Circuitos Eléctricos

Universidad de los Andes-Táchira
“Dr. Pedro Rincón Gutiérrez”
Departamento Física y Matemática
Laboratorio de Física II
San Cristóbal Edo Táchira
CIRCUITOS ELECTRICOS Y
DISPOSITIVOS FOTOELECTRICOS
Realizado por:
Hinojoza, Juan C.I. 17370560
Vivas, Milagros C.I. 17501037
San Cristóbal, 17 de noviembre de 2006
Introducción
En el siguiente trabajo se estudiaran los conceptos de circuitos eléctricos
y dispositivos fotoeléctricos, con la finalidad de ahondar en tema,
facilitando así su comprensión. Para tal fin se hace uso de algunos
cálculos, graficas y dibujos que serán de mucha ayuda al momento de su
necesidad. Es conveniente que el lector antes de realizar algún cálculo
como es en el caso de: voltajes, corrientes, entre otros, que tengan
suficientemente claro los conceptos, funcionamiento y utilidad que aquí se
presentan. Al igual como los conceptos de los dispositivos eléctricos,
interpretación cuantica del efecto fotoeléctrico y utilidad en la
actualidad.
Circuito eléctrico
Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes
eléctricos, tales como resistencias, inductancias, condensadores y
fuentes, o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el
propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas.
• Clasificación
• Partes de un circuito
• Circuitos de corriente continua
1. Divisor de tensión
2. Divisor de intensidad
3. Red con fuente única
4. Red general
5. Balance de potencias
6. Circuitos serie RL y RC.
• Circuitos de corriente alterna
1. Circuito serie RL
2. Circuito serie RC
3. Circuito serie RLC
4. Circuito serie general
5. Circuito paralelo general
Clasificación
En la siguiente tabla se muestra una posible clasificación de los circuitos:
Por el tipo Por el tipo de Por
el
tipo
de señal
régimen
componentes
De corriente
continua.
Periódico.
De corriente Transitorio.
alterna.
Permanente.
Mixtos
de Por
su
configuración
Eléctricos:
Resistivos, inductivos
Serie.
capacitivos y mixtos
Paralelo.
Electrónicos:
Mixtos.
Digitales, analógicos
y mixtos
Por el tipo de señal
Corriente continúa
La corriente continua CA es el flujo continuo de electrones a través de un
conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la
corriente alterna en este caso, las cargas eléctricas circulan siempre en
la misma dirección del punto de mayor potencial al de menor potencial.
Aunque comúnmente se identifica la corriente continúa con la corriente
constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda
corriente que mantenga siempre la misma polaridad.
Representación de la tensión en corriente continúa.
Usos
La corriente continua es empleada en infinidad de aplicaciones y aparatos
de pequeño voltaje alimentados con baterías (generalmente recargables)
que suministran directamente corriente continua, o bien con corriente
alterna como es el caso, por ejemplo, de los ordenadores, siendo entonces
necesario previamente realizar la conversión de la corriente alterna de
alimentación en corriente continua.
También se está extendiendo el uso de generadores de corriente continua
mediante células solares, dado el nulo impacto medioambiental del uso de
la energía solar frente a las soluciones convencionales (combustible fósil y
energía nuclear).
Corriente alterna
Se denomina corriente alterna DC a la corriente eléctrica en la que la
magnitud y dirección varían cíclicamente.
Figura 1: Onda senoidal.
La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la
de una onda senoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisión
más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se
utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la
cuadrada.
Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la
electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales
de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también
ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele
ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o
modulada) sobre la señal de la CA.
Por el tipo de régimen
Corriente periódica
A diferencia de la corriente continua que posee siempre el mismo valor,
esto es, un flujo de cargas constantes a lo largo del tiempo, en una
corriente periódica el flujo de cargas toma una serie de valores distintos
que se repiten con el tiempo.
Ondas de régimen periódico: a) Senoidal, b) Impulsos positivos, c)
Rectangular de impulsos positivos, d) Cuadrada, e) Triangular, f) Diente
de sierra.
