CÈLULAS FOTOELÈCTRICAS
La CÈLULAS FOTOELÈCTRICAS se encuentran en varia aplicaciones .Alguna vez has estado en uno de esos baños, donde los grifos se encienden automáticamente cuando se le hace señas con las manos debajo de ellos?
¿O caminó a través de una puerta eléctrica que se abrió justo cuando se acercaba?
¿Tal vez su casa está equipada con rayos invisibles de “ojo mágico” que “hacen tropezar” a los intrusos haciendo sonar una alarma? ¿O tal vez tienes una calculadora que hace la energía con un pequeño panel solar incorporado?
CÈLULAS FOTOELÈCTRICAS
Todas estas cosas son ejemplos de células fotoeléctricas (a veces llamadas fotocélulas): dispositivos electrónicos que generan electricidad cuando la luz cae sobre ellos. ¿Qué son y cómo funcionan? ¡Miremos más de cerca!
¿Qué es fotoelectricidad?
“Foto” significa luz , por lo que la fotoelectricidad simplemente significa electricidad producida por un rayo de luz.
Esa idea no parece en absoluto inusual en el siglo XXI, cuando la mayoría de las personas ha oído hablar de paneles solares (trozos de material, como el silicio, que generan una corriente eléctrica cuando la luz del sol los ilumina).
Pero imagínense cuán sorprendente debe haber parecido el efecto fotoeléctrico hace poco más de un siglo, en 1887, cuando fue descubierto por primera vez por el físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894), uno de los pioneros de la radio .
Continuó siendo un misterio durante casi 20 años hasta que Albert Einstein intervino con una explicación casi completa del fenómeno en 1905.
¿Que es el efecto fotoeléctrico?
¿Cómo puede la luz transformarse mágicamente en electricidad? No es tan extraño como suena.
Sabemos, por ejemplo, que la luz es un tipo de energía electromagnética : viaja de la misma manera (y a la misma velocidad) que los rayos X , microondas , ondas de radio y otros tipos de electromagnetismo .
También sabemos que la energía puede transformarse fácilmente de un tipo a otro: la energía potencial puede convertirse en energía cinética y cualquiera puede convertirse en calor o sonido . Entonces la idea de que la luz se convierta en electricidad no es tan sorprendente.
Sin embargo, cuando la fotoelectricidad se explicó por primera vez, en 1905, marcó el comienzo de una revolución científica.
La persona que hizo la explicación, Albert Einstein (1879-1955), mostró que un rayo de luz, que brilla sobre algo así como una pieza de metal, podría considerarse como un tren de partículas energéticas llamadas fotones .
Los fotones pasaron su energía en cantidades fijas a átomos dentro del metal, derribando algunos de sus electrones de ellos, produciendo una corriente eléctrica.
Como Einstein mostró matemáticamente, la energía de los fotones entrantes estaba relacionada precisamente con la frecuencia o longitud de onda de la luz brillante e igual a la energía de los electrones que expulsaron.
La explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico fue una poderosa evidencia de que la energía solo podía existir en cantidades fijas llamadas quanta . (En otras palabras, puedes obtener energía en paquetes familiares, ¡pero no puedes dividir los paquetes más pequeños!).
Este se convirtió en el elemento central de la teoría cuántica : una compleja explicación matemática del misterioso mundo de los átomos y las partículas. acechando dentro de ellos. Y fue por este trabajo en fotoelectricidad que Einstein ganó el Premio Nobel de Física de 1921 .
Tres tipos de fotoelectricidad
La fotoelectricidad se trata de que la energía de la luz se convierta en energía eléctrica y se produce de tres maneras diferentes (aunque, a primera vista, bastante similares).
Se conocen como los efectos fotoconductivos, fotoemisivos y fotovoltaicos, y los analizaremos uno a uno.
Por cierto, cuando hablo de luz en este artículo, no me refiero solo a la luz “visible” que podemos ver: las células fotoeléctricas también funcionan con formas invisibles de luz como el infrarrojo y el ultravioleta : los materiales sensibles a la luz pueden “ver” y responden a las frecuencias de luz fuera del rango al que nuestros propios ojos son sensibles.
Fotoconductor
Foto: resistencia típica dependiente de la luz (LDR).
Este es el más fácil de los tres efectos para entender. Cuando era adolescente, recuerdo jugar brevemente con un componente electrónico llamado resistencia dependiente de la luz (LDR) .
Era como un pequeño botón con dos terminales que salían de la parte posterior y podías soldarlo en un circuito como cualquier otra resistencia .
