conlleva a comprender los

fenómenos que ocurren en la naturaleza, y aprovechar la tecnología

en la utilización eficiente del efecto fotoeléctrico tanto a nivel

doméstico como industrial, en beneficio de la humanidad.

I. INTRODUCCIÓN:

Para llegar al presente conocimiento de lo que es el efecto fotoeléctrico, se pasó por un largo periodo de estudios e investigaciones, en el que aportaron muchos científicos de la época, hasta que el físico alemán Max Planck planteó la Teoría Cuántica. Basándose en dicha teoría, el físico Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico (ganando el Premio Nobel de Física en 1921), cuyo legado es usado actualmente en muchos fines, desde las actividades cotidianas hasta procesos industriales complejos.

El efecto fotoeléctrico consiste en que al incidir una radiación electromagnética sobre una placa metálica se liberan electrones. Utilizando diversos dispositivos o instrumentos que captan los electrones, se logra obtener corriente eléctrica, para luego ser usada en variados equipos y/o aparatos eléctricos o de otra índole.

En los últimos años se ha puesto en relevancia este tema ampliándose su campo de estudio y profundizando los conocimientos, es así que se han descubierto una gran variedad de beneficios, conllevando a la mejoría en la calidad de vida de los seres humanos.

II. CONCEPTO:

Es un fenómeno que consiste en la expulsión de los electrones desde la superficie de ciertos metales cuando son expuestos a radiaciones electromagnéticas (luz visible o ultravioleta) con una determinada frecuencia mínima.

Este fenómeno fue descubierto accidentalmente por Hertz en 1887, cuando obtuvo las ondas electromagnéticas de radio al tratar de comprobar experimentalmente la predicción de Maxwell, que sostenía la existencia de una relación matemática entre los campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo no logró explicar lo que posteriormente sería conocido como el efecto fotoeléctrico.

Para poder explicarlo, primero se tiene que conocer el concepto de la luz. Por muchos años la comunidad científica estuvo divida en dos grandes posiciones: una apoyando a la Teoría Ondulatoria, y la otra apoyando a la Teoría Corpuscular. Los experimentos realizados por los científicos de esa época demostraron que ambas teorías eran correctas, llegando a la conclusión que la luz es el límite entre lo material y lo inmaterial.

Esta definición es la base de la Teoría Cuántica, la que es importante para la comprensión del efecto fotoeléctrico.

Teoría Cuántica de Max Planck:

Dio origen a la Física Moderna o Cuántica y sirve para explicar los fenómenos atómicos.

Esta teoría nos dice que: “La energía no puede ser absorbida ni emitida en forma continua sino que se hace en forma discontinua, es decir en pequeños paquetes que son múltiplos de una unidad fundamental llamada Cuanto o Cuantum de radiación”.

Este postulado lo sintetizó en la siguiente ecuación.

Donde : E: Energía de la luz

h: constante de Planck = 6,63x10-34J.s

v: frecuencia de la luz

La unidad fundamental de la que habló (h) se conoce hoy en día como la constante de Planck.

Ecuación de Einstein:

El científico Albert Einstein se fundamentó en dicha teoría para resolver el misterio del “EFECTO FOTOELÉCTRICO”.

Tomando como punto de partida la ecuación de Max Planck, Einstein dedujo que las partículas de luz poseen energía.

Los electrones que se mantienen unidos en el metal por las fuerzas de atracción logran ser emitidos cuando la luz tiene la frecuencia suficiente. Si esta es igual a la energía de unión de los electrones del metal, entonces solo son expulsados; y si es mayor, adquieren energía cinética. Todo lo dicho se puede expresar con la ecuación:

hv=KE+BE

Donde: KE: energía cinética del electrón emitido

BE: energía de atracción del electrón

Debe apuntarse que BE es la energía mínima necesaria para extraer un electrón del átomo. Esta energía es conocida como frecuencia umbral.

La característica de que por debajo de la frecuencia umbral no se emitan electrones y a partir de la misma si se emitan es una comprobación experimental de la cuantización de la energía en el efecto fotoeléctrico.

III. CLASIFICACIÓN:Los fenómenos fotoeléctricos pueden clasificarse en tres grupos:

1. Por Liberación de electrones bajo la influencia de la luz: Las reacciones de este grupo corresponden a la foto sensibilidad. Su ejemplo más común se encuentra en las células fotoeléctricas usuales.

