Efecto-Fotoelectrico-experimento

7/21/2019 Efecto-Fotoelectrico-experimento

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INGENIERIA ELECTRONICA

2015

EFECTO

FOTOELECTRICO

Mg. Tello Rodríguez Enrique

ALUMNO!

"ern#l $u#%#n#%&"r#%#n' (i)*.

"r#+o Rio'&Eli#quin.

E',inoz# Ar#nd#& Enzo Ro(#rio. ull-#r#% ozo& Gi#n(#r-o'.

T#r#zon# o)o&Ald#ir

CICLO! I/

EFECTO FOTOELECTRICO FISICAMODERNA / IV CICLO|



INTRODUCCIÓNEl efecto fotoeléctrico fue descubierto por Hertz en 1887, cuando observó queuna descarga eléctrica entre dos electrodos se produce más fácilmente si sobreuno de ellos incide luz ultravioleta. oco después se descubrió que la luzultravioleta facilita la descarga porque provoca la emisión de electrones desdela superficie del cátodo. En 1!"# Einstein e$plicó que cuando un fotón de luzmonocromática %con energ&a h) incide sobre un cátodo de material fotosensiblepuede ser completamente absorbido por un electrón, ganando suficienteenerg&a cinética como para escapar del material ' que ésta depende de lalongitud de onda de la luz incidente ' del tipo de material del cátodo. (edenomina a este fenómeno emisión fotoeléctrica, ' los electrones emitidos sonllamados fotoelectrones.

El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de laradiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. (uscaracter&sticas esenciales son)

• ara cada sustancia *a' una frecuencia m&nima o umbral de la radiación

electromagnética por deba+o de la cual no se producen fotoelectronespor más intensa que sea la radiación.

• a emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de

la radiación que incide sobre la superficie del metal, 'a que *a' más

energ&a disponible para liberar electrones.

En los metales *a' electrones que se mueven más o menos libremente através de la red cristalina, estos electrones no escapan del metal atemperaturas normales por que no tienen energ&a suficiente. -alentando elmetal es una manera de aumentar su energ&a. os electrones evaporados sedenominan termo electrones, este es el tipo de emisión que *a' en las válvulaselectrónicas. /amos a ver que también se pueden liberar electrones%fotoelectrones0 mediante la absorción por el metal de la energ&a de radiaciónelectromagnética.




EFECTO FOTOELECTRICO

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un

material cuando se hace incidir sobre él una radiación

electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se

incluyen en el término otros 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.

Efecto fotovoltaico: Transformación parcial de la energía lumínica 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.

Se podría decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X,

ya que el efecto fotoeléctrico indica que los fotones pueden transferir

energía a los electrones. Los rayos X (no se sabía la naturaleza de su

radiación, de ahí la incógnita "X") son la transformación en un fotón

de toda o parte de la energía cinética de un electrón en movimiento.

Esto se descubrió casualmente antes de que se dieran a conocer los

trabajos de Planck y Einstein (aunque no se comprendió entonces).




Explicación

Los fotones del rayo de luz tienen una energía característica

determinada por la frecuencia de la luz. En el proceso de

fotoemisión, si un electrón absorbe la energía de un fotón y éste

último tiene más energía que la función de trabajo, el electrón esarrancado del material. Si la energía del fotón es demasiado baja, el

electrón no puede escapar de la superficie del material.

Aumentar la intensidad del haz no cambia la energía de los fotones

constituyentes, solo cambia el número de fotones. En consecuencia,

la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de

la luz, sino de la energía de los fotones.

Los electrones pueden absorber energía de los fotones cuando son

irradiados, pero siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la

energía de un fotón debe ser absorbida y utilizada para liberar un

electrón de un enlace atómico, o si no la energía es re-emitida. Si la

energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón del átomo

y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como una

partícula libre.




abandonaba el metal, y a la frecuencia de la misma, que era

proporcional a la energía que impulsaba a dichas partículas.

Leyes de la emisión fotoeléctrica

Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dado, la

cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente

proporcional a la intensidad de luz incidente.

Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de

radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón

puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de

corte, también conocida como "Frecuencia Umbral".

Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética

máxima del fotoelectrón emitido es independiente de laintensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia

de la luz incidente.

La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente,

independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este

hecho se contrapone a la teoría Clásica:la Física Clásica

esperaría que existiese un cierto retraso entre la absorción de

energía y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo.Formulación matemática

Para analizar el efecto fotoeléctrico cuantitativamente utilizando el

método derivado por Einstein es necesario plantear las siguientes

ecuaciones:

Energía de un fotón absorbido = Energía necesaria para liberar 1

electrón + energía cinética del electrón emitido.Algebraicamente:

,hƒ=hƒo+1

2mν 2

←

que puede también escribirse como

hf = ϕ + E❑

K




donde h es la constante de Planck, f0 es la frecuencia de corte o

frecuencia mínima de los fotones para que tenga lugar el efecto

fotoeléctrico, Φ es la función de trabajo, o mínima energía necesaria

para llevar un electrón del nivel de Fermi al exterior del material y

Ek es la máxima energía cinética de los electrones que se observa

experimentalmente.