Si las cargas se desplazan siempre en la misma dirección se dice que la
corriente es pulsatoria y en caso contrario alterna.
En la figura de la derecha pueden observarse algunos ejemplos de ondas
de distintas corrientes periódicas. Los tipos a,d y e son corrientes
alternas y b, c y f son pulsatorias.
Parámetros característicos
Ademaś de la frecuencia o el período de una corriente periódica, se
pueden considerar otros parámetros relacionados con sus valores de
intensidad, I, o tensión, V. A continuación se indican los más frecuentes (a
ó A pueden sustituirse por I ó V según interese):
Valor instantáneo (a(t)): Es el que toma la ordenada en un instante, t,
determinado.
Valor máximo (A0): Equivale a la amplitud de la onda. Tambien se conoce
como valor de pico.
Valor pico a pico (App): Diferencia entre su pico o máximo positivo y su
pico negativo.
Valor medio (Amed): Valor del área que forma con el eje de abcisas
partido por su período. El área se considera positiva si está por encima del
eje de abcisas y negativa si está por debajo.
Valor eficaz (A): El que produce el mismo efecto calorífico que su
equivalente en corriente continua. Matemáticamente, el valor eficaz de
una magnitud variable con el tiempo, se define como la raíz cuadrada de la
media de los cuadrados de los valores instantáneos alcanzados durante un
período:
Factor de amplitud (
): Cociente entre el valor máximo y el eficaz.
Factor de forma ( ): Cociente entre el valor eficaz y su valor medio en
un semiperíodo.
En la siguiente tabla se indican los valores de algunas corrientes
periódicas:
FACTOR
Senoidal Cuadrada
n/d
Media onda Doble onda
Triangular
senoidal
senoidal
n/d
n/d
n/d
n/d
n/d
n/d
n/d
Corriente transitoria
Se denomina corriente transitoria a aquella corriente eléctrica en la que
el flujo de cargas o bien tiende a extinguirse por cesar la causa que lo
produce, o bien estabilizarse en un valor constante tras un período de
oscilación. Por lo general, son de corta duración, aumentando o
disminuyendo de forma exponencial, y aparecen con frecuencia en los
circuitos en los que hay bobinas y condensadores.
Ejemplos de corrientes transitorias.
Por su configuración
Circuito serie
El circuito serie es una configuración de conexión en que los bornes o
terminales de los dispositivos se conectan secuencialmente, el terminal de
salida de un dispositivo se conecta al terminal de entrada del dispositivo
siguiente, por ejemplo, el terminal positivo de una pila eléctrica se
conecta al terminal negativo de la pila siguiente, con lo cual entre los
terminales extremos de la asociación se tiene una diferencia de potencial
igual a la suma de la de ambas pilas. Esta conexión de pilas eléctricas en
serie da lugar a la formación de una batería eléctrica.
A modo de ejemplo, en la siguiente figura se muestran varios
condensadores en serie y el valor del condensador equivalente:
De manera análoga, dos depósitos "A" y "B" de agua conectados en
circuito serie implica que "A" deberá situarse de forma tal, que la entrada
del agua sea primero a éste, y por gravedad o presión pase al depósito
"B", desde donde será drenada por el tubo de salida.
Circuito paralelo
El circuito paralelo es una conexión de dispositivos tal, que los bornes o
terminales de entrada de todos los dispositivos conectados coincidan
entre sí, lo mismo que sus terminales de salida.
Dos depósitos de agua conectados en paralelo tendrán una entrada común
que alimentará simultáneamente a ambos, así como una salida común que
drenará a ambos a la vez. Las bombillas de iluminación de una casa forman
un circuito en paralelo.Por que si una bombilla se apaga, las demás siguen
encendidas.
A modo de ejemplo, en la siguiente figura se muestran varios
condensadores en paralelo y el valor de su equivalente:
Ceq = C1 + C2 + ... + Cn
La configuración contraria es el circuito en serie. En el cual, si una
bombilla se apaga todas las demás bombillas se apagaran también.
