Efecto fotoeléctrico. Experimento de Millikan

Robert Millikan fue uno de los científicos más famosos de su época. Ganó el premio Nobel de física en 1923 por la medición de la carga del electrón y por el trabajo experimental que confirmó la teoría de Einstein de que la luz estaba constituida por partículas.

Einstein, en 1905 publicó un artículo, en el que afirmaba que la única manera de explicar cómo la luz cede energía a los electrones es asumiendo que la luz está hecha de partículas, de forma análoga a la corriente eléctrica.
Einstein encontró que la energía de una partícula de luz es igual a su frecuencia multiplicada por una constante, h, que terminó llamándose constante de Planck.

Ef = h.f

Los científicos llevaban 50 años convencidos de que la luz era una onda, y Millikan era uno de ellos. Por lo que se dispuso a demostrar que la teoría de Einstein era errónea.
Millikan en aquella epoca ya tenía una reputación de gran experimentador, tras haber sido capaz de medir la carga del electrón, demostrando así que los electrones eran realmente entes físicos con propiedades consistentes. Pero sólo porque aceptase que los electrones eran partículas no significaba que creyese que la luz podía ser algo parecido.

 

En la imagen anterior podemos observar una célula fotoelécctrica. Una célula fotoeléctrica esta formada por dos superficies metálicas A (ánodo) y C (cátodo) contenidas en un recipiente de vidrio en el que se ha hecho el vacío, y se hace incidir un haz de luz monocromática. Se genera una corriente fotoeléctrica que se se medirá con un amperímetro.

El potencial existente entre A y C es  la diferencia de potencial aplicada desde el exterior de forma controlada (pudiendo ser positiva o negativa).

Si se representa la Intensidad de corriente fotoeléctrica  que mide el amperímetro en función del potencial V para dos valores de intensidad luminosa incidente se obtiene:

Cuando la diferencia de potencial entre A y C es positiva se alcanza un valor de saturación Ic. Todos los electrones que abandonan C, por pequeña que sea su energía cinética, son recogidos por A.

Cuando el potencial (V) empieza a tomar valores negativos la corriente no se anula de forma brusca como sucedería si los fotoelectrones se desprendieran del metal con energía cinética nula. En este caso, la energía cinética que han adquirido gracias a la luz incidente les permite avanzar venciendo la fuerza repulsiva generada por el potencial V hasta un valor V0 a partir del cual Ic = 0 y ningún electrón consigue llegar a A. Este valor, se conoce como potencial de frenado (Vo) y es independiente de la intensidad de la radiación incidente.

e|V0| = Ec max

donde Ec max es la energía cinética de los electrones más rápidos que serán los únicos que dispondrán de energía suficiente para llegar.

Explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico.

Einstein consideraba que el efecto fotoeléctrico se produce cuando sobre la superficie metálica que hace de electrodo incide un número finito de cuantos de luz de energía hf que interaccionan con los electrones del cátodo. Cada cuanto de luz o fotón es absorbido por un único electrón al que le transfiere toda su energía. Los electrones excitados pierden parte de esta energía en el trabajo de extracción (Wext) que deben realizar para escapar de las fuerzas que les mantienen ligados al metal.

Los fotoelectrones con mayor energía cinética son los que se encuentran en la superficie metálica y no pierden energía en desplazamientos interiores. Si uno de esos fotoelectrones absorbe un fotón de energía hf, su energía cinética podrá expresarse de la forma:

Ec max = hf – Wext

donde Ec max no depende de la intensidad incidente puesto que cada electrón interactúa con un único cuanto de luz o fotón.

El experimento de Millikan medía la energía de los electrones que eran emitidos por una placa sobre la que incidía un rayo de luz.

e|V0| = Ec max = hf – Wext

Millikan intentaba demostrar que la teoria de Einstein era incorrecta, ja que estaba a favor de la teoria ondulatoria de la luz. Sin embargo, para su sorpresa, los resultados parecían confirmar la teoría de Einstein de la naturaleza corpuscular de la luz. No sólo eso, el experimento permitió la determinación más precisa hasta la fecha del valor de la constante de Planck.
Décadas más tarde, cuando Millikan describía su trabajo, todavía asomaba un punto de frustración: “Empleé diez años de mi vida comprobando la teoría de Einstein de 1905 y, en contra de todas mis expectativas, me vi forzado a afirmar su verificación sin ambages a pesar de lo irrazonable que era”.