Nota: Si la energía del fotón (hf) no es mayor que la función de

trabajo (Φ), ningún electrón será emitido. Si los fotones de la

radiación que inciden sobre el metal tienen una menor energía que

la de función de trabajo, los electrones del material no obtienen

suficiente energía como para emitirse de la superficie metálica.

En algunos materiales esta ecuación describe el comportamiento delefecto fotoeléctrico de manera tan sólo aproximada. Esto es así

porque el estado de las superficies no es perfecto (contaminación no

uniforme de la superficie externa).

Historia

Heinrich Hertz

Las primeras observaciones del efecto fotoeléctrico fueron llevadas acabo 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. Para observar

mejor la chispa Hertz encerró su receptor en una caja negra. Sin

embargo la longitud máxima de la chispa se reducía en este caso

comparada con las observaciones de chispas anteriores. En efecto laabsorción de luz ultravioleta facilitaba el salto de los electrones y la

intensidad de la chispa eléctrica producida en el receptor. Hertz

publicó un artículo con sus resultados sin intentar explicar el

fenómeno observado.

Joseph John Thomson

En 1897, 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 unEFECTO FOTOELECTRICO FISICAMODERNA / IV CICLO|



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 frecuenciavariable 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 mayorfrecuencia producía la emisión de partículas con mayor energía

cinética.

Philipp Lenard

En 1902 Philipp 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.

Los experimentos de Lenard arrojaban datos únicamente

cualitativos dadas las dificultades del equipo instrumental con el

cual trabajaba.

Cuantos de luz de Einstein

En 1905, el mismo año que descubrió su teoría de la relatividad

especial, 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 podíaEFECTO FOTOELECTRICO FISICAMODERNA / IV CICLO|



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 loselectrones escapaban del material aumentaba linealmente con la

frecuencia de la luz incidente. Sorprendentemente este aspecto no

había sido observado en experiencias anteriores sobre el efecto

fotoeléctrico. La demostración experimental de este aspecto fue

llevada a cabo en 1915 por el físico estadounidense Robert Andrews

Millikan.

Dualidad onda-corpúsculo

El efecto fotoeléctrico fue uno de los primeros efectos físicos que

puso de manifiesto la dualidad onda-corpúsculo característica de la

mecánica cuántica. La luz se comporta como ondas pudiendo

producir interferencias y difracción como en el experimento de la

doble rendija de Thomas Young, pero intercambia energía de formadiscreta en paquetes de energía, fotones, cuya energía depende de la

frecuencia de la radiación electromagnética. Las ideas clásicas sobre

la absorción de radiación electromagnética por un electrón sugerían

que la energía es absorbida de manera continua.

Efecto fotoeléctrico en la actualidad

El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía solar

fotovoltaica. Este principio se utiliza también para la fabricación de

células utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las

grandes centrales termoeléctricas, así como para los sensores

utilizados en las cámaras digitales. 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 corrienteseléctricas 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.

CESIO

os *ec*os

.ara una longitud de onda de """ 23 sele aplico una diferenciade potencial de 1.415 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".




.ara una longitud de onda de #"" 23 sele aplico unadiferencia de potencial de 1.55 / , para 6e el amper&metro 'a nomarque un valor diferente de ".

.ara una longitud de onda de """ 23 sele aplico una diferenciade potencial de 4.4#4 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".




.ara una longitud de onda de 4#"" 23 sele aplico unadiferencia de potencial de ."8 / , para 6e el amper&metro 'a nomarque un valor diferente de ".

.ara una longitud de onda de 4""" 23 sele aplico una diferenciade potencial de .44 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".




.uego de obtener los datos se presiono Enviar para que en el 2pplets se grafique la relación lineal que e$iste entre el volta+e ' la

frecuencia ' además esto permite *allar la constante de plan6 ' lafunción de traba+o de dic*o material%celsio0.

POTASIO

.ara una longitud de onda de """ 23 sele aplico una diferenciade potencial de 1.1"5 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".




.ara una longitud de onda de #"" 23 sele aplico una diferenciade potencial de 1.## / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".

.ara una longitud de onda de """ 23 sele aplico una diferencia

de potencial de 4.14 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".




.ara una longitud de onda de 4#"" 23 sele aplico unadiferencia de potencial de 4.!7 / , para 6e el amper&metro 'a nomarque un valor diferente de ".

.ara una longitud de onda de 4""" 23 sele aplico una diferenciade potencial de .41 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".




.uego de obtener los datos se presiono Enviar para que en el 2pplets se grafique la relación lineal que e$iste entre el volta+e ' lafrecuencia ' además esto permite *allar la constante de plan6 ' lafunción de traba+o de dic*o material%potasio0.

ANTIMONIO

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ara una longitud de ondade #"" 23 sele aplico unadiferencia de potencial de1.4 / , para 6e elamper&metro 'a no marqueun valor diferente de ".

