Universidad de los Andes-Táchira “Dr. Pedro Rincón Gutiérrez” Departamento Física y Matemática Laboratorio de Física II San Cristóbal Edo Táchira

CIRCUITOS ELECTRICOS Y DISPOSITIVOS FOTOELECTRICOS

Realizado por: Hinojoza, Juan C.I. 17370560 Vivas, Milagros C.I. 17501037 San Cristóbal, 17 de noviembre de 2006

Introducción En el siguiente trabajo se estudiaran los conceptos de circuitos eléctricos y dispositivos fotoeléctricos, con la finalidad de ahondar en tema, facilitando así su comprensión. Para tal fin se hace uso de algunos cálculos, graficas y dibujos que serán de mucha ayuda al momento de su necesidad. Es conveniente que el lector antes de realizar algún cálculo como es en el caso de: voltajes, corrientes, entre otros, que tengan suficientemente claro los conceptos, funcionamiento y utilidad que aquí se presentan. Al igual como los conceptos de los dispositivos eléctricos, interpretación cuantica del efecto fotoeléctrico y utilidad en la actualidad.

Circuito eléctrico

Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos, tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes, o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas. • Clasificación • Partes de un circuito • Circuitos de corriente continua 1. Divisor de tensión 2. Divisor de intensidad 3. Red con fuente única 4. Red general 5. Balance de potencias 6. Circuitos serie RL y RC. • Circuitos de corriente alterna 1. Circuito serie RL 2. Circuito serie RC 3. Circuito serie RLC 4. Circuito serie general 5. Circuito paralelo general

Clasificación

En la siguiente tabla se muestra una posible clasificación de los circuitos: Por el tipo Por el tipo de Por el tipo de señal régimen componentes De corriente continua. Periódico. De corriente Transitorio. alterna. Permanente. Mixtos

de Por su configuración

Eléctricos: Resistivos, inductivos Serie. capacitivos y mixtos Paralelo. Electrónicos: Mixtos. Digitales, analógicos y mixtos

Por el tipo de señal Corriente continúa

La corriente continua CA es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna en este caso, las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección del punto de mayor potencial al de menor potencial. Aunque comúnmente se identifica la corriente continúa con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad.

Representación de la tensión en corriente continúa.

Usos La corriente continua es empleada en infinidad de aplicaciones y aparatos de pequeño voltaje alimentados con baterías (generalmente recargables) que suministran directamente corriente continua, o bien con corriente alterna como es el caso, por ejemplo, de los ordenadores, siendo entonces necesario previamente realizar la conversión de la corriente alterna de alimentación en corriente continua. También se está extendiendo el uso de generadores de corriente continua mediante células solares, dado el nulo impacto medioambiental del uso de la energía solar frente a las soluciones convencionales (combustible fósil y energía nuclear).

Corriente alterna

Se denomina corriente alterna DC a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente.

Figura 1: Onda senoidal.

La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada. Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA.

Por el tipo de régimen Corriente periódica

A diferencia de la corriente continua que posee siempre el mismo valor, esto es, un flujo de cargas constantes a lo largo del tiempo, en una corriente periódica el flujo de cargas toma una serie de valores distintos que se repiten con el tiempo.

Ondas de régimen periódico: a) Senoidal, b) Impulsos positivos, c) Rectangular de impulsos positivos, d) Cuadrada, e) Triangular, f) Diente de sierra. Si las cargas se desplazan siempre en la misma dirección se dice que la corriente es pulsatoria y en caso contrario alterna. En la figura de la derecha pueden observarse algunos ejemplos de ondas de distintas corrientes periódicas. Los tipos a,d y e son corrientes alternas y b, c y f son pulsatorias.

Parámetros característicos Ademaś de la frecuencia o el período de una corriente periódica, se pueden considerar otros parámetros relacionados con sus valores de intensidad, I, o tensión, V. A continuación se indican los más frecuentes (a ó A pueden sustituirse por I ó V según interese): Valor instantáneo (a(t)): Es el que toma la ordenada en un instante, t, determinado. Valor máximo (A0): Equivale a la amplitud de la onda. Tambien se conoce como valor de pico. Valor pico a pico (App): Diferencia entre su pico o máximo positivo y su pico negativo. Valor medio (Amed): Valor del área que forma con el eje de abcisas partido por su período. El área se considera positiva si está por encima del eje de abcisas y negativa si está por debajo.

