Proyecto Efecto Fotoelectrico PDF

Preview

Summary

Download Proyecto Efecto Fotoelectrico PDF

Description

“IMPLEMENTACIÓN DE UNA CELDA SOLAR PARA LA DEMOSTRACIÓN DEL EFECTO FOTOELECTRICO”

Integrantes:

 KAREN, GARAY MONTAÑEZ.  KELLY, PALACIOS CUEVA.  MIGUEL, CUBILLAS HUARCAYA.

2021 P á g i n a 1 | 27

INDICE

1. Resumen

……………………………………………… Pág. 3

2. Introducción

……………………………………………… Pág. 3

2.1.

Descripción del proyecto

2.2.

Objetivos

2.3.

Alcances y limitantes ……………………………………………… Pág.

3. Marco teórico

……………………………………… Pág.

……………………………………………… Pág.

……………………………………………… Pág.

3.1.

Antecedentes

……………………………………………… Pág.

3.2.

Términos básicos

……………………………………………… Pág.

3.3.

Conocimientos empíricos

4. Metodología 4.1.

……………………………………… Pág.

……………………………………………… Pág.

Recursos Utilizados ……………………………………………… Pág. 4.1.1. Materiales

……………………………………………… Pág.

Procedimiento

……………………………………………… Pág.

4.2.

5. Resultado

…………………………………………….... Pág.

6. Conclusión

……………………………………………… Pág.

7. Referencia bibliográfica

……………………………………………… Pág.

8. Anexo

……………………………………………… Pág.

P á g i n a 2 | 27

1. RESUMEN En los últimos años frente al desequilibrio ambiental ocasionado por la generación masiva de energía eléctrica, se han puesto en relevancia el uso de las energías renovables, entre ellas el de la energía solar basadas en celdas fotovoltaicas. Es por ello que, el objetivo de este trabajo de innovación es el de demostrar que en base a los conceptos físicos aprendidos durante el ciclo es posible dar soluciones efectivas frente a los problemas ambientales. La metodología a usar es el de la experimentación fabricando una celda solar hecha a base de cristales de silicio usando para ello el diodo que tiene silicio dopado convenientemente con Fosforo y Boro formando el material N y el material P respectivamente. La unión de estos materiales en una oblea monocristalina permite que los rayos del sol que inciden sobre su superficie generen un flujo de electrones. Este fenómeno es posible gracias al efecto fotoeléctrico basado en la naturaleza dual de la luz. La técnica que se utilizó es el de la recopilación de datos experimentales. De los cuales llegamos a la siguiente conclusión, para implementar una celda fotovoltaica eficiente para el mercado es necesario colocar en paralelo otra celda para aumentar la corriente y la potencia.

2. INTRODUCCIÓN Es muy curioso que en los lugares menos esperados o sin que siquiera lo notemos, las ideas revolucionarias de Einstein están presentes. Las aplicaciones del efecto fotoeléctrico las encontramos en: Cámaras, en el dispositivo que gobierna los tiempos de exposición; en detectores de movimiento; en el alumbrado público; como regulador de la cantidad de tóner en las máquinas copiadoras; en las celdas solares muy útiles en satélites, calculadoras, y relojes. Las aplicaciones las encontramos, también, cuando asistimos a una función de cine ya que el audio que escuchamos es producido por señales eléctricas que son provocadas por los cambios de intensidad de la luz al pasar por la pista sonora que viene en la cinta cinematográfica. Pero es muy interesante que el efecto fotoeléctrico se aplica en los ¡alcoholímetros! en donde la reacción del alcohol con una sustancia de prueba provoca cambios de color los cuales son medidos por el dispositivo, la lectura nos permite entonces saber la concentración de alcohol en el individuo. La generación de la electricidad a través del uso de tecnologías renovables solares ha cautivado el interés, no solo de investigadores, sino también el de empresas a nivel mundial y consumidores como usuarios finales. Esta tecnología comienza a demostrar su potencia como opción para la generación de energía.

P á g i n a 3 | 27

2.1.

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO  Reunión con los integrantes del grupo para elegir el tema a realizar  Buscar información relevante en páginas de prestigio  Realizar un esquema sobre la elaboración del proyecto  Reunión para repartir las partes del trabajo que realizará cada integrante  Elaboración del proyecto físico

2.2.

OBJETIVOS  Observar la dependencia en la cantidad de electrones liberados y la intensidad de la luz en el efecto fotoeléctrico  Determinar la función trabajo para distintos metales.  Encontrar el potencial de frenado para distintos metales.

2.3.

ALCANCES Y LIMITANTES  Resumir de manea concisa los conceptos de difracción.  Dar un uso correcto de las matemáticas para que sea lo más simple y entendible.  Realizar un proyecto físico explicando este fenómeno usando materiales reciclables.  Relacionar temas de curso en este proyecto y explicarlos de forma didáctica.  Recopilar información bibliográfica sobre la implementación de una celda solar para demostrar el efecto fotoeléctrico.  Acceso a información bibliográfica, en idioma castellano, referente al tema efecto fotoelectronico, sus aplicaciones, limitantes, ventajas y desventajas que presenta, etc.

3. MARCO TEÓRICO 3.1.

ANTECEDENTES

P á g i n a 4 | 27

Luna (2010) en su tesis de Titulación Diseño y simulación de inversor monofásico en puente completo modulado mediante PWM para un sistema fotovoltaico para optar el grado de doctor, en la universidad Carlos III De Madrid de España, tuvo como objetivo el desarrollo de un inversor de corriente y tensión para un sistema de placas fotovoltaicas, con sus correspondientes subsistemas. Un inversor es un dispositivo de potencia que convierte la corriente continua en corriente alterna, esta conversión es necesaria para poder inyectar la corriente producida por un sistema de placas solares, en la red eléctrica.

Guadalupe & Yaguachi (2013) en su tesis de Titulación Estudio y análisis de los detectores fotoeléctricos para un sistema de control de procesos para optar el grado de tecnólogo, en la universidad central del ecuador, tuvo como objetivo la implementación contribuye en mejoramiento de la productividad de las empresas reduciendo costos de producción y mejorando al mismo tiempo las condiciones de trabajo del personal. Para lo cual el profesional técnico debe saber asociar los detectores fotoeléctricos con los distintos elementos que componen el sistema automatizado de control. Heinrich Hertz en 1887, observó que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. Posteriormente, Albert Einstein 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. Tiempo después Einstein y Millikan fueron galardonados con Premios Nobel en

1921 y 1923, respectivamente. Debido a arduas investigaciones y al aumento de la radiación solar en nuestro planeta, cada vez es mayor su uso de estos paneles solares siendo muy eficientes en cuanto a la captación de energía solar. Por tal motivo es importante entender el comportamiento de los fotones y electrones los cuales serán descritos mediante ecuaciones como, Energía y cantidad de movimiento de un Fotón, las cuales serán puestas en práctica en un pequeño experimento.

3.2.

TÉRMINOS BÁSICOS

P á g i n a 5 | 27

Energía cinética: Es la energía asociada a los cuerpos que se encuentran en movimiento, depende de la masa y de la velocidad del cuerpo. Si queremos acelerar un objeto debemos aplicar una fuerza. Para hacerlo necesitamos realizar un trabajo. Como resultado, transferimos energía al objeto, y este se moverá con una nueva velocidad constante. A la energía transferida la conocemos como energía cinética, y depende de la masa y la velocidad alcanzada. Óptica: Es la rama de la física que toma la luz como una onda y explica algunos fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un rayo. Difracción: Es la capacidad de las ondas para cambiar la dirección alrededor de obstáculos en su trayectoria, esto se debe a la propiedad que tienen las ondas de generar nuevos frentes de onda. Polarización: Es la propiedad por la cual uno o más de los múltiples planos en que vibran las ondas de luz se filtra impidiendo su paso. Esto produce efectos como eliminación de brillos. Mecánica: Es de interés de la mecánica las dinámicas de los sistemas físicos, como campos electromagnéticos o sistemas de partículas, a pesar de que no se puedan considerar propiamente cuerpos. Electrón: Es un tipo de partícula subatómica que presenta carga eléctrica negativa, y que se encuentra orbitando activamente el núcleo atómico. Fotón: Es una partícula cuya carga y masa en reposo son nulas y que se mueve continuamente a la velocidad de la luz. Una luz muy intensa es aquella que posee muchos fotones; una luz muy energética es la que posee fotones de gran energía. A cada fotón le corresponde una determinada energía que es función de la frecuencia de la radiación en la que se integra - mayor frecuencia mayor energía. Trabajo de extracción: Energía que debemos aportar a un electrón para arrancarlo de un metal. Según la posición que ocupe el electrón en el átomo necesitará más o menos energía. Velocidad de escape: Velocidad a la que se mueve el electrón extraído. Potencial de corte: Voltaje necesario para crear un campo electrostático que frene a los electrones extraídos, los cambie de sentido y los devuelva a la superficie del metal.

P á g i n a 6 | 27

Radiación, onda y partícula: Se las determina por sus parámetros de longitud de onda, frecuencia, cantidad de movimiento y energía.