Partes de un circuito
A la hora de analizar un circuito es conveniente conocer la terminología de
cada elemento que lo forma. A continuación se indican los comúnmente
más aceptados tomando como ejemplo el circuito mostrado en la figura 1.
Figura 1: Circuito ejemplo.
Conector: Hilo conductor de resistencia despreciable (idealmente cero)
que une eléctricamente dos o más elementos.
Generador o fuente: Elemento que produce electricidad. En el circuito de
la figura 1 hay tres fuentes, una de intensidad, I, y dos de tensión, E1 y
E2.
Red: Conjunto de elementos unidos mediente conectores.
Nudo o nodo: Punto de un circuito donde concurren varios conductores
distintos. En la figura 1 se observan cuatro nudos: A, B, D y E. Obsérvese
que C no se ha tenido en cuenta ya que es el mismo nudo A al no existir
entre ellos diferencia de potencial (VA - VC = 0).
Rama: Conjunto de todos los elementos de un circuito comprendidos
entre dos nudos consecutivos. En la figura 1 se hayan siete ramas: AB por
la fuente, AB por R1, AD, AE, BD, BE y DE. Obviamente, por una rama sólo
puede circular una corriente.
Línea cerrada: Conjunto de ramas que forman un bucle cerrado. En la
figura 1 ABA, ABDA, BEDB, ADEA, etc. son líneas cerradas.
Malla: Línea cerrada que no contiene elementos en su interior. En la
figura 1 hay cuatro mallas: ABCA, BCDB, BEDB y ADEA.
Circuito: Red con almenos una línea cerrada por la que puede circular la
corriente.
Elemento bilateral: Aquel que tiene las mismas características para
polaridades opuestas. Por ejemplo, por una resistencia o por un conductor
circulará la misma corriente si se invierte la polaridad de las fuentes.
Elemento unilateral: Aquel que tiene diferentes características para
diferentes polaridades, como ocurre por ejemplo con el diodo.
Circuito equivalente: Aquel que puede remplazarse por otro más complejo
proporcionando el mismo resultado.
Circuitos de corriente continúa
En este punto se describirán los principales circuitos en corriente
continua así como su análisis, esto es, el cálculo de las intensidades,
tensiones o potencias.
Figura 2: Circuitos divisores de tensión, a), y de intensidad, b).
Divisor de tensión
Dos o más resistencias conectadas en serie forman un divisor de tensión.
De cuerdo con la segunda ley de Kirchhoff o ley de las mallas, la tensión
total es suma de las tensiones parciales en cada resistencia, por lo que
seleccionando valores adecuados de las mismas, se puede dividir una
tensión en los valores más pequeños que se deseen. La tensión Vi en
bornes de la resistencia Ri, en un divisor de tensión de n resistencias cuya
tensión total es V, viene dada por:
En el caso particular de un divisor de dos resistencias (figura 2 a), es
posible determinar las tensiones en bornes de cada resistencia, VAB y
VBC, en función de la tensión total, VAC, sin tener que calcular
previamente la intensidad. Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones
de fácil deducción:
Este caso es el que se presenta, por ejemplo, a la hora de ampliar la escala
de un voltímetro, donde R1 sería la resistencia de la bobina voltimétrica y
R2 la resistencia de ampliación de escala.
Divisor de intensidad
Dos o más resistencias conectadas en paralelo forman un divisor de
intensidad. De cuerdo con la primera ley de Kirchhoff o ley de los nudos,
la corriente que entra en un nudo es igual a la suma de las corrientes que
salen. Seleccionando valores adecuados de resistencias se puede dividir
una corriente en los valores más pequeños que se deseen.
En el caso particular de un divisor de dos resistencias (figura 2 b), es
posible determinar las corrientes parciales que circulan por cada
resistencia, I1 e I2, en función de la corriente total, I, sin tener que
calcular previamente la caída de tensión en la asociación. Para ello se
utilizan las siguientes ecuaciones de fácil deducción:
Este caso es el que se presenta, por ejemplo, a la hora de ampliar la escala
de un amperímetro, donde R1 sería la resistencia de la bobina
amperimétrica y R2 la resistencia shunt.