Valor eficaz (A): El que produce el mismo efecto calorífico que su equivalente en corriente continua. Matemáticamente, el valor eficaz de una magnitud variable con el tiempo, se define como la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de los valores instantáneos alcanzados durante un período:

Factor de amplitud (

): Cociente entre el valor máximo y el eficaz.

Factor de forma ( ): Cociente entre el valor eficaz y su valor medio en un semiperíodo. En la siguiente tabla se indican los valores de algunas corrientes periódicas:

FACTOR

Senoidal Cuadrada

n/d

Media onda Doble onda Triangular senoidal senoidal

n/d

n/d

n/d

n/d

n/d

n/d

n/d

Corriente transitoria Se denomina corriente transitoria a aquella corriente eléctrica en la que el flujo de cargas o bien tiende a extinguirse por cesar la causa que lo produce, o bien estabilizarse en un valor constante tras un período de oscilación. Por lo general, son de corta duración, aumentando o disminuyendo de forma exponencial, y aparecen con frecuencia en los circuitos en los que hay bobinas y condensadores.

Ejemplos de corrientes transitorias.

Por su configuración Circuito serie

El circuito serie es una configuración de conexión en que los bornes o terminales de los dispositivos se conectan secuencialmente, el terminal de salida de un dispositivo se conecta al terminal de entrada del dispositivo siguiente, por ejemplo, el terminal positivo de una pila eléctrica se conecta al terminal negativo de la pila siguiente, con lo cual entre los terminales extremos de la asociación se tiene una diferencia de potencial igual a la suma de la de ambas pilas. Esta conexión de pilas eléctricas en serie da lugar a la formación de una batería eléctrica. A modo de ejemplo, en la siguiente figura se muestran varios condensadores en serie y el valor del condensador equivalente:

De manera análoga, dos depósitos "A" y "B" de agua conectados en circuito serie implica que "A" deberá situarse de forma tal, que la entrada del agua sea primero a éste, y por gravedad o presión pase al depósito "B", desde donde será drenada por el tubo de salida.

Circuito paralelo

El circuito paralelo es una conexión de dispositivos tal, que los bornes o terminales de entrada de todos los dispositivos conectados coincidan entre sí, lo mismo que sus terminales de salida. Dos depósitos de agua conectados en paralelo tendrán una entrada común que alimentará simultáneamente a ambos, así como una salida común que drenará a ambos a la vez. Las bombillas de iluminación de una casa forman un circuito en paralelo.Por que si una bombilla se apaga, las demás siguen encendidas. A modo de ejemplo, en la siguiente figura se muestran varios condensadores en paralelo y el valor de su equivalente:

Ceq = C1 + C2 + ... + Cn La configuración contraria es el circuito en serie. En el cual, si una bombilla se apaga todas las demás bombillas se apagaran también.

Partes de un circuito

A la hora de analizar un circuito es conveniente conocer la terminología de cada elemento que lo forma. A continuación se indican los comúnmente más aceptados tomando como ejemplo el circuito mostrado en la figura 1.

Figura 1: Circuito ejemplo.

Conector: Hilo conductor de resistencia despreciable (idealmente cero) que une eléctricamente dos o más elementos. Generador o fuente: Elemento que produce electricidad. En el circuito de la figura 1 hay tres fuentes, una de intensidad, I, y dos de tensión, E1 y E2. Red: Conjunto de elementos unidos mediente conectores. Nudo o nodo: Punto de un circuito donde concurren varios conductores distintos. En la figura 1 se observan cuatro nudos: A, B, D y E. Obsérvese que C no se ha tenido en cuenta ya que es el mismo nudo A al no existir entre ellos diferencia de potencial (VA - VC = 0). Rama: Conjunto de todos los elementos de un circuito comprendidos entre dos nudos consecutivos. En la figura 1 se hayan siete ramas: AB por la fuente, AB por R1, AD, AE, BD, BE y DE. Obviamente, por una rama sólo puede circular una corriente.

