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habla sobre lo que es el efecto fotoelectrico y temas relacionados
Tipo: Apuntes
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Fue descubierto por Heinrich Hertz, en 1887, el cual al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. Por lo que podemos definir que el efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material al incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta , en general). Las aplicaciones del efecto fotoeléctrico las encontramos en: Las Cámaras En los dispositivos que gobiernan los tiempos de exposición En detectores de movimiento; En el alumbrado público Como regulador de la cantidad de tóner en las máquinas copiadoras En las celdas solares muy útiles en satélites, calculadoras y relojes. Por lo que gracias al efecto fotoeléctrico se volvió posible el cine hablado, así como la transmisión de imágenes animadas (televisión) etc. Debido al empleo de aparatos fotoeléctricos permitió construir maquinarias capaces de producir piezas sin intervención alguna del hombre. Los aparatos cuyo funcionamiento se asienta en el aprovechamiento del efecto fotoeléctrico, controlan el tamaño de las piezas mejor de lo que podría hacerlo cualquier operario, permitiendo encender y apagar automáticamente la iluminación de calles, faroles, etc. Todo esto se volvió posible debido a la invención de aparatos especiales llamados: Células Fotoeléctricas: donde la energía de la luz, controla la energía de la corriente eléctrica o se transforma en corriente eléctrica. Una célula fotoeléctrica moderna consta de un balón de vidrio cuya superficie interna está revestida, en parte, de una capa fina de metal con pequeño trabajo de arranque como se describe en la Figura a continuación:
por ejemplo en las resistencias fotoeléctricas, esto es, aparatos eléctricos cuya resistencia depende de la intensidad de la iluminación. Se aplica igualmente en los aparatos eléctricos semiconductores que transforman de forma directa, la energía luminosa en energía eléctrica. Tales aparatos pueden servir de fuente de corriente eléctrica, permitiendo evaluar la intensidad de iluminación, por ejemplo, en fotómetros. En el mismo principio se asienta el funcionamiento de baterías solares, de las que están munidas todas las naves espaciales. Por lo que el concepto de Célula Fotoeléctrica se define como: Una célula fotoeléctrica es un dispositivo electrónico que permite transformar la luz (fotones) en energía eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico. Absorbe fotones y emite electrones. Las células fotoeléctricas se han ganado el apodo de “ojo eléctrico” ya que puede sustituir en muchas ocasiones al ojo humano y además tiene la ventaja de ser sensibles a radiaciones que no percibe nuestra retina y que no puede ver el ojo humano.
Formados por un tubo cerrado herméticamente y transparente que se encuentra al vacío o relleno de un gas inerte. El cátodo es semicircular y está formado por un metal alcalino o alcalinotérreo. El ánodo es un alambre metálico. A) Los de vacío son muy sensibles y se utilizan para medir diferentes valores físicos, cuando se modifica la iluminación se produce una variación de la corriente eléctrica y cambia el voltaje, esto se puede utilizar en los siguientes aparatos: Radiómetros, miden la intensidad de la radiación térmica. Fotómetros, miden la intensidad de la luz. Colorímetros, miden el color. B) Los rellenos de gas (se utiliza el argón a baja presión) se utilizaban en la lectura de bandas sonoras.
Las bandas sonoras ópticas de las películas, están formadas por zonas de oscuridad y luz en uno o dos lados de la cinta de la película. Las distintas intensidades de luz, se convierten luego en impulsos eléctricos (variación breve de la intensidad de corriente) creando el conjunto de la banda sonora.
Al proyectar la película sonora, se hace pasar un rayo de luz a través de la parte donde están registrados los sonidos en forma de rayas oscuras, las cuales debilitan el rayo de luz cuando las atraviesa. El rayo de luz, después de haber experimentado estas variaciones de intensidad, se transforma mediante una célula fotoeléctrica en corriente eléctrica de intensidad variable, que después de ser amplificada se transforma mediante un altavoz en sonido, como se visualiza en el siguiente diagrama:
La célula fotoconductora es una fotorresistencia construida con un material muy sensible a la luz, cuyo valor en ohmios varia ante las variaciones de luz incidente. La célula de cadmio se basa en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que incide. Cuanta más luz incide más baja es su resistencia al paso de corriente. Si la luz incide sobre la célula pasa corriente eléctrica y se acciona un electroimán que hace de interruptor. Cuando una persona u objeto pasa entre la lámpara y la célula fotoeléctrica se interrumpe el paso de corriente, el electroimán deja de funcionar y se baja el interruptor que acciona un motor que se puede utilizar para: Abrir y cerrar puertas. Hacer funcionar una escalera eléctrica. Contar personas u objetos. Poner en funcionamiento una alarma. Encender y apagar el alumbrado público.