Red con fuente única
Se trata de una red de resistencias alimentadas con una sola fuente.
Figura 3: Ejemplo de circuito resistivo de fuente única.
Para su análisis se seguirán, en general, los siguientes pasos:
1. Se calcula la resistencia equivalente de la asociación.
2. Se calcula la intensidad, I, que suministra la fuente,
3. Se calculan las intensidades y tensiones parciales.
A modo de ejemplo de lo expuesto, se analizará el circuito de la figura 3
su poniendo los siguientes valores:
RESOLUCIÓN
1. Sea RABC la resistencia equivalente de la rama superior del circuito
Y denominando Re a la resistencia equivalente:
2. A partir de la ley de Ohm se determina la intensidad, I, que
proporciona la fuente:
3. A partir de la ley de Ohm:
R3 y R4 forman un divisor de intensidad para I1, por lo tanto
Red general
En el caso más general, el circuito podrá tener más de una fuente. El
análisis clásico de este tipo de redes se realiza obteniendo, a partir de las
leyes de Kirchhoff, un sistema de ecuaciones donde las incógitas serán ls
corrientes que circulan por cada rama. En general, el proceso a seguir
será el siguiente:
Se dibujan y nombran de modo arbitrario las corrientes que circulan por
cada rama.
Figura 4: Ejemplo de red general: Circuito de dos mallas.
Se obtiene un sistema de tantas ecuaciones como intensidades haya. Las
ecuaciones se obtendrán a partir de las leyes de Kirchhoff de acuerdo
con el siguiente criterio:
1. Se aplica la primera ley tantos nudos como haya menos uno.
2. Se aplica la segunda ley a todas las mallas.
Como ejemplo, se analizará el circuito de la figura 4 considerando los
siguientes valores:
RESOLUCIÓN
1. Se consideran las intensidades dibujadas en el circuito.
2. En el nudo A se cumple:
Y sumando las tensiones en ambas mayas (vea como dterminar la polaridad
de la caída de tensión de una resistencia en d. d. p.):
Ordenando las ecuaciones se obtiene el siguiente sistema
Cuyas soluciones son:
donde el valor negativo de I3 indica que la corriente circula en dirección
contraria a como se ha dibujado en el circuito.
En análisis de circuitos se puede observar el método de las mallas que
simplifica el análisis de circuitos de este tipo.
Balance de potencias
Por balance de potecias de un circuito eléctrico se entiende la
comprobación de que la suma algebraica de las potencias que generan o
"absorben" las fuentes es igual a la suma de potencias que disipan los
elementos pasivos. Para ello es necesario analizar previamente el circuito,
esto es, determinar las corrientes que circulan por cada una de sus ramas
así como las caídas de tensión en bornes de las fuentes de intensidad si
las hubiere. Como ejemplo, se realizará el balance de potencias del
circuito de la figura 5 considerando los siguientes valores:
Figura 5: Balance de potencias.
RESOLUCIÓN
Aplicando la primera ley de Kirchhoff al nudo A y la segunda a la malla de
la izquierda, se obtiene:
Operando se obtiene:
y la tensión en bornes de la fuente de intensidad
Terminado el análisis, se realiza el balance de potencias:
Elementos activos
Elementos pasivos
Circuitos serie RL y RC
Los circuitos serie RL y RC (figura 6) tienen un comportamiento similar en
cuanto a su respuesta en corriente y en tensión, respectivamente.
Figura 6: Circuitos serie RL (superior) y RC (inferior) en CC.
Figura 7: Comportamiento de los circuitos serie RL y RC en CC.
Al cerrar el interruptor S en el circuito serie RL, la bobina crea una
fuerza electromotriz (f.e.m.) que se opone a la corriente que circula por el
circuito, denominada por ello fuerza contraelectromotriz. Como
consecuencia de ello, en el mismo instante de cerrar el interruptor (t0 en
la figura 7) la intensidad será nula e irá aumentando exponencialmente
hasta alcanzar su valor máximo, Io = E/R (de t0 a t1). Si a continuación, en
el mismo instante de abrir S (t2 en la figura 7) se cortocircuitara la red
RL, el valor de Io no desaparecería instantáneamente, sino que iría
disminuyendo de forma exponencial hasta hacerse cero (de t2 a t3).
