Although it has more than a century of discovered, the photoelectric

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.
1
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)
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.
•
La energía de los electrones
expulsados es independiente de la
intensidad de luz.
•
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.
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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
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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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