2. Por Generación de FEM (FUERZA ELECTROMOTRIZ) por las reacciones químicas o físicas producidas por la luz:Estas reacciones reciben la denominación de efecto fotovoltaico. Las células Photronic y Photox corresponden a este tipo.

3. Por Modificación de la conductividad eléctrica al variar la intensidad luminosa:Los fenómenos de este grupo pertenecen a la fotoconductividad; un ejemplo de este efecto es observado en la variación de la conductividad del Selenio bajo la acción de la luz.

IV. APLICACIONES:

El efecto fotoeléctrico es utilizado actualmente en las células fotoeléctricas.

Célula Fotoeléctrica o Fotovoltaica: es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (flujo de electrones libres).

Las posibles aplicaciones industriales de las células fotoeléctricas son muy numerosas y variables. Su importancia radica en que permiten el uso de baterías solares para el funcionamiento de: calculadoras, relojes, robots (como el “Spirit”), etc.

1. EN SENSORES FOTOELÉCTRICOSSe usan en mecanismos automáticos, como por ejemplo: los ascensores, puertas automáticas, etc.Son dispositivos electrónicos que responden al cambio en la intensidad de la luz. Cuando la luz incide en ellos, expulsan electrones generando una corriente eléctrica por medio de un transductor; de esta forma se mantiene cerrado el mecanismo. Si un cuerpo obstruye la luz, la intensidad de luz disminuye, emitiendo menor cantidad de electrones, produciéndose una débil corriente eléctrica, la que puede ser detectada por todo el sistema (equipo sensorial automatizado), abriendo el mecanismo.

Sus aplicaciones se dan en distintos sistemas eléctricos. Entre ellos tenemos:

i. Alarmas contra intrusos o ladrones.

Un sistema de alarma contra ladrones, es el que se pone en acción al interceptar un haz luminoso que atraviesa la ventana, puerta o abertura que se trata de proteger; activándose cuando se produce un flujo de corriente en la compuerta producto de manipular los interruptores. Ningún ladrón moderno caería en una trampa tan elemental, pero no es necesario que la luz empleada sea visible. Se puede usar una célula sensible a los rayos infrarrojos, con una lámpara de filamento de tungsteno como fuente luminosa y un filtro que absorba la luz visible; delante del detector se sitúa un filtro análogo. Se usa una fotocélula con cátodo de cesio-oxígeno- plata que resulte adecuada para este proceso. Las alarmas de este tipo pueden pasar bastantes desapercibidas.

ii. Detector Fotoeléctrico de Humo

El humo generado en un incendio bloquea u oscurece el medio en el que se propaga un haz de luz. También puede dispersar la luz cuando ésta se refleja y refracta en las partículas humo. Los detectores fotoeléctricos están diseñados para utilizar estos efectos a fin de detectar la presencia de humo.

Estos dispositivos son utilizados en los Sensores o Detectores de Incendios: donde se prevé el inicio del incendio con gran cantidad de humo, como cuando arden las materias orgánicas.

Estos sensores detectan con rapidez, posibilitando actuar de inmediato con equipos manuales de extinción y dominando las llamas antes de que puedan propagarse.

Funciona por efecto Tyndall, se basa en la dispersión de la luz.También se emplea en fuegos originados por electricidad.

Los detectores de humo son de dos clases:

a) Detector fotoeléctrico de humo por dispersión de luz:

La mayoría de los detectores fotoeléctricos de humo tienen cobertura localizada (puntual) y funcionan con el principio de dispersión de luz. El haz de un diodo emisor de luz (LED) incide en un área adonde no puede ser captado bajo condiciones normales por un fotosensor, que generalmente es un fotodiodo (véase Figura 1). Cuando hay presencia de humo en la trayectoria del haz, la luz incide sobre las partículas de humo (Figura 2) y se refleja sobre el fotosensor, que al recibir la luz genera una señal.

Figura 1 Figura 2

b) Detector fotoeléctrico de humo por oscurecimiento:

Este tipo de detector también utiliza un emisor de luz y un elemento fotosensor, tal como sería un fotodiodo (véase Figura 3). Cuando las partículas de humo bloquean parcialmente la trayectoria del haz de luz (Figura 4), se reduce la intensidad de luz recibida por el fotosensor.

Esta variación es captada por un circuito electrónico que, al llegar al valor precalibrado genera una señal de iniciación de alarma.

Generalmente, los detectores por oscurecimiento utilizan un haz de luz que barre el área a proteger.

