Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología

Universidad Nacional de Tucumán – Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología
Departamento de Física
Proyecto de Investigación
Célula Fotoeléctrica
Cátedra de Física Experimental II
Asignatura: Física III
Año: 2008 A
Autores
Scaraffia Rocío Josefina (Ingeniería Industrial)
Veleizán Rosa Florencia (Ingeniería Industrial)
Villarruel Luciana Constanza (Ingeniería Química)
Célula Fotoeléctrica
Objetivos:
• Estudiar el Fenómeno Fotoeléctrico
• Construcción de una célula fotosensible o célula fotoeléctrica
Un Poco de Historia
Las primeras observaciones del efecto fotoeléctrico fueron llevadas a cabo por Heinrich Hertz en 1887 en
sus experimentos sobre la producción y recepción de ondas electromagnéticas. Su receptor consistía en una bobina
en la que se podía producir una chispa como producto de la recepción de ondas electromagnéticas.
En 1889, el físico británico Joseph John Thomson investigaba los rayos catódicos. Influenciado por los
trabajos de James Clerk Maxwell, Thomson dedujo que los rayos catódicos consistían de un flujo de partículas
cargadas negativamente a los que llamó corpúsculos y ahora conocemos como electrones.
Thomson utilizaba una placa metálica encerrada en un tubo de vacío como cátodo exponiendo este a luz de
diferente longitud de onda. Thomson pensaba que el campo electromagnético de frecuencia variable producía
resonancias con el campo eléctrico atómico y que si estas alcanzaban una amplitud suficiente podía producirse la
emisión de un "corpúsculo" subatómico de carga eléctrica y por lo tanto el paso de la corriente eléctrica.
La intensidad de esta corriente eléctrica variaba con la intensidad de la luz. Incrementos mayores de la
intensidad de la luz producían incrementos mayores de la corriente. La radiación de mayor frecuencia producía la
emisión de partículas con mayor energía cinética.
En 1902, Philipp von Lenard realizó observaciones del efecto fotoeléctrico en las que se ponía de
manifiesto la variación de energía de los electrones con la frecuencia de la luz incidente.
La energía cinética de los electrones podía medirse a partir de la diferencia de potencial necesaria para
frenarlos en un tubo de rayos catódicos. La radiación ultravioleta requería por ejemplo potenciales de frenado
mayores que la radiación de mayor longitud de onda.
En 1905 Albert Einstein propuso una descripción matemática de este fenómeno que parecía funcionar
correctamente y en la que la emisión de electrones era producida por la absorción de cuantos de luz que más tarde
serían llamados fotones. En un artículo titulado "Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de
la luz" mostró como la idea de partículas discretas de luz podía explicar el efecto fotoeléctrico y la presencia de una
frecuencia característica para cada material por debajo de la cual no se producía ningún efecto. Por esta explicación
del efecto fotoeléctrico Einstein recibiría el Premio Nobel de Física en 1921.
El trabajo de Einstein predecía que la energía con la que los electrones escapaban del material aumentaba
linealmente con la frecuencia de la luz incidente. La demostración experimental de este aspecto fue llevada a cabo
en 1915 por el físico estadounidense Robert Andrews Millikan quien determinó la constante de Plank midiendo la
frecuencia de la luz y la energía de los electrones liberados por el efecto fotoeléctrico.
Célula Fotoeléctrica
Una célula fotoeléctrica, también llamada célula, fotocélula o celda fotovoltaica, es un dispositivo
electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el
efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se lo ilumina con radiación
electromagnética.
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.
Formulación Matemática
Para analizar el efecto fotoeléctrico cuantitativamente es necesario plantear las siguientes ecuaciones:
Energía de una fotón absorbido=energía para liberar un electrón +energía cinética del electrón emitido.
hf = hf° + ½ m v2
donde
h es la constante de planck, f° es la frecuencia mínima de los fotones ´para que tenga lugar el efecto
fotoeléctrico.
Si la energía del fotón
hf es menor que hf° , ningún electrón será emitido.
Experimentación
Materiales:
• Láminas de cobre
• Dos cables con
terminaciones de clip
• Bombilla del menor
tamaño posible
• Hornillo
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Recipiente
Agua y sal
Papel de lija
Tijeras para metal
Multímetro
Linterna
• Caja negra
Procedimiento:
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Lavarse las manos para evitar que trocitos de grasa se depositen sobre el cobre. Lavar el cobre para
eliminar posibles rastros de suciedad adheridos a su superficie.
Lijar cualquier rastro de corrosión o suciedad que haya resistido el lavado anterior. Es muy importante que
el cobre se mantenga lo más puro posible.
Depositar una de las láminas limpias sobre el hornillo. La segunda lámina no será necesaria hasta más
adelante.
Observar como a medida que el cobre se calienta aparecen sobre su superficie manchas rojas, naranjas y
púrpuras. A continuación la superficie del cobre empieza a oscurecerse formando una capa negra. Cuando
ello suceda observar un reloj y dejar que el proceso continúe durante media hora, tiempo durante el cual la
capa negra irá aumentando su espesor.
Pasada la media hora apagar el hornillo y dejar que la lámina se enfríe durante unos 20 minutos. No retirar
en este tiempo la lámina del hornillo, ya que así el proceso de enfriamiento será más lento, y es eso
precisamente lo que necesitamos.