Línea cerrada: Conjunto de ramas que forman un bucle cerrado. En la figura 1 ABA, ABDA, BEDB, ADEA, etc. son líneas cerradas. Malla: Línea cerrada que no contiene elementos en su interior. En la figura 1 hay cuatro mallas: ABCA, BCDB, BEDB y ADEA. Circuito: Red con almenos una línea cerrada por la que puede circular la corriente. Elemento bilateral: Aquel que tiene las mismas características para polaridades opuestas. Por ejemplo, por una resistencia o por un conductor circulará la misma corriente si se invierte la polaridad de las fuentes. Elemento unilateral: Aquel que tiene diferentes características para diferentes polaridades, como ocurre por ejemplo con el diodo. Circuito equivalente: Aquel que puede remplazarse por otro más complejo proporcionando el mismo resultado.

Circuitos de corriente continúa

En este punto se describirán los principales circuitos en corriente continua así como su análisis, esto es, el cálculo de las intensidades, tensiones o potencias.

Figura 2: Circuitos divisores de tensión, a), y de intensidad, b).

Divisor de tensión Dos o más resistencias conectadas en serie forman un divisor de tensión. De cuerdo con la segunda ley de Kirchhoff o ley de las mallas, la tensión total es suma de las tensiones parciales en cada resistencia, por lo que seleccionando valores adecuados de las mismas, se puede dividir una tensión en los valores más pequeños que se deseen. La tensión Vi en bornes de la resistencia Ri, en un divisor de tensión de n resistencias cuya tensión total es V, viene dada por:

En el caso particular de un divisor de dos resistencias (figura 2 a), es posible determinar las tensiones en bornes de cada resistencia, VAB y VBC, en función de la tensión total, VAC, sin tener que calcular previamente la intensidad. Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones de fácil deducción:

Este caso es el que se presenta, por ejemplo, a la hora de ampliar la escala de un voltímetro, donde R1 sería la resistencia de la bobina voltimétrica y R2 la resistencia de ampliación de escala. Divisor de intensidad Dos o más resistencias conectadas en paralelo forman un divisor de intensidad. De cuerdo con la primera ley de Kirchhoff o ley de los nudos, la corriente que entra en un nudo es igual a la suma de las corrientes que salen. Seleccionando valores adecuados de resistencias se puede dividir una corriente en los valores más pequeños que se deseen.

En el caso particular de un divisor de dos resistencias (figura 2 b), es posible determinar las corrientes parciales que circulan por cada resistencia, I1 e I2, en función de la corriente total, I, sin tener que calcular previamente la caída de tensión en la asociación. Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones de fácil deducción:

Este caso es el que se presenta, por ejemplo, a la hora de ampliar la escala de un amperímetro, donde R1 sería la resistencia de la bobina amperimétrica y R2 la resistencia shunt.

Red con fuente única

Se trata de una red de resistencias alimentadas con una sola fuente.

Figura 3: Ejemplo de circuito resistivo de fuente única.

Para su análisis se seguirán, en general, los siguientes pasos: 1. Se calcula la resistencia equivalente de la asociación. 2. Se calcula la intensidad, I, que suministra la fuente, 3. Se calculan las intensidades y tensiones parciales.

A modo de ejemplo de lo expuesto, se analizará el circuito de la figura 3 su poniendo los siguientes valores:

RESOLUCIÓN 1. Sea RABC la resistencia equivalente de la rama superior del circuito

Y denominando Re a la resistencia equivalente: 2. A partir de la ley de Ohm se determina la intensidad, I, que proporciona la fuente:

3. A partir de la ley de Ohm:

R3 y R4 forman un divisor de intensidad para I1, por lo tanto

Red general En el caso más general, el circuito podrá tener más de una fuente. El análisis clásico de este tipo de redes se realiza obteniendo, a partir de las leyes de Kirchhoff, un sistema de ecuaciones donde las incógitas serán ls

corrientes que circulan por cada rama. En general, el proceso a seguir será el siguiente: Se dibujan y nombran de modo arbitrario las corrientes que circulan por cada rama.