La superficie del “botón” tenía una lente en la parte superior (para concentrar la luz entrante) y, debajo del objetivo, había un trozo de material sensible a la luz hecho de algo así como sulfuro de calcio, con un patrón similar a una serpiente de conexiones eléctricas que lo atraviesan.
En la oscuridad o en la luz normal, el LDR tenía una resistencia bastante alta, pero si se iluminaba directamente con él, la resistencia disminuía de manera espectacular: el LDR convertía la luz entrante en energía eléctrica y la agregaba a la corriente que ya la atravesaba.
Este es un ejemplo del efecto fotoconductor, donde la luz reduce la resistencia de un material (o aumenta su conductancia, si lo prefiere) al hacer que los electrones dentro de él sean más móviles.
Fotovoltaico
Los paneles solares pequeños en cosas tales como calculadoras y relojes digitales a veces se denominan células fotovoltaicas.
Son un poco como diodos , hechos de dos capas de material semiconductor colocados uno encima del otro. La capa superior es rica en electrones, la capa inferior es pobre en electrones.
Cuando se ilumina la capa superior, los electrones saltan desde la capa inferior a la superior, formando un voltaje que puede impulsar la corriente a través de un circuito externo, proporcionando así lo que consideramos energía solar. Lea más acerca de la energía fotovoltaica en nuestro artículo principal sobre células solares .
Fotoemisivo
Las células fotoemisivas son la forma más antigua y más elaborada de convertir la luz en electricidad.
Son tubos de vacío de vidrio sellados (del cual se ha eliminado completamente el aire), dentro del cual hay una placa de metal grande que sirve como terminal negativa (o cátodo) con un terminal de barra (o ánodo) más pequeño y con carga positiva. corriendo dentro de ella.
El terminal negativo está hecho de un material sensible a la luz. Cuando los fotones ligeros caen sobre él, obligan a los electrones a saltar y se los atrae rápidamente al terminal positivo, que los recoge y los canaliza en un circuito, produciendo energía eléctrica.
Este diseño básico se llama célula o fototubo fotoemisivo . En un diseño ligeramente diferente llamado fotomultiplicador, hay toda una serie de placas dispuestas de manera que un fotón entrante libera múltiples electrones, lo que amplifica de manera efectiva una señal de luz entrante, por lo que produce una mayor respuesta eléctrica
¿Para qué se usan las células fotoeléctricas?
Los tres tipos de CÈLULAS FOTOELÈCTRICAS pueden detectar la luz o convertirla en electricidad, pero en la práctica tienen usos bastante diferentes.
Productores de energía
Al igual que las plantas de energía en miniatura , las células fotovoltaicas están diseñadas para producir suministros estables de energía eléctrica útil. Desde pequeñas células solares en calculadoras electrónicas hasta techos completamente fotovoltaicos, su trabajo es esencialmente producir un suministro constante de electricidad que podamos usar para alimentar los aparatos eléctricos o almacenar en baterías para más adelante.
Detectores de luz
Las células fotoconductoras tales como las resistencias dependientes de la luz son más propensas a ser usadas como detectores de luz en cosas tales como grifos automáticos para lavabos, alarmas contra intrusos , puertas que se abren automáticamente, detectores de humo, detectores de monóxido de carbono, y así.
Por lo general, tienen un rayo de luz infrarroja que brilla permanentemente en una resistencia dependiente de la luz y produce una corriente eléctrica constante.
Cuando te mueves frente al detector, rompes el rayo y dejas que la luz llegue a la resistencia, por lo que su resistencia cambia y de repente produce mucha menos corriente.
Un circuito electrónico detecta el cambio en la corriente y desencadena cualquier acción que el circuito esté diseñado para tomar: encender un grifo, abrir una puerta, hacer sonar una alarma o lo que sea.
Las células fotoconductoras también se usan como detectores de luz en las cámaras y para leer y decodificar las bandas sonoras de carretes de películas antiguas. El sensor de imagen CCD o CMOS que captura una foto en su cámara digital o teléfono inteligente es una versión más sofisticada de la misma idea.
Amplificadores de luz
Los fototubos se usaron originalmente como detectores de luz también, pero son relativamente engorrosos, elaborados y costosos; Los componentes electrónicos más pequeños y más baratos, como los LDR, ahora se usan más ampliamente como detectores de luz. Los fotomultiplicadores todavía se usan en aplicaciones científicas, como la detección de radiación de diferentes tipos, y en aparatos como gafas de visión nocturna , donde intensifican la tenue lu