Se verá que mientras el cobre se enfría los trozos negros se van descascarillando. Dejar que se
desprendan solos, y cuando la lámina esté a temperatura ambiente pásarla por debajo de un grifo para que
el resto de costras negras salten. Hacerlo con suavidad. Si se frota con fuerza o dobla la lámina puede
perder sus propiedades, es preferible que algunos restos queden adheridos en caso de que se resistan a
ser retirados.
Doblar ligeramente ambas láminas de cobre y colocarlas en el interior del recipiente, una enfrente de la otra
y sin tocarse. En el caso de la lámina que hemos calentado en el hornillo, situar la capa que había estado
hacia arriba mirando al exterior.
Agarrar el clip de uno de los cables a la parte superior de una de las láminas, y el del otro cable a la otra
lámina.
Disolver tres cucharadas de sal en el agua y llenar el vaso de modo que queden sin cubrir unos 3 cm de las
láminas de cobre. La solución nunca debe llegar a tocar los cables.
10. Unir los extremos libres de los cables a los terminales de la bombilla y observar que ésta ilumina más al
exponer nuestro ingenio al Sol que al encontrarse a oscuras.
¿Qué es lo que sucede?
Al someter una de las láminas al proceso de calentamiento el cobre ha empezado a reaccionar con el
oxígeno del aire formando el óxido cuproso de colores rojizos. Al continuar calentándola, no obstante, una nueva
reacción ha llevado a la formación de una costra negra, que no es más que óxido cúprico. ¿Por qué, entonces, no
nos hemos limitado a apagar el hornillo antes de que apareciera el producto no deseado? Por dos razones, la
primera es que así nos aseguramos que toda la lámina llegue a tener al menos una capa de óxido cuproso (la capa
rojiza). La segunda es que de este modo podemos conseguir que el óxido cúprico (la capa negra) sea más
fácilmente extraíble, ya que en caso contrario siempre tendríamos un pequeño poso difícil de extraer. La capa
gruesa no se adhiere tan firmemente y, al enfriarse se resquebraja, facilitando su eliminación.
Finalmente obtenemos una lámina de óxido cuproso, el cual no llega a ser ni un conductor eléctrico, como
era el cobre original, ni un aislante, sino algo entre medio conocido como semiconductor. En él, por lo tanto, los
electrones ni están totalmente libres, ni férreamente agarrados. Se da la circunstancia, además, de que la cantidad
de energía que necesitan para liberarse es justamente la que les proporciona la luz del Sol, razón por la cual el
material manifiesta el efecto fotoeléctrico.
El material logrado produce electricidad cuando le llega la luz. Así, lo que hemos construido, es un circuito
eléctrico por el que fluirán los electrones liberados del óxido cuproso. La solución de agua con sal es una vía rápida
para el transporte de electrones. Al ser liberados del óxido cuproso el exceso de carga negativa lleva a parte de ellos
a emigrar hacia lugares más cómodos eléctricamente pues estos dejan la lamina de oxido cuproso para llegar a la
del cobre, donde la carga se acumula temporalmente hasta seguir su camino por el cable hacia la bombilla o el
Multímetro..
En nuestro circuito circula una leve corriente eléctrica, lo que ocurre es que el ingenio construido es en
realidad una batería eléctrica donde la producción de electrones libres es reforzada por el efecto fotoeléctrico. En
nuestro caso, los electrones liberados por el óxido cuproso en la oscuridad proceden en realidad de partes del cobre
que no han reaccionado con el oxígeno del aire y que continúan siendo conductoras.
¿Qué dificultades tuvimos?
Cuando terminamos de armar el circuito y lo expusimos a luz, la bombilla no encendía. Esto sucede porque
la corriente que circula es muy pequeña, incapaz de encender un foco de 1,1 v.
Para averiguar qué valor de corriente y diferencia de tención circula por el circuito conectamos un multímetro con las
siguientes características:
-
Hewlett Packard, 3478 A
-
Tensión máxima que mide: 300v aprox
-
Corriente máxima que mide: 3ª
(expusimos y concluimos el proyecto en Laboratorio de Sólidos)
Finalmente descubrimos que efectivamente la intensidad de la corriente era mayor cuando lo exponíamos a la luz de
la linterna. Colocándolo en una caja cerrada, observamos que la corriente generada era menor, prácticamente nula.
Variando ciertas características en nuestro sistema, tal como la concentración de la solución salina, intensidad de la
luz y longitud de onda, sacamos las siguientes
conclusiones:
1.
Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la cantidad de foto electrones emitidos es
2.
Los fotones tienen una energía característica determinada por la longitud de onda de la luz. Si un electrón
directamente proporcional a la intensidad de luz incidente.
absorbe energía de un fotón y tiene mayor energía que la necesaria para salir entonces el electrón puede
ser extraído del metal. Si la energía del fotón es demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de
la superficie del metal. Los cambios en la intensidad de la luz no cambian la energía de sus fotones, tan
solo el numero de electrones que pueden escapar.
3.
El experimento permite demostrar el manifiesto de la dualidad onda-corpúsculo de la luz, vemos que la luz
intercambia energía de forma discreta en paquetes de energía, fotones.
Bibliografía utilizada
http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotoel%C3%A9ctrica
http://perso.wanadoo.es/chyryes/glosario/celfot.htm
http://cultura.terra.es/cac/articulo/html/cac1712.htmhttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctrico
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/teoria/apuntes/Efto_Fotoelectico.doc
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm