Fundamentos

Panel Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Heinrich Hertz en 1887, 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. Un Año después, Hallwachs hizo una importante observación de que la luz ultravioleta al incidir sobre un cuerpo cargado negativamente causaba la perdida su carga, mientras que no afectaba a un cuerpo con carga positiva. Diez años más tarde, J. Thomson y P. Lenard demostraron independientemente, que la acción de la luz era la causa de la emisión de cargas negativas libres por la superficie del metal. Aunque no hay diferencia con los demás electrones, se acostumbra denominar fotoelectrones a estas cargas negativas.

Heinrich Hertz establece básicamente que  los electrones de una superficie metálica pueden escapar de ella si adquieren la energía suficiente suministrada por luz de longitud de onda lo suficientemente corta. Hallwachs y Lenard estudiaron también este efecto años después.
Posteriormente Einstein le dio el significado correcto en 1905, en el que dice que un haz de luz se compone de paquetes de energía llamados cuantos de luz o fotones. Cuando el fotón choca contra un electrón en la superficie de un metal, el fotón le puede transmitir energía al electrón, con la cual podría este escapar de la superficie del metal.

Efecto fotoeléctrico externo

Es la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. El término efecto fotoeléctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico. El estudio del efecto fotoeléctrico externo desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física moderna. Una serie de experimentos iniciados en 1887 demostró que el efecto fotoeléctrico externo tenía determinadas características que no podían explicarse por las teorías de aquella época, que consideraban que la luz y todas las demás clases de radiación electromagnética se comportaban como ondas. Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la máxima energía posible de los electrones emitidos sólo depende de la frecuencia de la luz incidente, y no de su intensidad. En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo, Albert Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz. Para explicar el efecto fotoeléctrico externo, Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles" que chocan contra el metal. Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz. La teoría de Einstein se verificó por experimentos posteriores. Su explicación del efecto fotoeléctrico, con la demostración de que la radiación electromagnética puede comportarse en algunos casos como un conjunto de partículas, contribuyó al desarrollo de la teoría cuántica. El término efecto fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos: la fotoionización, la fotoconducción y el efecto fotovoltáico. La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas. En la fotoconducción, los electrones de materiales cristalinos absorben energía de los fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltáico, los fotones crean pares electrón-hueco en materiales semiconductores. En un transistor, este efecto provoca la creación de un potencial eléctrico en la unión entre dos semiconductores diferentes.

Efecto fotoeléctrico interno

En el fotoefecto interno los electrones excitados permanecen dentro de la sustancia, contrario al fotoefecto externo. Cuando el material es irradiado, electrones de la banda de valencia son llevados a la banda de conducción y aumenta la conductividad eléctrica del material irradiado. Este aumento de conductividad se llama fotoconducción. En el caso en de los metales, debido a su alta conductividad eléctrica base, el aumento de conductividad por radiación es insignificante, por eso el fotoefecto interno se emplea tanto en los semiconductores dopados como en los intrínsecos.

La conductividad intrínseca es ocasionada por electrones y huecos térmicamente generados, que están presentes en iguales concentraciones. Cuando la sustancia es irradiada, portadores de carga libres adicionales son producidos por la energía del fotón con lo que se mejora la conductividad. Mediante el dopado deliberado de un semiconductor con donantes o aceptores, se obtiene un semiconductor tipo P o N.

Medida de h por Millikan

La letra h en la ecuación de Einstein, es importante porque es fundamental para la estructura de la materia y, por lo tanto, es una constante universal. Habiendo sido introducida primero por Planck, en 1901, el nombre de la constante de Planck se ha adherido firmemente a este símbolo h. La primera confirmación experimental de la ecuación fotoeléctrica de Einstein vino en 1912, cuando A. L. Hugues; e independiente O. W. Richardon y K. T. Compton, observaron que la energía de los fotoelectrones aumentaba proporcionalmente con la frecuencia. La constante de proporcionalidad que ellos encontraron es aproximadamente igual a la constante h de Planck.

Posteriormente, Millikan realizo una serie de experimentos exhaustivos que establecieron la ecuación fotoeléctrica de tan preciso, que sus trabajos se consideran ahora como los que dan el valor más exacto de h.

