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Ejemplos de fotocélulas
Obra de arte: El efecto fotoeléctrico: Cuando los fotones de luz (izquierda) inciden en una lámina de metal, pasan su energía a los electrones (naranja) del metal, expulsando a algunos de ellos para producir una corriente eléctrica. Se podría pensar que una luz más brillante o más cercana (más intensa) eliminaría los electrones con más energía, pero no es así. La energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de su color (frecuencia): cuanto más alta es la frecuencia, más energía tienen los fotones y más pueden pasar a los electrones del metal. Los fotones de la luz violeta de mayor frecuencia tienen más energía que los fotones de la luz roja de menor frecuencia, por lo que tienen más probabilidades de hacer caer los electrones (y liberarlos con mayor energía). Los fotones necesitan una frecuencia umbral mínima (una cantidad mínima de energía) para liberar electrones y producir un efecto fotoeléctrico, conocido como función de trabajo. En el ejemplo mostrado aquí, los fotones violetas tienen suficiente energía para liberar electrones, pero los fotones rojos no.
Tipos de fotocélulas
Los sensores industriales son los ojos y los oídos de las nuevas fábricas, y los hay de todos los tamaños, formas y tecnologías. Las tecnologías más comunes son la inductiva, la capacitiva, la fotoeléctrica, la magnética y la ultrasónica. Cada tecnología tiene puntos fuertes y débiles únicos, por lo que los requisitos de la propia aplicación determinarán qué tecnología debe utilizarse. Este artículo se centra en los sensores fotoeléctricos y define qué son, sus ventajas y algunos modos básicos de funcionamiento.
Los sensores fotoeléctricos están presentes en la vida cotidiana. Ayudan a controlar con seguridad la apertura y el cierre de las puertas de los garajes, a abrir los grifos de los lavabos con un movimiento de la mano, a controlar los ascensores, a abrir las puertas del supermercado, a detectar el coche ganador en las carreras y a muchas otras cosas.
Un sensor fotoeléctrico es un dispositivo que detecta un cambio en la intensidad de la luz. Normalmente, esto significa la no detección o la detección de la fuente de luz emitida por el sensor. El tipo de luz y el método por el que se detecta el objetivo varía en función del sensor.
Experimento de la célula fotoeléctrica
El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones cuando la radiación electromagnética, como la luz, incide sobre un material. Los electrones emitidos de este modo se denominan fotoelectrones. Este fenómeno se estudia en la física de la materia condensada y en la química cuántica y del estado sólido para extraer conclusiones sobre las propiedades de los átomos, las moléculas y los sólidos. El efecto se ha utilizado en dispositivos electrónicos especializados en la detección de la luz y la emisión de electrones con precisión.
Los resultados experimentales no concuerdan con el electromagnetismo clásico, que predice que las ondas de luz continuas transfieren energía a los electrones, que luego se emiten cuando acumulan suficiente energía. Una alteración de la intensidad de la luz cambiaría teóricamente la energía cinética de los electrones emitidos, y una luz suficientemente tenue daría lugar a una emisión retardada. En cambio, los resultados experimentales muestran que los electrones se desprenden sólo cuando la luz supera una determinada frecuencia, independientemente de la intensidad de la luz o de la duración de la exposición. Dado que un haz de baja frecuencia con una intensidad elevada no podría acumular la energía necesaria para producir fotoelectrones, como ocurriría si la energía de la luz procediera de una onda continua, Albert Einstein propuso que un haz de luz no es una onda que se propaga por el espacio, sino un enjambre de paquetes de energía discretos, conocidos como fotones.
Diagrama de la fotocélula
Un sensor de luz genera una señal de salida que indica la intensidad de la luz midiendo la energía radiante que existe en un rango muy estrecho de frecuencias llamado básicamente “luz”, y que varía en frecuencia desde el espectro de luz “infrarrojo” al “visible” hasta el “ultravioleta”.
El sensor de luz es un dispositivo pasivo que convierte esta “energía luminosa”, ya sea visible o en las partes infrarrojas del espectro, en una señal eléctrica de salida. Los sensores de luz se conocen más comúnmente como “dispositivos fotoeléctricos” o “fotosensores” porque convierten la energía de la luz (fotones) en electricidad (electrones).
Los dispositivos fotoeléctricos pueden agruparse en dos categorías principales: los que generan electricidad cuando se iluminan, como los fotovoltaicos o los fotoemisores, etc., y los que cambian sus propiedades eléctricas de alguna manera, como los fotorresistentes o los fotoconductores. Esto nos lleva a la siguiente clasificación de dispositivos.
Un sensor de luz fotoconductor no produce electricidad, sino que simplemente cambia sus propiedades físicas cuando se somete a la energía de la luz. El tipo más común de dispositivo fotoconductor es la fotorresistencia, que cambia su resistencia eléctrica en respuesta a los cambios en la intensidad de la luz.