Por otro lado, en el circuito serie RC, al cerrar el interruptor S (t0 en la
figura 7), el condensador comienza a cargarse, aumentando su tensión
exponencialmente hasta alcanzar su valor máximo E0 (de t0 a t1), que
coincide con el valor de la f.e.m. E de la fuente. Si a continuación, en el
mismo instante de abrir S (t2 en la figura 7) se cortocircuitara la red RC,
el valor de Eo no desaparecería instantáneamente, sino que iría
disminuyendo de forma exponencial hasta hacerse cero (de t2 a t3).
En ambos circuitos se da por lo tanto dos tipos de régimen de
funcionamiento (figura 7):
Transitorio: desde t0 a t1 (carga) y desde t2 a t3 (descarga)
Permanente: desde t1 a t2
La duración del régimen transitorio depende, en cada circuito, de los
valores de la resistencia, R, la capacidad, C, del condensador y de la
autoinductancia, L de la bobina. El valor de esta duración se suele tomar
como 5τ, donde τ es la denominada constante de tiempo, siendo su valor en
cada circuito:
Si R está en ohmios, C en faradios y L en henrios, τ estará en segundos.
Matemáticamente se pueden obtener las ecuaciones en régimen
transitorio de cada circuito que se muestran en la siguiente tabla:
Carga en RL
Descarga en
RL
Carga en RC
Descarga
RC
Circuitos de corriente alterna
en
En el presente apartado se verán las caraterísticas de los circuitos
básicos de CA senoidal que están formados por los componentes
eléctricos fundamentales: resistencia, bobina y condensador (ver
previamente su comportamiento en CA). En cuanto a su análisis, todo lo
visto en los circuitos de corriente continua es válido para los de alterna,
con la salvedad que habrá que operar con números complejos en lugar de
con reales.
Circuito serie RL
Supongamos que por el circuito de la figura 8a circula una corriente
Figura 8: Circuito serie RL (a) y diagrama fasorial (b).
Como VR está en fase y VL adelantada 90º respecto a dicha corriente, se
tendrá:
Sumando fasorialmente ambas tensiones obtendremos la total V:
donde, y de acuerdo con el diagrama fasorial de la figura 8b, V es el
módulo de la tensión total:
y φ el águlo que forman los fasores tensión total y corriente (ángulo de
desfase):
Figura 9: Triángulo de impedancias de un circuito serie RL.
La expresión
representa la oposición que ofrece el circuito
al paso de la corriente alterna, a la que se denomina impedancia y se
representa Z:
En forma polar
con lo que la impedancia puede considerarse como una magnitud compleja,
cuyo valor, de acuerdo con el triángulo de la figura 9, es:
Obsérvese que la parte real resulta ser la componente resistiva y la parte
imaginaria la inductiva.
Circuito serie RC
Supongamos que por el circuito de la figura 10a circula una corriente
Figura 10: Circuito serie RC (a) y diagrama fasorial (b).
Como VR está en fase y VC retrasada 90º respecto a dicha corriente, se
tendrá:
Figura 11: Triángulo de impedancias de un circuito serie RC.
La tensión total V será igual a la suma fasorial de ambas tensiones,
Y de acuerdo con su diagrama fasorial (figura 10b) se tiene:
Al igual que en el apartado anterior la expresión
módulo de la impedancia, ya que
es el
lo que significa que la impedancia es una
magnitud compleja cuyo valor, según el triángulo de la figura 11, es:
Obsérvese que la parte real resulta ser la componente resistiva y la parte
imaginaria, ahora con signo negativo, la capacitiva.
Circuito serie RLC
Razonado de modo similar en el circuito serie RLC de la figura 12
llegaremos a la conclusión de que la impedancia tiene un valor de
siendo φ
Figura 12: Circuito serie RLC (a) y diagrama fasorial (b).