Para esto fue necesario medir los tres factores v, W y ½ mv², y despejar la incógnita h de la siguiente ecuación:

Ve = ½ mv²

Experimentos previos realizados sobre el efecto fotoeléctrico demuestran que obtenerse buenos resultados solo si las superficies metálicas están adecuadamente limpias.

Umbral fotoeléctrico

Una vez hechas las mediciones, Millikan calculo las energías correspondientes a los fotones para diversas frecuencias de luz y represento los resultados sobre un gráfico. El punto de intersección entre la recta u el eje horizontal determinara la frecuencia umbral v₀.

El umbral fotoeléctrico se define como la frecuencia para la cual la luz que incide sobre la superficie metálica solo puede liberar los electrones, pero sin comunicarles energía cinética adicional. Para esta frecuencia, la energía cinética ½ mv² de la ecuación de Einstein es nula y la energía del fotón está dada por

W = hv₀

El valor de h es 6.6261965 x 10-34 joule segundo.

El Premio Nobel de Física asignado a Millikan en 1923 le fue otorgado en primer lugar por sus importantes trabajos experimentales de determinación de la constante de Plank y en segundo lugar también por la carga electrónica e.

Célula fotoeléctrica

Componente electrónico basado en el efecto fotoeléctrico. En su forma más simple, se compone de un ánodo y un cátodo recubierto de un material fotosensible. La luz que incide sobre el cátodo libera electrones que son atraídos hacia el ánodo, de carga positiva, originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiación. Las células fotoeléctricas pueden estar vacías o llenas de un gas inerte a baja presión para obtener una mayor sensibilidad.

Una variante de la célula fotoeléctrica, el fototubo multiplicador o fotomultiplicador, consiste en una serie de placas metálicas dispuestas de forma que la emisión fotoeléctrica se amplifica mediante una emisión eléctrica secundaria. El fototubo multiplicador es capaz de detectar radiaciones extremadamente débiles, por lo que es una herramienta esencial en el área de la investigación nuclear.

Fotomultiplicador

Aplicación de los fotomultiplicadores

Paneles fototérmicos

Reflexión y refracción

Refracción:

En términos simples, la refracción es al cambio de dirección que tiene la luz al cambiar de  medio en el que viaja. Sabemos que la velocidad de la luz no es la misma en el agua, aire, vidrio, etc. Por lo tanto, cuando un rayo de luz pasa por este cambio, su velocidad así como su dirección cambian dependiendo el caso.

Tal es el caso que:

• Si la luz pasa de un medio más rápido a otro más lento (por ejemplo del aire al vidrio flint), el ángulo de refracción es menor que el de incidencia.
• Si pasa de un medio de mayor índice de refracción a otro con menor índice de refracción (por ejemplo del diamante al agua), el ángulo de refracción es mayor que el de incidencia.
• En éste último caso, si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo límite no se produce refracción, sino lo que se denomina reflexión total.

El fenómeno de la reflexión total permite que podamos canalizar la luz a través de pequeños tubos de diferentes sustancias que se denominan fibras ópticas.

El fenómeno de la refracción se rige por la llamada ley de la refracción o ley de Snell:

n1 sen i = n2 sen r

n1 = índice de refracción del medio del que procede. i = ángulo de incidencia n2 = índice de refracción del medio en el que se refracta. r = ángulo de refracción

Reflexión:

Cuando la luz incide sobre un cuerpo, éste devuelve la luz de una proporción mayor o menor dependiendo las propiedades de cada uno, a éste fenómeno lo conocemos como reflexión.  La razón por la cual la luz no se refleja  de igual forma en todos los cuerpos es porque hay varios tipos de reflexión.

Reflexión especular. Este es el caso de los espejos y de la mayoría de las superficies duras y pulidas. Al tratarse de una superficie lisa, los rayos reflejados son paralelos, es decir tienen la misma dirección.

Reflexión difusa. En el caso de la reflexión difusa los rayos son reflejados en distintas direcciones debido a la rugosidad de la superficie. Este tipo de reflexión la encontramos en los polvos.

Reflexión extendida. Es solo una combinación entre ambas reflexiones (difusa y especular). Tiene un componente direccional dominante que es difundido parcialmente por irregularidades de la superficie.

Reflexión mixta. Es una combinación de reflexión especular, extienda y difusa. Este tipo de reflexión mixta es que se da en la mayoría de los materiales reales.