EFECTO FOTOELECTRICO

¿Qué es el Efecto Fotoelectrico?

El efecto fotoeléctrico es la expulsión o emisión de electrones de los átomos de un metal cuando sobre el metal incide una luz (radiación electromagnética), liberándolos de la atracción de su átomo.

Los materiales que al absorber la radiación electromagnética de la luz emiten electrones se les llama "fotoemisores" y son todo metales.

Si recordamos que la corriente eléctrica es simplemente un movimiento de electrones, el efecto fotoeléctrico puede ser una forma de generar corriente eléctrica, ya que la luz mueve electrones, pero eso lo veremos más adelante.

De hecho la palabra fotoeléctrico viene de Foto = Luz y del adjetivo "eléctrico".



Realmente las partículas que liberan a los electrones son los fotones.

Los fotones son unas partículas sin masa pero con energía que forman parte de la luz.

En realidad la luz se compone de infinidad de partículas muy pequeñas, sin masa pero con energía, denominadas “fotones”.

Cuando estos fotones llegan al metal por medio de la luz, al incidir sobre un electrón del átomo del metal, si el fotón tiene suficiente energía, esta energía se la cede al electrón y lo libera de su última capa, es decir lo libera de la atracción del átomo, quedando libre por el metal o expulsándolo fuera de el.



Los electrones más cercanos al núcleo están muy unidos a él y tienen poca energía.

¡Los más externos son las que tienen más energía, pero los que resulta más fácil hacerles abandonar el átomo, porque precisamente son los más alejados y menos unidos al núcleo.

Estos electrones son los que expulsan o liberan los fotones al llegar al metal y se llaman "electrones de valencia" porque son los que pueden formar enlaces con otros átomos cercanos.

Realmente los electrones de valencia de un átomo de un metal están siempre unidos a otros electrones de otro átomo cercano del metal mediante lo que se conoce como enlace covalente.

Si un fotón expulsa un electrón de un átomo, también rompe ese enlace covalente que tenía, dejando un hueco en el enlace.

Esto es lo que se conoce como par electrón-hueco. Siempre que se libera un electrón, se deja un hueco en el átomo.

En la siguiente imagen puedes ver el caso del silicio:



Los electrones y huecos que se generan al iluminar el material se mueven por su interior de forma aleatoria, cada vez que un electrón encuentra un hueco, lo ocupa y libera la energía adquirida anteriormente por el fotón (calor).

Esto se llama recombinación de un par electrón-hueco.

Llamamos energía de enlace de un material a la energía mínima para romper un enlace y generar un par electrón-hueco.

Para cada tipo de material esta energía es constante y siempre la misma.

Por ejemplo, en caso del Silicio esta energía mínima es de 1,12eV (electrón voltio).

Recuerda: un eV es la energía (cinética, movimiento) que adquiere un electrón cuando atraviesa un potencial de 1V.

La energía de un fotón depende de la longitud de onda de la onda de la luz a la que pertenece.

Como la luz puede tener diferentes longitudes de onda, podemos encontrarnos con fotones con diferentes energías.

Si la energía del fotón es inferior a la energía de enlace del material, lo atraviesa pero sin producir ningún efecto, es decir no será capaz de liberar ningún electrón.

Por ejemplo en el caso del Silicio, los fotones con longitudes de onda superiores a 1.100nm (nanómetros), tienen una energía inferior a 1,2eV y no pueden producir pares electrón-hueco.

Las diferentes energías de los fotones corresponden a las diferentes longitudes de onda que componen lo que se conoce como el "espectro electromagnético solar" o "espectro de la luz".



Como puedes ver en la gráfica de arriba, las luces que tienen entre 400 y 700nm de longitud de onda son luces visibles, el resto no son visibles por el ojo humano, como por ejemplo la infrarroja o la ultravioleta, pero eso no significa que no tengan energía.

Además puedes apreciar como la energía de la onda (de los fotones) es mayor para ondas con longitudes de onda más pequeñas.

Si sabemos que la frecuencia de la onda es inversamente proporcional a la longitud de onda, también podríamos deducir que a mayor frecuencia de la onda, mayor energía.

El color de la luz también es una propiedad de la luz.

La investigación del impacto fotoeléctrico provocó avances importantes en la comprensión de la forma cuántica de la luz y de los electrones y afectó el desarrollo de la idea de la dualidad onda-partícula (una onda formada por partículas, los fotones) para explicar la energía luminosa.

Efecto Fotovoltaico

Una de las principales aplicaciones del efecto fotoeléctrico es el efecto fotovoltaico, de hecho muchas veces la gente habla de uno u otro como si fueran lo mismo, pero realmente no lo son.

Podemos decir que el efecto fotovoltaico es un proceso del efecto fotoeléctrico, es cuando gracias al efecto fotoeléctrico conseguimos generar corriente eléctrica, por ejemplo en una celda solar o en los paneles solares.



El efecto fotoeléctrico produce electrones libres (cargas) y el efecto fotovoltaico produce corriente eléctrica gracias a esos electrones libres liberados mediante el efecto o proceso fotoeléctrico.

Los elementos para producir el efecto fotovoltaico son las placas o celdas solares que son semiconductores P y N unidos (unión PN).

Si quieres saber más sobre esto sigue el enlace anterior donde pone paneles solares.

Aplicaciones del Efecto Fotoeléctrico

Además de la fotovoltaica ya explicada, el efecto fotoeléctrico se utiliza en una gran cantidad de dispositivos, incluyendo fotocopiadoras, medidores de luz e incluso componentes electrónicos como fotodiodos, fototransistores, optoacopladores, .

La otra aplicación fabulosa para el efecto fotoeléctrico son los centelladores o detectores de radiación.

Un centellador es un dispositivo que emitirá luz cuando detecta radiación de una fuente de luz en el laboratorio o de una fuente cósmica (del espacio).

Si quieres aprender todos los componentes de una instalación fotovoltaica, su cálculo y diseño te recomendamos el siguiente fantástico libro:

Libro Instalaciones Fotovoltaicas

Escrito y Publicado por: Ernesto Rodriguez; Profesor del CIFP Tecnológico Industrial de León (España). Correo: areatecnologia arroba areatecnologia.com

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