Figura 4: Ejemplo de red general: Circuito de dos mallas.

Se obtiene un sistema de tantas ecuaciones como intensidades haya. Las ecuaciones se obtendrán a partir de las leyes de Kirchhoff de acuerdo con el siguiente criterio: 1. Se aplica la primera ley tantos nudos como haya menos uno. 2. Se aplica la segunda ley a todas las mallas. Como ejemplo, se analizará el circuito de la figura 4 considerando los siguientes valores:

RESOLUCIÓN 1. Se consideran las intensidades dibujadas en el circuito. 2. En el nudo A se cumple:

Y sumando las tensiones en ambas mayas (vea como dterminar la polaridad de la caída de tensión de una resistencia en d. d. p.):

Ordenando las ecuaciones se obtiene el siguiente sistema

Cuyas soluciones son: donde el valor negativo de I3 indica que la corriente circula en dirección contraria a como se ha dibujado en el circuito. En análisis de circuitos se puede observar el método de las mallas que simplifica el análisis de circuitos de este tipo.

Balance de potencias

Por balance de potecias de un circuito eléctrico se entiende la comprobación de que la suma algebraica de las potencias que generan o "absorben" las fuentes es igual a la suma de potencias que disipan los elementos pasivos. Para ello es necesario analizar previamente el circuito, esto es, determinar las corrientes que circulan por cada una de sus ramas así como las caídas de tensión en bornes de las fuentes de intensidad si las hubiere. Como ejemplo, se realizará el balance de potencias del circuito de la figura 5 considerando los siguientes valores:

Figura 5: Balance de potencias.

RESOLUCIÓN Aplicando la primera ley de Kirchhoff al nudo A y la segunda a la malla de la izquierda, se obtiene:

Operando se obtiene: y la tensión en bornes de la fuente de intensidad

Terminado el análisis, se realiza el balance de potencias: Elementos activos

Elementos pasivos

Circuitos serie RL y RC Los circuitos serie RL y RC (figura 6) tienen un comportamiento similar en cuanto a su respuesta en corriente y en tensión, respectivamente.

Figura 6: Circuitos serie RL (superior) y RC (inferior) en CC.

Figura 7: Comportamiento de los circuitos serie RL y RC en CC.

Al cerrar el interruptor S en el circuito serie RL, la bobina crea una fuerza electromotriz (f.e.m.) que se opone a la corriente que circula por el circuito, denominada por ello fuerza contraelectromotriz. Como consecuencia de ello, en el mismo instante de cerrar el interruptor (t0 en

la figura 7) la intensidad será nula e irá aumentando exponencialmente hasta alcanzar su valor máximo, Io = E/R (de t0 a t1). Si a continuación, en el mismo instante de abrir S (t2 en la figura 7) se cortocircuitara la red RL, el valor de Io no desaparecería instantáneamente, sino que iría disminuyendo de forma exponencial hasta hacerse cero (de t2 a t3). Por otro lado, en el circuito serie RC, al cerrar el interruptor S (t0 en la figura 7), el condensador comienza a cargarse, aumentando su tensión exponencialmente hasta alcanzar su valor máximo E0 (de t0 a t1), que coincide con el valor de la f.e.m. E de la fuente. Si a continuación, en el mismo instante de abrir S (t2 en la figura 7) se cortocircuitara la red RC, el valor de Eo no desaparecería instantáneamente, sino que iría disminuyendo de forma exponencial hasta hacerse cero (de t2 a t3). En ambos circuitos se da por lo tanto dos tipos de régimen de funcionamiento (figura 7): Transitorio: desde t0 a t1 (carga) y desde t2 a t3 (descarga) Permanente: desde t1 a t2 La duración del régimen transitorio depende, en cada circuito, de los valores de la resistencia, R, la capacidad, C, del condensador y de la autoinductancia, L de la bobina. El valor de esta duración se suele tomar como 5τ, donde τ es la denominada constante de tiempo, siendo su valor en cada circuito:

Si R está en ohmios, C en faradios y L en henrios, τ estará en segundos. Matemáticamente se pueden obtener las ecuaciones en régimen transitorio de cada circuito que se muestran en la siguiente tabla:

Carga en RL

Descarga en RL

Carga en RC

Descarga RC

Circuitos de corriente alterna

en

En el presente apartado se verán las caraterísticas de los circuitos básicos de CA senoidal que están formados por los componentes eléctricos fundamentales: resistencia, bobina y condensador (ver previamente su comportamiento en CA). En cuanto a su análisis, todo lo visto en los circuitos de corriente continua es válido para los de alterna, con la salvedad que habrá que operar con números complejos en lugar de con reales.