En el diagrama se ha supuesto que el circuito era inductivo (XL > XC), pero
en general se pueden dar los siguientes casos:
XL > XC: Circuito inductivo, la intensidad queda retrasada respecto de la
tensión (caso de la figura 12, donde φ es el ángulo de desfase).
XL < XC: Circuito capacitivo, la intensidad queda adelantada respecto de
la tensión.
XL = XC: Circuito resistivo, la intensidad queda en fase con la tensión (en
este caso se dice que hay resonancia).
Circuito serie general
Sean n impedancias en serie como las mostradas en la figura 13a, a las que
se le aplica una tensión alterna V entre los terminales A y B lo que
originará una corriente I. De acuerdo con la ley de Ohm:
Figura 13: Asociaciones de impedancias: a) serie, b) parlelo y c) impedancia
equivalente.
donde
es la impedancia equivalente de la asociación (figura 13c), esto
es, aquella que conectada la misma tensión lterna,
, demanda la misma
intensidad,
. Del mismo modo que para una asocianción serie de
resistencias, se puede demostrar que
lo que implica
y
Circuito paralelo general
Del mismo modo que en el apartado anterior, consideremos n impedancias
en paralelo como las mostradas en la figura 13b, a las que se le aplica una
tensión alterna V entre los terminales A y B lo que originará una corriente
I. De acuerdo con la ley de Ohm:
y del mismo modo que para una asocianción paralelo de resistencias, se
puede demostrar que
Para facilitar el cálculo en el análisis de circuitos de este tipo, se suele
trabajar con admitancias en lugar de con impedancias.
Efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un
material cuando se lo ilumina con radiación electromagnética (luz visible o
ultravioleta, en general).
Diagrama del efecto fotoeléctrico. Los fotones incidentes son absorbidos
por los electrones del medio dotándoles de energía suficiente para escapar
de éste.
A veces se incluye en el término efecto fotoeléctrico dos tipos de
interacción entre la luz y la materia:
Fotoconductividad: Es el aumento de la conductividad eléctrica de la
materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby
Smith en el selenio hacia la mitad del siglo 19.
Efecto fotovoltaico: Transformación parcial de la energía luminosa en
energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts
en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en
1887. La explicación teórica solo fue hecha por Albert Einstein en 1905
quien basó su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del
trabajo sobre los quantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews
Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de
Einstein no era correcta... y demostró que sí lo era. Eso permitió que
Einstein y él compartiesen el premio Nobel en 1923.
Interpretación cuántica del efecto fotoeléctrico
Los fotones de luz tienen una energía característica determinada por la
longitud de onda de la luz. Si un electrón absorbe energía de un fotón y
tiene mayor energía que la necesaria para salir del material y que su
velocidad está bien dirigida hacia la superficie, entonces el electrón
puede ser extraído del material. Si la energía del fotón es demasiado
pequeña, el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material.
Los cambios en la intensidad de la luz no cambian la energía de sus
fotones, tan sólo su número y por lo tanto la energía de los electrones
emitidos no depende de la intensidad de la luz incidente. Si el fotón es
absorbido parte de la energía se utiliza para liberarlo del átomo y el resto
contribuye a dotar de energía cinética a la partícula libre.
En principio, todos los electrones son susceptibles de ser emitidos por
efecto fotoeléctrico. En realidad los que más salen son los que necesitan
lo menos de energía para salir y, de ellos, los más numerosos.
En un aislante (dieléctrico), los electrones más energéticos se encuentran
en la banda de valencia. En un metal, los electrones más energéticos están
en la banda de conducción. En un semiconductor de tipo N, son los
electrones de la banda de conducción que son los más energéticos. En un
semiconductor de tipo P también, pero hay muy pocos en la banda de
conducción. Así que en ese tipo de semiconductor hay que ir a buscar los
electrones de la banda de valencia.