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.ara una longitud de onda de 4#"" 23 sele aplico una diferenciade potencial de 4.54 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".




.ara una longitud de onda de 4""" 23 sele aplico unadiferencia de potencial de .854 / , para 6e el amper&metro 'a nomarque un valor diferente de ".

.uego de obtener los datos se presiono Enviar para que en el 2pplets se grafique la relación lineal que e$iste entre el volta+e ' lafrecuencia ' además esto permite *allar la constante de plan6 ' lafunción de traba+o de dic*o material%antimonio+0.




CALCIO

.ara una longitud de onda de #"" 23 sele aplico una diferenciade potencial de 1.55 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".


.ara una longitud de onda de #"" 23 sele aplico una diferencia






.ara una longitud de onda de #"" 23 sele aplico una diferencia





.uego de obtener los datos se presiono Enviar para que en el 2pplets se grafique la relación lineal que e$iste entre el volta+e ' lafrecuencia ' además esto permite *allar la constante de plan6 ' lafunción de traba+o de dic*o material%calcio0.

TORIO

.En este caso a una longitud de onda de """ 23 aunque se le

aplique una diferencia de potencial de " / , aun asi no se consegui

liberar los electrones del material.




.ara una longitud de onda de #"" 23 sele aplico una diferenciade potencial de ".1# / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".

.ara una longitud de onda de """ 23 sele aplico unadiferencia de potencial de ".74 / , para 6e el amper&metro 'a nomarque un valor diferente de ".

.ara una longitud de onda de 4#"" 23 sele aplico una diferenciade potencial de 1.#7" / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".




.ara una longitud de onda de 4""" 23 sele aplico una diferenciade potencial de 4.814 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".

.ara una longitud de onda de 1#"" 23 sele aplico una diferenciade potencial de .884 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".

.uego de obtener los datos se presiono Enviar para que en el 2pplets se grafique la relación lineal que e$iste entre el volta+e ' la




frecuencia ' además esto permite *allar la constante de plan6 ' lafunción de traba+o de dic*o material%torio0.

ALUMINIO

.En este caso a una longitud de onda de """ 23 aunque se leaplique una diferencia de potencial de " / , aun asi no se consegui


.En este caso a una longitud de onda de #"" 23 aunque se le

aplique una diferencia de potencial de " / , aun asi no se consigue





.ara una longitud de onda de """ 23 sele aplico una diferenciade potencial de "."4 / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".

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.ara una longitud de onda de 4""" 23 sele aplico una

diferencia de potencial de 4.74 / , para 6e el amper&metro 'a nomarque un valor diferente de ".




.ara una longitud de onda de 1#"" 23 sele aplico una diferenciade potencial de .# / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".

.ara una longitud de onda de 1""" 23 sele aplico una diferenciade potencial de 8.58# / , para 6e el amper&metro 'a no marque unvalor diferente de ".




.uego de obtener los datos se presiono Enviar para que en el 2pplets se grafique la relación lineal que e$iste entre el volta+e ' lafrecuencia ' además esto permite *allar la constante de plan6 ' lafunción de traba+o de dic*o material%aluminio0.

Trabajode Exe!EFECTO FOTOELECTRICO FISICAMODERNA / IV CICLO|

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#RAFICAS REALISADOS EN LO#ER PRO

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#RAFICO DE DATOS REALISADOS EN LAPR,CTICA

DEL LA-ORATORIO




CONCLUSIONESEFECTO FOTOELECTRICO FISICAMODERNA / IV CICLO|



En este traba+o se estimó con el valor de la constante de lanc6. (i bien elresultado obtenido es del orden de magnitud correcto, no coincide con elvalor tabulado. 9na me+ora que se podr&a *acer a esta e$periencia ser&aconseguir una fuente luminosa de intensidad constante en un rango defrecuencias coincidente con el del monocromador ' de esta manera se

podr&a graficar la corriente %proporcional a la intensidad de la fuenteluminosa0 en función de la frecuencia ' se deber&a ver que a partir de unafrecuencia empieza a circular una corriente. Esa frecuencia m&nima cumplecon mín hn =f . Esto permitir&a verificar si los resultados obtenidos sonco*erentes entre s&.

a importancia de este fenómeno muc*as veces no sabes que e$iste porqueno lo entendemos de la forma adecuada. El efecto fotoeléctrico es la base dela producción de energ&a eléctrica por radiación solar ' del aprovec*amientoenergético de la energ&a solar. El efecto fotoeléctrico se utiliza también parala fabricación de células utilizadas en los detectores de llama de las calderas

de las grandes centrales termoeléctricas.

Este efecto es también el principio de funcionamiento de los sensoresutilizados en las cámaras digitales. :ambién se utiliza endiodos fotosensibles tales como los que se utilizan enlas células fotovoltaicas ' en electroscopios. En la actualidad los materialesfotosensibles más utilizados son, aparte de los derivados del cobre %a*ora enmenor uso0, el silicio, que produce corrientes eléctricas ma'ores.

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