3.3.

CONOCIMIENTOS EMPÍRICOS El efecto fotoeléctrico: En 1887, el físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894) descubrió accidentalmente que la luz ultravioleta modificaba el voltaje al que se producían chispas entre los electrodos metálicos. El alemán Philipp Lenard (1862-1947) describió este fenómeno, llamado efecto fotoeléctrico, como la emisión de electrones por parte de las superficies metálicas cuando sobre ellas incide luz visible o ultravioleta, y llegó a dos conclusiones básicas:  La energía cinética máxima que pueden alcanzar los electrones emitidos no depende de la intensidad de la radiación incidente.  En el efecto fotoeléctrico, la emisión de electrones es instantánea. Radiación electromagnética: Está formada por partículas, a las que llamó fotones, cuya energía sería proporcional a la frecuencia de la onda asociada. De este modo, el intercambio de energía entre la radiación y la materia sólo sería posible en valores múltiplos de un cuanto elemental, como el traspaso de un número entero de fotones. De esta forma se explican satisfactoriamente las propiedades del efecto fotoeléctrico:  La energía cinética máxima obtenida depende solo de la frecuencia de la radiación incidente, pero no de su intensidad. En cambio, el número de electrones emitidos es función de la cantidad de fotones incidentes (es decir, de la intensidad de la radiación).  La emisión de electrones es instantánea, como la transferencia de energía fotónelectrón. Además, Einstein estableció que para que se produzca el efecto fotoeléctrico es necesario superar un valor umbral de frecuencia de la radiación, sea cual sea su intensidad:

Ecuaciones: Energía mínima para que un electrón se desprenda de un metal también se le llama función de trabajo. P á g i n a 7 | 27

Donde: (J)

La energía cinética de un electrón expulsado está dada por:

Donde:

Energía de un fotón (E Fotón):

Donde: h = Constante de Planck h = frecuencia de la radiación electromagnética

E< E>

No hay emisión fotoelectrónica Si hay emisión y el electrón sale del metal con una energía cinética:

Cantidad de movimiento de fotón (P): Donde: P á g i n a 8 | 27

C = Velocidad de la luz Puesto que cada fotón afecta a un electrón, si la luz es más intensa dentro de una frecuencia dada �, habrá más electrones desprendidos, pero no crecerá la velocidad de cada uno de estos. Por el contrario, si aumenta la frecuencia quedando invariante la intensidad, no cambiará el número de electrones desprendidos, pero sí su velocidad y con ello la energía cinética. En suma, luz intensa significa muchos fotones por segundo, pero si no se altera la frecuencia y ésta es reducida quizás ni siquiera se da efecto fotoeléctrico. 4. METODOLOGÍA 4.1.

RECURSOS UTILIZADOS 4.1.1. MATERIALES  Diodo 1N4007 o 1N4004  Capacitor de 470 mF * 16 V  Regla  Cautín  Estaño  Cables  Cartón  Silicona  Foco Amarillo  Foco Ahorrador blanco  Reflector (SL – FL – LED20W) 4.1.2. PROCEDIMIENTO  Modelamos geométricamente la celda a los prototipos que hay en el mercado.  Partimos el empaque que protege al diodo y lo dejemos expuesto para que reaccione con la luz del sol.  Reducimos los pines del diodo.  Soldamos en serie los diodos de modo que el ánodo se suelde con el cátodo.  Soldamos en serie las filas de diodos que modelaran la fotocelda.  Disponemos proporcionalmente sobre la celda de cartón los diodos enseriados. P á g i n a 9 | 27

 Se sujeta cada fila con pedazos de cartón corrugado para que no estén inestables.  Se suelda en el ánodo inicial un cable color rojo.  Se suelda en el cátodo final un cable negro.  Se hacen las mediciones para comprobar su eficiencia.

5. RESULTADO Tablas: Foco Amarillo: Distancia (cm) 1.20 0.90 0.80 0.70 0.20 0.10 0.05

Voltaje (V) 0 0.006 0.009 0.014 0.072 0.045 0.407

Foco Ahorrador blanco:

P á g i n a 10 | 27

Reflector (SL - FL -

Distancia (cm) 1.20 0.90 0.80 Distanc ia (cm) 1.20 0.90 0.80 0.70 0.20 0.10 0.05

Voltaje (V) -0.004 -0.004 -0.004 Voltaje (V) -0.002 -0.002 -0.001 -0.001 0 0.009 0.026

LED20W)

Gráficos: Foco Amarillo: VOLTAJE (V)

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 120 90 80 70 50 20 105 DISTANCIA (cm)