Figura 3 Figura 4

iii. Reproducción del sonido en la cinematografía.

Las operaciones que se realizan para obtener el sonido en un cinematógrafo (cine hablado) son las siguientes:

1ºObtención de las fotografías del sonido (impresión de la película): las vibraciones de las ondas del sonido emitido por el artista o cantante entran al micrófono, produciendo en su circuito, corriente eléctrica de magnitud variable y dependiente de la fuerza con la que llega el sonido. Esta corriente es amplificada al pasar por el tríodo anexado al micrófono y posteriormente es dirigida hacia una fuente luminosa, emitiendo una luz de más o menos intensidad según sea mayor o menor la intensidad de la corriente. La luz impresiona el margen de una cinta cinematográfica que en su parte central, es impresionada por las escenas correspondientes.

2º Reproducción del sonido original: esto se verifica haciendo pasar un haz de rayos luminosos a través de las fotografías de los sonidos; los rayos que emergen son de igual intensidad luminosa que las que grabaron las fotografías. Esta luz incide sobre una célula fotoeléctrica ubicada en la parte posterior, produciendo en el circuito corrientes de intensidad variable, las que son ampliadas por un tríodo, para finalmente reproducir el sonido original por medio de un altavoz.

2. EN LOS FOTO MULTIPLICADORES:Se aplican en los procesos industriales complejos, tales como: fabricación de cemento, generación de energía, etc.Para ello utiliza a los Foto multiplicadores (detector óptico de vacío).Cuando una baja intensidad luminosa incide sobre el fotocátodo, se emiten pocos electrones, los que chocan sucesivamente con una serie de dínodos colocados intercaladamente aprovechando el efecto de emisión secundaria de electrones, multiplicando la cantidad de electrones emitidos.A continuación, los electrones son recolectados por el ánodo en un tubo de vacío, obteniéndose una señal de salida.

3. EN PANELES FOTOVOLTAICOS:Son dispositivos hechos por el conjunto de células fotovoltaicas, diseñados para proveer una corriente eléctrica a escala hogar. Pueden ser utilizados como alternativas al uso de los combustibles fósiles para obtención de energía.En la actualidad, las celdas fotovoltaicas son usadas para captar energía solar y convertirla en energía eléctrica. Están hechas de materiales semiconductores, tales como el silicio. Tienen una delgada rejilla semiconductora, cuya finalidad es formar un campo eléctrico: positivo en un lado y negativo en el otro.Al llegar la energía luminosa sobre la rejilla, los electrones son sacados de los átomos del material que ha sido golpeado. Se le agregan conductores eléctricos a ambos lados (positivo y negativo) de la rejilla, provocando un circuito eléctrico y capturando a los electrones en forma de corriente eléctrica.La electricidad resultante suministra potencia a una carga para encender una luz, energizar una herramienta, etc.

Se pueden utilizar para las siguientes funciones:a) Sistemas de Iluminación

A menudo se requiere iluminación en lugares remotos donde el costo de emplear energía de la red es demasiado alto. Tales aplicaciones incluyen la iluminación de seguridad, ayudas a la navegación (ej. boyas y faros), señales iluminadas en los caminos, señales en cruces ferroviarios y la iluminación de aldeas. Las células fotoeléctricas pueden satisfacer tales usos, aunque siempre se requerirá de una batería de almacenaje. Estos sistemas generalmente consisten de un panel fotovoltaico más una batería de almacenaje, un acondicionador de energía y una lámpara fluorescente de

baja tensión y alta eficiencia. Estos sistemas son muy populares en áreas remotas, especialmente en países en vías de desarrollo y es uno de los usos principales de células fotoeléctricas.

b) Telecomunicaciones y sistemas de monitoreo remotos:

El alto costo de la energía eléctrica y para el mantenimiento de los sistemas convencionales ha limitado su uso. Los sistemas fotovoltaicos han proporcionado una solución rentable a este problema con el desarrollo de estaciones repetidoras de telecomunicaciones en área remotas. Estas estaciones típicamente consisten de un receptor, un transmisor y un sistema basado en una fuente de alimentación fotovoltaica. Existen miles de estos sistemas instalados alrededor del mundo y tienen una excelente reputación por su confiabilidad y costos relativamente bajos de operación y mantenimiento.