Están compuestas de un material que presenta efecto fotoeléctrico: absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. La eficiencia de conversión media obtenida por las células disponibles comercialmente (producidas a partir de silicio mono cristalino) está alrededor del 11-12%, pero según la tecnología utilizada varía desde el 6% de las células de silicio amorfo hasta el 14-19% de las células de silicio mono cristalino. También existen Las células multicapa, normalmente de Arseniuro de galio, que alcanzan eficiencias del 30%. En laboratorio se ha superado el 42% con nuevos paneles experimentales. [cita requerida] La vida útil media a máximo rendimiento se sitúa en torno a los 25 años, período a partir del cual la potencia entregada disminuye. Principio de funcionamiento de la fotocelda eléctrica En un semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía arranca un electrón, creando al pasar un «hueco». Normalmente, el electrón encuentra rápidamente un hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, pues, se disipa. El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material, como ocurre en una pila. Para ello, se crea un campo eléctrico permanente, a través de una unión pn, entre dos capas dopadas respectivamente, p y n: La capa superior de la celda se compone de silicio dopado de tipo n. En esta capa, hay un número de electrones libres mayor que una capa de silicio puro, de ahí el nombre del dopaje n, como carga negativa (electrones). El material permanece eléctricamente neutro: es la red cristalina quien tiene globalmente una carga negativa. La capa inferior de la celda se compone de silicio dopado de tipo p. Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres menor que una
capa de silicio puro, los electrones están ligados a la red cristalina que, en consecuencia, está cargada positivamente. La conducción eléctrica está asegurada por los huecos, positivos (p). Por lo tanto: 2.- En las Cámaras Fotográficas con funcionamiento de los CCD La fotografía digital consiste en la obtención de imágenes mediante una cámara oscura, de forma similar a la Fotografía química. Sin embargo, así como en esta última las imágenes quedan grabadas sobre una película fotosensible y se revelan posteriormente mediante un proceso químico, en la fotografía digital las imágenes son capturadas por un sensor electrónico que dispone de múltiples unidades fotosensibles, las cuales aprovechan el efecto fotoeléctrico para convertir la luz en una señal eléctrica, la cual es digitalizada y almacenada en una memoria.
aunque no parece que puedan sustituir, al menos de momento, a la fotografía en todas sus aplicaciones. Las siglas CCD provienen del inglés charge-coupled device , dispositivo de carga acoplada. Es una superficie sólida sensible a la luz, dotada de unos circuitos que permiten leer y almacenar electrónicamente las imágenes que se proyectan sobre ella. El funcionamiento de los CCD se basa en el fenómeno físico del efecto fotoeléctrico. Ciertas sustancias tienen la propiedad de absorber cuantos de luz, o fotones, y liberar un electrón. Tienen dos diferencias básicas con los fotomultiplicadores: Los sensores CCD son de menor tamaño y están construidos de semiconductores lo que permite la integración de millones de dispositivos sensibles en un solo chip. La eficiencia cuántica de los CCD (sensibilidad) es mayor para los rojos. Los fotomultiplicadores son más sensibles a los azules. Para la fabricación de los detectores CCD se utiliza el silicio, el cual es un material semiconductor. Una de las caras de una placa de silicio se recubre con una red de electrodos microscópicos cargados positivamente. En virtud del efecto fotoeléctrico, la luz incidente genera electrones, de carga negativa, que son atraídos por los electrodos y se acumulan a su alrededor. La imagen final captada por el detector CCD es un mosaico formado por tantos elementos, o teselas, como electrodos hay en la placa de silicio. Se suele llamar píxeles a las teselas de los mosaicos digitales.
1. Captación y acumulación de luz en un detector CCD. Para una cámara CCD, el detector se coloca en el plano focal de un objetivo. A continuación, se abre el obturador y se permite que la luz incida sobre la superficie de silicio durante un cierto tiempo. Los fotones se convierten en electrones que se van acumulando alrededor de los minúsculos electrodos. Cuando la exposición ha acabado, la imagen está latente, convertida en electrones, en el interior del CCD. El siguiente paso necesario es su lectura y almacenamiento. 2. Proceso de lectura de la imagen en un detector CCD. 3. Lectura en el caso imaginario de tener un chip de 7x4 píxeles.
