Efecto Fotoeléctrico

Efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico es el fenómeno en el que las partículas de luz

llamadas fotón, impactan con los electrones de un metal arrancando sus
átomos. El electrón se mueve durante el proceso, dado origen a una
corriente eléctrica. Este fenómeno es aprovechado en las plantas que
utilizan paneles solares, los cuales reciben la energía lumínica del sol
transformándola en electricidad.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en
1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a
Heinrich Hertz
alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz
ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad.
La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905
el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la
luz”, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del
trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews
Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de
Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era.
Albert Einstein
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 trabajo, el
electrón es arrancado 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 individuales.
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.
Einstein no se proponía estudiar las causas del efecto en el que los electrones de ciertos
metales, debido a una radiación luminosa, podían abandonar el metal con energía
cinética. Intentaba explicar el comportamiento de la radiación, que obedecía a la
intensidad de la radiación incidente, al conocerse la cantidad de electrones que
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 dados, 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 la intensidad 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 de la Física
Clásica que esperaría que existiese un cierto retraso entre la absorción de energía
y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo.
Efecto fotoeléctrico en la actualidad

El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar
y del aprovechamiento energético de la energía solar. El efecto fotoeléctrico se utiliza
también para la 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 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 corrientes eléctricas 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.
Radiación electromagnética
Radiación electromagnética, ondas producidas por la
oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las
ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos
y magnéticos. La radiación electromagnética se puede
ordenar en un espectro que se extiende desde ondas de
frecuencias muy elevadas (longitudes de onda
pequeñas) hasta frecuencias muy bajas (longitudes de
onda altas). La luz visible es sólo una pequeña parte del
espectro electromagnético. Por orden decreciente de
frecuencias (o creciente de longitudes de onda), el
espectro electromagnético está compuesto por rayos
gamma, rayos X duros y blandos, radiación ultravioleta,
luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de
radio.
Propiedades:
Las ondas electromagnéticas no
necesitan un medio material para
propagarse. Así, estas ondas pueden
atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde
el Sol y las estrellas.
Independientemente de su frecuencia
y longitud de onda, todas las ondas
electromagnéticas se desplazan en el
vacío a una velocidad c = 299.792
km/s. Todas las radiaciones del
espectro electromagnético presentan
las propiedades típicas del
movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van
desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda (λ) y la
frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión λ•f = c,
son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y
otras características.
Teoría:
El físico británico James Clerk Maxwell estableció la teoría de las ondas
electromagnéticas en una serie de artículos publicados en la década de
1860. Maxwell analizó matemáticamente la teoría de los campos
electromagnéticos y afirmó que la luz visible era una onda
electromagnética. Los físicos sabían desde principios del siglo XIX que la
luz se propaga como una onda transversal (una onda en la que las
vibraciones son perpendiculares a la dirección de avance del frente de
ondas). Sin embargo, suponían que las ondas de luz requerían algún
medio material para transmitirse, por lo que postulaban la existencia
de una sustancia difusa, llamada éter, que constituía el medio no
observable. La teoría de Maxwell hacía innecesaria esa suposición, pero
el concepto de éter no se abandonó inmediatamente, porque encajaba
con el concepto newtoniano de un marco absoluto de referencia James Maxwell
espaciotemporal. Un famoso experimento realizado por el físico
estadounidense Albert Abraham Michelson y el químico de la misma
nacionalidad Edward Williams Morley a finales del siglo XIX socavó el concepto del éter, y
fue muy importante en el desarrollo de la teoría de la relatividad. De este trabajo concluyó
que la velocidad de la radiación electromagnética en el vacío es una cantidad invariante,
que no depende de la velocidad de la fuente de radiación o del observador.

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