Principios similares se aplican a radios y televisiones accionadas por energía solar, los teléfonos de emergencia y los sistemas de monitoreo. Los sistemas de monitoreo remotos se pueden utilizar para recolectar datos del tiempo u otra información sobre el medio ambiente y transmitirla automáticamente vía radio a una central.

c) Electrificación RuralLas baterías de almacenaje se utilizan en áreas aisladas para proporcionar corriente eléctrica de la baja tensión para iluminación y comunicaciones así como también para vehículos. Un sistema fotovoltaico de carga de baterías consiste en generalmente un pequeño conjunto de paneles solares más un regulador de carga. Estos sistemas se utilizan extensamente en proyectos rurales de electrificación en países en vías de desarrollo.

4. APLICACIONES EN LA AGROINDUSTRIA:

Sistemas de Tratamiento de Aguas:

En áreas alejadas la energía eléctrica se utiliza a menudo para desinfectar o purificar agua para consumo humano y riego de los cultivos. Las células fotovoltaicas se utilizan para alimentar una luz fuerte ultravioleta utilizada para matar bacterias en agua. Esto se puede combinar con un sistema de bombeo agua accionado con energía solar.La desalinización del agua salobre se puede alcanzar mediante sistemas fotovoltaicos de ósmosis inversa.

Bombas de agua accionadas por energía solar:

Existen más de 10.000 bombas de agua accionadas por energía solar en el mundo. Son utilizadas extensamente en granjas para proveer el agua al ganado. En países en vías de desarrollo se las utiliza extensivamente para bombear agua de pozos y de ríos a las aldeas para consumo doméstico y la irrigación de cultivos. Un típico sistema de bombeo accionado por energía fotovoltaica consiste en un conjunto de paneles fotovoltaicos que accionan un motor eléctrico, el que impulsa la bomba. El agua se bombea de la tierra o afluente a un tanque de almacenaje que proporciona una alimentación por gravedad. No es necesario un almacenaje de energía en estos sistemas. Los sistemas de bombeo accionados por energía solar se encuentran disponibles en proveedores de equipo agrícola y son una alternativa rentable a los molinos de viento agrícolas para el abastecimiento de agua en áreas alejadas.

Cercas Eléctricas:

Las cercas eléctricas se utilizan extensamente en agricultura para evitar que el ganado o los depredadores entren o deje un campo cerrado. Estas cercas tienen generalmente uno o dos alambres "vivos" que se mantienen con cerca de 500 voltios de Corriente Continua. Éstos dan una dolorosa descarga, pero inofensiva a cualquier animal que los toque. Esta descarga generalmente es suficiente para evitar que el ganado derribe los cercos. Estas cercas también se utilizan en recintos de la fauna y áreas protegidas. Requieren de un alto voltaje pero muy poca corriente y a menudo están situadas en áreas alejadas donde el costo de energía eléctrica es alto. Estas necesidades se pueden resolver mediante un sistema fotovoltaico compuesto de células solares, un acondicionador de energía y una batería.

Nota: Cabe resaltar que se pueden emplear tanto células fotoeléctricas como otros dispositivos electrónicos. Esto depende principalmente de razones de tipo económico; teniendo en cuenta el costo inicial y el grado de seguridad del dispositivo del que se trata.

5. OTRAS APLICACIONES:

En la medida de la opacidad y de la turbidezEn muchos casos la concentración de pequeñas partículas (soluto) disueltas en un líquido (disolución) se puede determinar rápidamente midiendo la cantidad de luz que absorben las células fotoeléctricas presentes en la disolución.

Control fotoeléctrico de relésCon ayuda de una válvula se puede hacer que una célula fotoeléctrica controle un relé. Este relé podrá accionar un timbre, disparar un contador, o poner en marcha o detener un motor eléctrico.

*Relé: Es un dispositivo electromecánico, que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835.

V. IMPORTANCIA

El efecto fotoeléctrico permite:

Crea máquinas que puedan trabajar sin la intervención del hombre.

La regulación de tóner en las fotocopiadoras.

Elaborar alcoholímetros digitales.

La reproducción de sonidos en el cine moderno (evolucionando el cine mudo al cine hablado).

Producir corriente eléctrica usada a nivel doméstico e industrial a bajo costo.

El alumbrado público en las diferentes calles, avenidas, jirones, plazas, etc; de las metrópolis.

Recargar las baterías de los equipos solares: calculadoras, relojes, robots, etc.

El funcionamiento de mecanismos automáticos: ascensores, puertas automáticas, etc.

VI. BIBLIOGRAFÍA

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