En uno de los laterales del detector hay siempre una hilera de electrodos que no recibe luz y que se emplea para el proceso de lectura de las imágenes. Esta hilera se llama canal de lectura. El voltaje de los electrodos se altera simultáneamente y de manera adecuada para que cada uno de ellos traspase a su vecino inmediato los electrones que tiene acumulados. 3.- En los Detectores de Movimiento (Sensores fotoeléctricos) Son dispositivos electrónicos que responden al cambio en la intensidad de la luz, cuando incida la luz expulsa electrones de sus materiales para emitir más electrones y que estos generen una corriente eléctrica por medio de un transductor. Son principalmente usados como sensores de presencia, como por ejemplo en ascensores y puertas. El objetivo de este trabajo es explicar cómo se construye un sensor de movimiento. Este aparato permite detectar todo tipo de sucesos que ocurran en su entorno. Su funcionamiento se basa en el cambio de estado que se produce cuando un objeto corta la trayectoria de las ondas que transcurren entre dos sensores. La señal recibida se pasa por un comparador de señales que, en el caso de encontrar alguna diferencia entre las señales de los sensores, hace que un elemento de aviso se active (altavoz, sirena, bombilla, etc.) Circuito del funcionamiento los Detectores de Movimiento
del espectro visible. Ya que no podremos ver a simple vista si nuestro emisor está funcionando (al polarizarlo), tendremos que comprobarlo utilizando alguna cámara de fotografía o video digital, como la de nuestro celular. Fototransistor. Este dispositivo se diferencia de un transistor común porque su base ha sido sustituida por un cristal fotosensible que regula el flujo de corriente colector – emisor de acuerdo a la luz incidente sobre él (en nuestro caso luz infrarroja). El fototransistor, aunque con la apariencia de un LED común, debe conectarse con la patilla larga a masa y la corta a voltaje. Bueno, con los términos básicos aclarados, veamos el esquema del emisor y el receptor: En el esquema D1 es el LED infrarrojo, Q1 el fototransistor y D2 un LED común. Finalmente aquí podemos ver un pequeño video de nuestro sensor en funcionamiento. Los diodos tienen un sentido normal de circulación de corriente, que se llama polarización directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente eléctrica y prácticamente no lo permite en el inverso. En el fotodiodo la corriente (que varía con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo es polarizado de manera inversa. Se producirá un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz. En ausencia de luz la corriente presente es muy pequeña y recibe el nombre de corriente de oscuridad.
5.- En los Fotomultiplicadores 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, manteniendo un nivel de ruido aceptable. Con la llegada de los dispositivos CCD y su gran eficiencia cuántica, los fotomultiplicadores han visto reducirse grandemente sus aplicaciones, quedando prácticamente reducidas a los detectores de partículas, basados en la radiación de Cherenkov. Un fotomultiplicador está compuesto de un fotocátodo, que emite electrones cuando sobre él inciden fotones de energía adecuada. Un campo eléctrico acelera estos electrones y los dirige hacia un ánodo, que en estos tubos recibe el nombre de dínodo. La energía de los electrones incidentes provoca la emisión un número mayor de electrones secundarios que son dirigidos hacia un segundo dínodo. El número de dínodos y su disposición varía con el modelo de fotomultiplicador Son un tipo de detector óptico de vacío que aprovecha el efecto de emisión secundaria de electrones para responder a niveles muy bajos de iluminación. Principalmente son usados en el control de procesos industriales debido a su alta sensibilidad. Un tubo fotomultiplicador consiste de un cátodo foto emisivo (fotocátodo), consistente de metales alcalinos con funciones de trabajo bajas, seguido de electrodos enfocadores, un multiplicador de electrones (dínodos) y un colector de electrones (ánodo) en un tubo al vacío. Cuando la luz entra al fotocátodo, este convierte la energía de la luz incidente en fotoelectrones emitidos al vacío, los cuales son enfocados hacia los dínodos, donde son multiplicados en un proceso de emisión secundaria. Al final, la señal de
El diagrama ilustra la operación de una celda fotovoltaica, llamada también celda solar. 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. Un arreglo de varias celdas solares conectadas eléctricamente unas con otras y montadas en ¿Cómo Funcionan las Celdas Fotovoltaicas? El efecto fotoeléctrico, puede ser notado también en los detectores de movimiento; en el alumbrado público, en el regulador de la cantidad de tinta en las copiadoras; en las celdas solares, en satélites, calculadoras, relojes, entre otros.