Pero eso no es todo. A la temperatura ambiente, los electrones más
energéticos se encuentran cerca del nivel de Fermi (salvo en los
semiconductores intrínsecos en los cuales no hay electrones cerca del
nivel de Fermi). La energía que hay que dar a un electrón para llevarlo
desde el nivel de Fermi hasta el exterior del material se llama función de
trabajo. El valor de esa energía es muy variable y depende del material,
estado cristalino y, sobre todo de las últimas capas atómicas que recubren
la superficie del material. Los metales alcalinos (sodio, calcio, cesio, etc.)
presentan las más bajas funciones de trabajo. Aun es necesario que las
superficies estén limpias al nivel atómico. Una de la más grandes
dificultades de las experiencias de Millikan era había que fabricar las
superficies de metal en el vacío.
Efecto fotoeléctrico en la actualidad
El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica
por radiación solar y del aprovechamiento energético de la energía solar.
También se utiliza en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan
en las células fotovoltaicas y en electroscopios o electrómetros. En la
actualidad los materiales fotosensibles más utilizados son, aparte de los
derivados del cobre (ahora en menor uso), el silicio, que produce
corrientes eléctricas mayores.
El efecto fotoeléctrico también se manifiesta en cuerpos expuestos a la
luz solar de forma prolongada. Por ejemplo, las partículas de polvo de la
superficie lunar adquieren carga positiva debido al impacto de fotones.
Las partículas cargadas se repelen mutuamente elevándose de la
superficie y formando una tenue atmósfera. Los satélites espaciales
también adquieren carga eléctrica positiva en sus superficies iluminadas y
negativa en las regiones oscurecidas, por lo que es necesario tener en
cuenta estos efectos de acumulación de carga en su diseño.
Dispositivos Fotoeléctricos
•
•
•
Dispositivos de conversión de energía eléctrica a radiación óptica
"Electroluminiscencia"
Diodos emisores de luz "LED"
LÁSER Semiconductor
•
•
•
•
Dispositivos de detección de señales ópticas "Fotodetectores"
Dispositivos de conversión de radiación óptica en energía eléctrica
"Dispositivos fotovoltaicos" (Celda Solar).
Fototransistores.
El diodo LED
Si alguna vez ha visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se
encienden y apagan, en algún circuito electrónico, ha visto los diodo LED
en funcionamiento. El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como
un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica
emite luz. Existen diodos LED de varios colores y dependen del material
con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar,
infrarrojo.
Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o
germanio.
Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor, se inyectan
electrones y huecos en las regiones P y N, respectivamente.
Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los
portadores de carga (electrones y huecos). Hay un tipo de
recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes (aquí la emisión
de luz). La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de
recombinaciones depende del material semiconductor utilizado (GaAs,
GaAsP,y GaP)
Tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su
bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida
aproximada de 100,000 horas.
El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en
sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse.
Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero
apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común.
Aplicaciones tiene el diodo LED
Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de
cierta situación específica de funcionamiento.
Ejemplos
-Se utilizan para desplegar contadores.
- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente
directa.
- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente
alterna.
- En dispositivos de alarma
Sus desventajas son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz
es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad
está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas
difusores de luz
Símbolo del diodo LED
Laceres de semiconductores
Los transistores aprovechan las propiedades especiales de un tipo de
materiales conocidos como semiconductores. La corriente eléctrica se
origina con el movimiento de los electrones. Metales comunes como el
cobre son buenos conductores de la electricidad debido a que sus
electrones no están unidos estrechamente al núcleo del átomo y son
atraídos libremente por una carga positiva. Otras sustancias como, por
ejemplo, el caucho, son aislantes, malos conductores de la electricidad,
dado que sus electrones no se mueven libremente. Los semiconductores,
como su nombre indica, son algo intermedio entre estos dos conceptos;
aunque normalmente se comportan como aislantes, es posible que en
algunos casos conduzcan la electricidad.
Cómo funcionan los laceres.
(a) Un conjunto de átomos de láser con sus niveles cuánticos
representados.
(b) El proceso de bombeo óptico, en el que un gran número de átomos
atrapados se estimulan hacia un nivel de energía más alto.
(c)
La
emisión
estimulada
y
la
oscilación
del
láser.