VOLTAJE (V)

Foco Ahorrador blanco: 0.004 0.002 0 -0.002 -0.004 -0.006 120 90 80 70 50 20 10 5 DISTANCIA (cm)

Reflector (SL - FL - LED20W P á g i n a 11 | 27 0.06 0.05 0.04

0.02 0.01 0 -0.01 120 90 80 70 50 20 105

VOLTAJE

DISTANCIA (cm)

6. CONCLUSIÓN Con respecto al presente proyecto, llegamos a las siguientes conclusiones.  La energía luminosa se transmite en forma de energía a los que se les llamó fotones.  El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar y del aprovechamiento energético de la energía solar.  Un factor que influye en el error relativo es que las herramientas para medir no son exactas.  La importancia de este fenómeno muchas veces no sabemos que existe porque no lo entendemos de la forma adecuada. El efecto fotoeléctrico es el fenómeno de extracción de los electrones de un metal al incidir luz sobre él.  La energía luminosa se transmite en forma de energía a los que se les llamó fotones.  El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar y del aprovechamiento energético de la energía solar. Se propone plantear la siguiente mejora para resultados más precisos: realizar un sistema automático de lanzamientos. De este modo, se establecería una fuerza constante sobre el brazo de la catapulta y propiciaría las condiciones similares en cada lanzamiento. De esta manera, se reduciría considerablemente el margen de error.  Un factor que influye en el error relativo es que las herramientas para medir no son exactas.  Para quitar el cerámico de los diodos se hacen cortes con mucho cuidado para no dañar el diodo y funcione correctamente, sin embargo, los cortes al ser manuales dañan un poco el diodo. P á g i n a 12 | 27

 Finalmente, es necesario mencionar que el voltaje que genere el panel solar va depender de la distancia, tipo y potencia de la luz que incida en este.

7. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA Merino, L Antonio, M. (2010) Diseño y simulación de inversor monofásico en puente completo modulado mediante PWM para un sistema fotovoltaico (pre grado). Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Tecnología, Electrónica. Madrid https://e- archivo.uc3m.es/handle/10016/10673 Andino, M. Eduardo, E & Yaguachi, G (2013) Estudio y análisis de los detectores fotoeléctricos para un sistema de control de procesos, Quito: Universidad Central de Ecuador http://www.dspace.uce.edu.ec/handle/25000/1916

Collado Fernández, E. (2009). Energía solar fotovoltaica, competitividad y evaluación económica, comparativa y modelos. Tesis Doctoral. Escuela técnica superior de ingenieros industriales universidad nacional de educación a distancia. Recuperado de https://dialnet.unirioja.es/servlet/tesis?codigo=43518

P á g i n a 13 | 27

8. ANEXO MATERIALES

División Base dede la las celda celdas solar Diodos en serie Sin cerámico de protección

g i n a 14 | 27

Prueba de diodos Enseriar los diodos en la base

P á g i n a 15 | 27

RESULTADOS FOCO AMARILLO

Distancia 120 cm

Distancia 90 cm

Voltaje 0 V

Voltaje 0.006 V

P á g i n a 16 | 27

Distancia 80 cm

Distancia 70 cm

Voltaje 0.009 V

Voltaje 0.014 V

P á g i n a 17 | 27

Distancia 20 cm

Distancia 10 cm

Voltaje 0.072 V

Voltaje 0.045 V

P á g i n a 18 | 27

Distancia 5 cm

Voltaje 0.407 V

FOCO AHORRADOR BLANCO

Distancia 1.20 cm

Voltaje - 0.004 V

P á g i n a 19 | 27

Distancia 90 cm

Voltaje - 0.004 V

Distancia 80 cm

Voltaje - 0.004 V

P á g i n a 20 | 27

Distancia 70 cm

Voltaje - 0.004 V

P á g i n a 21 | 27 Di

i 20

Vl j

0 002 V

Distancia 10 cm

Distancia 05 cm

Voltaje 0 V

Voltaje 0.003 V

P á g i n a 22 | 27

Reflector (SL - FL - LED20W):

Distancia 1.20 cm

Distancia 90 cm

Voltaje - 0.002 V

Voltaje - 0.002 V

P á g i n a 23 | 27

Distancia 80 cm

Distancia 70 cm

Voltaje - 0.001 V

Voltaje - 0.001 V

27 Voltaje 0 VDistancia 20 cm

Distancia 10 cm

Voltaje 0.009 V

P á g i n a 25 | 27

Distancia 5 cm

Voltaje 0.026 V

P á g i n a 26 | 27

P á g i n a 27 | 27...