Circuito serie RL

Supongamos que por el circuito de la figura 8a circula una corriente

Figura 8: Circuito serie RL (a) y diagrama fasorial (b).

Como VR está en fase y VL adelantada 90º respecto a dicha corriente, se tendrá:

Sumando fasorialmente ambas tensiones obtendremos la total V: donde, y de acuerdo con el diagrama fasorial de la figura 8b, V es el módulo de la tensión total:

y φ el águlo que forman los fasores tensión total y corriente (ángulo de desfase):

Figura 9: Triángulo de impedancias de un circuito serie RL.

La expresión representa la oposición que ofrece el circuito al paso de la corriente alterna, a la que se denomina impedancia y se representa Z: En forma polar

con lo que la impedancia puede considerarse como una magnitud compleja, cuyo valor, de acuerdo con el triángulo de la figura 9, es:

Obsérvese que la parte real resulta ser la componente resistiva y la parte imaginaria la inductiva.

Circuito serie RC

Supongamos que por el circuito de la figura 10a circula una corriente

Figura 10: Circuito serie RC (a) y diagrama fasorial (b).

Como VR está en fase y VC retrasada 90º respecto a dicha corriente, se tendrá:

Figura 11: Triángulo de impedancias de un circuito serie RC.

La tensión total V será igual a la suma fasorial de ambas tensiones, Y de acuerdo con su diagrama fasorial (figura 10b) se tiene:

Al igual que en el apartado anterior la expresión módulo de la impedancia, ya que

es el

lo que significa que la impedancia es una magnitud compleja cuyo valor, según el triángulo de la figura 11, es: Obsérvese que la parte real resulta ser la componente resistiva y la parte imaginaria, ahora con signo negativo, la capacitiva.

Circuito serie RLC

Razonado de modo similar en el circuito serie RLC de la figura 12 llegaremos a la conclusión de que la impedancia tiene un valor de siendo φ

Figura 12: Circuito serie RLC (a) y diagrama fasorial (b).

En el diagrama se ha supuesto que el circuito era inductivo (XL > XC), pero en general se pueden dar los siguientes casos: XL > XC: Circuito inductivo, la intensidad queda retrasada respecto de la tensión (caso de la figura 12, donde φ es el ángulo de desfase). XL < XC: Circuito capacitivo, la intensidad queda adelantada respecto de la tensión. XL = XC: Circuito resistivo, la intensidad queda en fase con la tensión (en este caso se dice que hay resonancia).

Circuito serie general Sean n impedancias en serie como las mostradas en la figura 13a, a las que se le aplica una tensión alterna V entre los terminales A y B lo que originará una corriente I. De acuerdo con la ley de Ohm:

Figura 13: Asociaciones de impedancias: a) serie, b) parlelo y c) impedancia equivalente.

donde

es la impedancia equivalente de la asociación (figura 13c), esto

es, aquella que conectada la misma tensión lterna,

, demanda la misma

intensidad, . Del mismo modo que para una asocianción serie de resistencias, se puede demostrar que

lo que implica y

Circuito paralelo general Del mismo modo que en el apartado anterior, consideremos n impedancias en paralelo como las mostradas en la figura 13b, a las que se le aplica una tensión alterna V entre los terminales A y B lo que originará una corriente I. De acuerdo con la ley de Ohm:

y del mismo modo que para una asocianción paralelo de resistencias, se puede demostrar que

Para facilitar el cálculo en el análisis de circuitos de este tipo, se suele trabajar con admitancias en lugar de con impedancias.

Efecto fotoeléctrico El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se lo ilumina con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).

