EL EFECTO FOTOELÉCTRICOEl 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.

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, dando origen a una corriente

eléctrica.

Albert Einstein publicó en 1905 varios artículos entre los cuales uno trataba del efecto fotoeléctrico y por el cual

recibió el premio Nobel de Física en 1922. Mucho antes, en 1900, Max Planck había explicado el fenómeno de

la radiación del cuerpo negro sugiriendo que la energía estaba cuantizada, pero Einstein llegó aún más lejos

explicando -de acuerdo a los cuantos de Planck- que no solo la energía sino también la materia son discontinuas.

Electricidad producida por el efecto fotoeléctrico

Sabemos que la corriente eléctrica es el movimiento de electrones, siendo éstos portadores de cargas eléctricas

negativas. Cuando los electrones se mueven, se origina una corriente eléctrica. La corriente es igual al número de

cargas en movimiento entre un intervalo de tiempo.

Cuando una lámina de metal está expuesta a la luz a una sola frecuencia, digamos la luz solar, se produce

electricidad en su interior de esta manera: la luz cuando viaja se comporta como una onda, pero al intercambiar su

energía con cualquier objeto lo hace como una partícula que es llamada fotón. Cuando el fotón choca con un

electrón de un átomo de la lámina metálica, desaparece y cede toda su energía al electrón, expulsándolo hacia

otro átomo. Esta expulsión electrónica es precisamente la corriente eléctrica.

Como el fotón desaparece durante la colisión, se hace fácil comprender que la energía de movimiento absorbida

por el electrón depende de un solo fotón. Esto nos indica que la electricidad resultante no depende de la

intensidad de la luz, sino más bien de la energía que porta el fotón.

Tomando en cuenta que la lámina metálica contiene una cantidad enorme de  átomos, debe contener una cantidad

mayor de electrones y como la frecuencia de la onda lumínica es la misma, su intensidad será la misma; así

cada electrón expulsado absorbe la misma cantidad de energía.

Cantidad mínima de energía para expulsar un electrón

Si '&' es la cantidad mínima de energía que necesita el fotón para expulsar un electrón del átomo, entonces la

máxima cantidad de energía que necesita el electrón para abandonar su átomo y salir hacia otro, está dada por la

ecuación:   

E = h f - & 

En este caso 'E' será la energía necesaria para producir la corriente eléctrica, ‘h’ la constante de Planck

(6.626 x 10−34 Js), ‘f’ la frecuencia y '&' será el trabajo que realiza el fotón.

Este fenómeno es aprovechado en las plantas que utilizan paneles solares, los cuales reciben la energía lumínica

del sol transformándola en electricidad. También lo podemos encontrar en: Cámaras, en el dispositivo que

gobierna los tiempos de exposición; en detectores de movimiento; en el alumbrado público, calculadoras, y relojes.

PÉNDULO DE FOUCAULT

Se trata de un péndulo simple en el que una esfera pesada unida a un largo hilo metálico es libre de oscilar en

cualquier dirección. Teóricamente en un péndulo el plano de oscilación se mantiene fijo en el espacio. Pero como

resultado de la rotación de la Tierra, el plano de oscilación del enorme péndulo de Foucault gira lentamente. En

concreto el giro depende de la latitud en la que nos encontremos, de tal modo que en los polos completa una

revolución cada 24 horas. Fue inventado por el físico francés Jean Bernard León Foucault (1819-68) en 1851, y

empleado por él mismo para mostrar de manera visual en un experimento la rotación terrestre. 

Foucault lo puso a prueba en el centro de la cúpula del Panteón de París (Francia), con un hilo de acero de 68

metros de longitud, una bola de cobre de 30 kilogramos y una capa de arena en el suelo que el péndulo rozaba

con una fina punta metálica, de manera que en una hora el dibujo sobre la arena mostró a los presentes que, para

sorpresa de todos, el péndulo "había girado" varios grados.

En esta simulación, el movimiento de péndulo se sustituye por el Movimiento Armónico Simple de un punto P.

x=Acos(ωpt)

Donde ωp es la frecuencia angular de oscilación de este imaginario péndulo.

Se dibuja la trayectoria en el sistema no inercial OX’Y’ aplicando la transformación

x’=x·cos(ω t)=Acos(ωpt)·cos(ω t)y’=x·sin(ω t)=Acos(ωpt)·sin(ω t)

Donde ω es la velocidad angular de rotación

En la figura, se muestra el ángulo girado por el plano de oscilación del "péndulo" durante el periodo de una oscilación. El péndulo parte de A y regresa a B, para iniciar una nueva oscilación. El ángulo girado es Δθ =ω ·P. Siendo P=2π/ωp el periodo de una oscilación

El ángulo girado por el plano de oscilación del péndulo en una hora, es el producto de Δθ  por el número de oscilaciones que da el péndulo en una hora.

Δθ·60·60/P=ω ·60·60=15º a la hora

Teniendo en cuenta que la velocidad angular de rotación ω de la Tierra es de 360º en 24 h.

Para un lugar de latitud λ, el ángulo girado por el plano de oscilación del péndulo en una hora vale 15º·sen λ. La razón estriba en que el vector velocidad angular de rotación ω forma un ángulo 90º-λ con la dirección perpendicular al plano local, tal como se ve en la figura. Recuérdese que la aceleración de Coriolis responsable de este fenómeno es el producto vectorial -2ω × v.

Sabiendo que la latitud de Paris es de aproximadamente 49º, el plano de oscilación del péndulo de Foucault gira a razón de 11.3º cada hora.

Caso particular ω =ωp

Las ecuaciones paramétricas de la trayectoria son

x'=Acos(ωt)cos(ωt)=A2(1+cos(2ωt))y'=Acos(ωt)sin(ωt)=A2sin(2ωt)

Eliminamos el tiempo t de las ecuaciones paramétricas de la trayectoria y obtenemos la ecuación de una circunferencia centrada en el punto (A/2, 0) y de radio A/2.

BIBLIOGRAFÍA:

Dickerson, E. (1993). Principios de química. España. Ed. Reverté S.A. Cabrerizo, M. (2007). Física Recreativa VIII. Universidad de Granada. VIII Edición del Concurso Ciencia en

Acción Zaragoza.