Un rayo de luz, ajustado a la frecuencia de transmisión entre los dos
niveles, se envía a través del conjunto de átomos, lo que provoca que
aquellos que se encuentran en un nivel de energía más alto cedan su
energía al rayo de luz. Los espejos alineados en cada extremo de la
cavidad del láser forman un resonador óptico, lo que provoca que el rayo
de salida sea altamente monocromático o altamente direccional.
(Adaptación de una ilustración cedida por la Universidad de Stanford).
Energía solar fotovoltaica
Se denomina energía solar fotovoltaica a una forma de obtención de
energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos.
Celda solar
Los paneles, módulos o colectores fotovoltaicos están formados por
dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiación solar, se
excitan y provocan saltos electrónicos, generando una pequeña diferencia
de potencial en sus extremos. El acoplamiento en serie de varios de estos
fotodiodos permite la obtención de voltajes mayores en configuraciones
muy sencillas y aptas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos.
Fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel
atómico. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como
efecto fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan
electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es
una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.
Fototransistores
Los fototransistores no son muy diferentes de un transistor normal, es
decir, están compuestos por el mismo material semiconductor, tienen dos
junturas y las mismas tres conexiones externas: colector, base y emisor.
Por supuesto, siendo un elemento sensible a la luz, la primera diferencia
evidente es en su cápsula, que posee una ventana o es totalmente
transparente, para dejar que la luz ingrese hasta las junturas de la
pastilla semiconductora y produzca el efecto fotoeléctrico.
Teniendo las mismas características de un transistor normal, es podible
regular su corriente de colector por medio de la corriente de base. Y
también, dentro de sus características de elemento optoelectrónico, el
fototransistor conduce más o menos corriente de colector cuando incide
más o menos luz sobre sus junturas.
Diversos tipos de fototransistores
Los dos modos de regulación de la corriente de colector se pueden utilizar
en forma simultánea. Si bien es común que la conexión de base de los
fototransistores no se utilice, e incluso que no se la conecte o ni siquiera
venga de fábrica, a veces se aplica a ella una corriente que estabiliza el
funcionamiento del transistor dentro de cierta gama deseada, o lo hace un
poco más sensible cuando se debe detectar una luz muy débil. Esta
corriente de estabilización (llamada bias, en inglés) cumple con las mismas
reglas de cualquier transistor, es decir, tendrá una relación de
amplificación determinada por la ganancia típica de corriente, o hfe. A
esta corriente prefijada se le suman la variaciones producidas por los
cambios en la luz que incide sobre el fototransistor.
Los fototransistores, al igual que los fotodiodos, tienen un tiempo de
respuesta muy corto, es decir que pueden responder a variaciones muy
rápidas en la luz. Debido a que existe un factor de amplificación de por
medio, el fototransistor entrega variaciones mucho mayores de corriente
eléctrica en respuesta a las variaciones en la intensidad de la luz.
Anexos
Conclusión
Un circuito eléctrico es una serie de elementos o componentes eléctricos,
tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes, o
electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de
generar, transportar o modificar señales eléctricas y que El efecto
fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando
se lo ilumina con radiación electromagnética. En este informe se dio a
conocer aspectos fundamentales sobre el funcionamiento de un circuito,
así como también conocimientos elementales referentes a algunos
elementos fotoeléctricos. El desarrollo sistemático y paso a paso que se le
dio en el informé, hace que cada concepto se pueda entender, con la ayuda
de las tablas, esquemas y gráficos presentados en el desarrollo del
trabajo.
Para
la
realización
de
este
trabajo,
se
analizaron
sistemáticamente las distintas fuentes de información escritas sobre el
tema, Finalmente, se quiso significar que un trabajo de la magnitud con el
tema de circuitos y elementos fotoeléctricos difícilmente puede ser
abordado exhaustivamente, sin embargo creemos tocar los aspectos más
resaltantes. Finalmente, creemos que el estudio realizado no agota el
tema, sino que apenas toca parte de él, ya que hay otros puntos no
tratados en este análisis.
Bibliografía
• http://es.wikipedia.org/wiki/
• Fundamentos De Electricidad (para estudiantes de
ingeniería mecánica). Autor Ángel Iván Molina Alcedo.