Diagrama del efecto fotoeléctrico. Los fotones incidentes son absorbidos por los electrones del medio dotándoles de energía suficiente para escapar de éste.

A veces se incluye en el término efecto fotoeléctrico dos 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. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo 19.

Efecto fotovoltaico: Transformación parcial de la energía luminosa 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. El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887. La explicación teórica solo fue hecha por Albert Einstein en 1905 quien basó su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los quantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta... y demostró que sí lo era. Eso permitió que Einstein y él compartiesen el premio Nobel en 1923.

Interpretación cuántica del efecto fotoeléctrico

Los fotones de luz tienen una energía característica determinada por la longitud de onda de la luz. Si un electrón absorbe energía de un fotón y tiene mayor energía que la necesaria para salir del material y que su velocidad está bien dirigida hacia la superficie, entonces el electrón puede ser extraído del material. Si la energía del fotón es demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material. Los cambios en la intensidad de la luz no cambian la energía de sus fotones, tan sólo su número y por lo tanto la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz incidente. Si el fotón es absorbido parte de la energía se utiliza para liberarlo del átomo y el resto contribuye a dotar de energía cinética a la partícula libre. En principio, todos los electrones son susceptibles de ser emitidos por efecto fotoeléctrico. En realidad los que más salen son los que necesitan lo menos de energía para salir y, de ellos, los más numerosos. En un aislante (dieléctrico), los electrones más energéticos se encuentran en la banda de valencia. En un metal, los electrones más energéticos están en la banda de conducción. En un semiconductor de tipo N, son los electrones de la banda de conducción que son los más energéticos. En un semiconductor de tipo P también, pero hay muy pocos en la banda de conducción. Así que en ese tipo de semiconductor hay que ir a buscar los electrones de la banda de valencia. Pero eso no es todo. A la temperatura ambiente, los electrones más energéticos se encuentran cerca del nivel de Fermi (salvo en los

semiconductores intrínsecos en los cuales no hay electrones cerca del nivel de Fermi). La energía que hay que dar a un electrón para llevarlo desde el nivel de Fermi hasta el exterior del material se llama función de trabajo. El valor de esa energía es muy variable y depende del material, estado cristalino y, sobre todo de las últimas capas atómicas que recubren la superficie del material. Los metales alcalinos (sodio, calcio, cesio, etc.) presentan las más bajas funciones de trabajo. Aun es necesario que las superficies estén limpias al nivel atómico. Una de la más grandes dificultades de las experiencias de Millikan era había que fabricar las superficies de metal en el vacío.

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. 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.

Dispositivos Fotoeléctricos • • •

Dispositivos de conversión de energía eléctrica a radiación óptica "Electroluminiscencia" Diodos emisores de luz "LED" LÁSER Semiconductor

• • • •

Dispositivos de detección de señales ópticas "Fotodetectores" Dispositivos de conversión de radiación óptica en energía eléctrica "Dispositivos fotovoltaicos" (Celda Solar). Fototransistores.

El diodo LED

Si alguna vez ha visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, ha visto los diodo LED en funcionamiento. El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica emite luz. Existen diodos LED de varios colores y dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo. Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio. Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor, se inyectan electrones y huecos en las regiones P y N, respectivamente. Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los portadores de carga (electrones y huecos). Hay un tipo de recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes (aquí la emisión de luz). La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de recombinaciones depende del material semiconductor utilizado (GaAs, GaAsP,y GaP) Tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas. El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común. Aplicaciones tiene el diodo LED Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.

Ejemplos -Se utilizan para desplegar contadores. - Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa. - Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna. - En dispositivos de alarma Sus desventajas son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusores de luz Símbolo del diodo LED

Laceres de semiconductores

Los transistores aprovechan las propiedades especiales de un tipo de materiales conocidos como semiconductores. La corriente eléctrica se origina con el movimiento de los electrones. Metales comunes como el cobre son buenos conductores de la electricidad debido a que sus electrones no están unidos estrechamente al núcleo del átomo y son atraídos libremente por una carga positiva. Otras sustancias como, por ejemplo, el caucho, son aislantes, malos conductores de la electricidad, dado que sus electrones no se mueven libremente. Los semiconductores, como su nombre indica, son algo intermedio entre estos dos conceptos; aunque normalmente se comportan como aislantes, es posible que en algunos casos conduzcan la electricidad.