Células fotoeléctricas

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.

Una celula fotoelectrica esta formada por dos superficies metálicas A (ánodo) y C (cátodo) contenidas en un recipiente de vidrio en el que se ha hecho el vacío, un haz de luz monocromática. La corriente fotoeléctrica se medirá con un amperímetro.

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.

 Hay tres tipos de células fotoeléctricas.

1.- FOTOTUBOS

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 alcalinoterreo. 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 de las películas.

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.

Las bandas sonoras suelen estar al borde de la película.

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.

2.- FOTOCELDAS.

La célula fotoconductora es una fotoresistencia construida con un material muy sensible a la luz , cuyo valor en ohmios varia ante las variaciones de luz incidente.

Las células 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 lampara 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.

Este mecanismo recibe el nombre de relé. (Interruptor controlado por un electroimán que permite abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes). 

Su funcionamiento se basa en el fenómeno electromagnético. Cuando la corriente atraviesa la bobina, produce un campo magnético que magnetiza un núcleo de hierro dulce (ferrita). Este atrae al inducido que fuerza a los contactos a tocarse. Cuando la corriente se desconecta vuelven a separarse.

 

El valor de la resistencia tiene cierto retardo si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro, el tiempo de respuesta es de una décima de segundo.

3.- CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

Célula fotovoltaica también llamada célula fotoeléctrica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el efecto fotoeléctrico,

La célula solar es un dispositivo semiconductor capaz de convertir los fotones procedentes del Sol en electricidad de una forma directa e inmediata.

Cuando la luz solar pega sobre estos paneles, tiene la energía y el espectro luminoso necesario para alterar el estado de equilibrio entre los diodos y se genera un exceso de cargas libres, las que pueden sostener una corriente, si se cierra el circuito externo.

 

Estas células están hechas con un material semiconductor como  germanio o principalmente el silicio, y están agrupadas en serie  formando un panel fotovoltaico. Los semiconductores del tipo N están formados por átomos de material semiconductor, Silicio o Germanio, al que se le añade impurezas con átomos de otro material con 5 electrones de valencia. Como los átomos del material semiconductor tienen 4 electrones de valencia y los átomos de la impurezas 5, se pueden formar 4 enlaces covalentes y  sobrará un electrón por cada átomo de impureza que quedará libre. Este electrón libre será el portador de electricidad. En los semiconductores del tipo N los electrones son los portadores de electricidad. Portadores mayoritarios = electrones.
Los semiconductores extrínsecos del tipo P son material semiconductor a los que se les añade átomos de impurezas con 3 electrones de valencia. En este caso cada átomo del material semiconductor solo podrá formar 3 enlaces con los átomos de impurezas. Los átomos semiconductores tienen un hueco esperando a que llegue un electrón para formar el enlace que le faltará. En este tipo de semiconductores los huecos serán los portadores para la conducción. Portadores mayoritarios = huecos.

Proprocionan una corriente continua de unos 12 V o 24 V que luego se transforma en corriente alterna si lo deseamos.

Las células solares tienen muchas aplicaciones. Son particularmente interesantes, y han sido históricamente utilizadas, para producir electricidad en lugares donde no llega la red de distribución eléctrica, tanto en áreas remotas de la Tierra como del espacio, haciendo posible el funcionamiento de todo tipo de dispositivos eléctricos como satélites de comunicaciones, radioteléfonos o bombas de succión de agua. Ensambladas en paneles o módulos y dispuestas sobre los tejados de las casas, por medio de un inversor, pueden inyectar la electricidad generada en la red de distribución para el consumo, favoreciendo la producción global de energía primaria de un país, de manera limpia y sostenible.