Cómo funcionan los laceres. (a) Un conjunto de átomos de láser con sus niveles cuánticos representados. (b) El proceso de bombeo óptico, en el que un gran número de átomos atrapados se estimulan hacia un nivel de energía más alto. (c) La emisión estimulada y la oscilación del láser.

Un rayo de luz, ajustado a la frecuencia de transmisión entre los dos niveles, se envía a través del conjunto de átomos, lo que provoca que aquellos que se encuentran en un nivel de energía más alto cedan su energía al rayo de luz. Los espejos alineados en cada extremo de la cavidad del láser forman un resonador óptico, lo que provoca que el rayo de salida sea altamente monocromático o altamente direccional. (Adaptación de una ilustración cedida por la Universidad de Stanford).

Energía solar fotovoltaica

Se denomina energía solar fotovoltaica a una forma de obtención de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos.

Celda solar

Los paneles, módulos o colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial en sus extremos. El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtención de voltajes mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. Fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

Fototransistores

Los fototransistores no son muy diferentes de un transistor normal, es decir, están compuestos por el mismo material semiconductor, tienen dos junturas y las mismas tres conexiones externas: colector, base y emisor. Por supuesto, siendo un elemento sensible a la luz, la primera diferencia evidente es en su cápsula, que posee una ventana o es totalmente transparente, para dejar que la luz ingrese hasta las junturas de la pastilla semiconductora y produzca el efecto fotoeléctrico. Teniendo las mismas características de un transistor normal, es podible regular su corriente de colector por medio de la corriente de base. Y también, dentro de sus características de elemento optoelectrónico, el fototransistor conduce más o menos corriente de colector cuando incide más o menos luz sobre sus junturas.

Diversos tipos de fototransistores

Los dos modos de regulación de la corriente de colector se pueden utilizar en forma simultánea. Si bien es común que la conexión de base de los fototransistores no se utilice, e incluso que no se la conecte o ni siquiera venga de fábrica, a veces se aplica a ella una corriente que estabiliza el funcionamiento del transistor dentro de cierta gama deseada, o lo hace un poco más sensible cuando se debe detectar una luz muy débil. Esta corriente de estabilización (llamada bias, en inglés) cumple con las mismas reglas de cualquier transistor, es decir, tendrá una relación de amplificación determinada por la ganancia típica de corriente, o hfe. A esta corriente prefijada se le suman la variaciones producidas por los cambios en la luz que incide sobre el fototransistor. Los fototransistores, al igual que los fotodiodos, tienen un tiempo de respuesta muy corto, es decir que pueden responder a variaciones muy rápidas en la luz. Debido a que existe un factor de amplificación de por medio, el fototransistor entrega variaciones mucho mayores de corriente eléctrica en respuesta a las variaciones en la intensidad de la luz.

Anexos

Conclusión Un circuito eléctrico es una serie de elementos o componentes eléctricos, tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes, o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas y que El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se lo ilumina con radiación electromagnética. En este informe se dio a conocer aspectos fundamentales sobre el funcionamiento de un circuito, así como también conocimientos elementales referentes a algunos elementos fotoeléctricos. El desarrollo sistemático y paso a paso que se le dio en el informé, hace que cada concepto se pueda entender, con la ayuda de las tablas, esquemas y gráficos presentados en el desarrollo del trabajo.

Para

la

realización

de

este

trabajo,

se

analizaron

sistemáticamente las distintas fuentes de información escritas sobre el tema, Finalmente, se quiso significar que un trabajo de la magnitud con el tema de circuitos y elementos fotoeléctricos difícilmente puede ser abordado exhaustivamente, sin embargo creemos tocar los aspectos más resaltantes. Finalmente, creemos que el estudio realizado no agota el tema, sino que apenas toca parte de él, ya que hay otros puntos no tratados en este análisis.

Bibliografía • http://es.wikipedia.org/wiki/ • Fundamentos De Electricidad (para estudiantes de ingeniería mecánica). Autor Ángel Iván Molina Alcedo.