CONSTRUCCIÓN DE UNA FOTOCELDA CON DIODOS MODELO 1N4148 O EQUIVALENTE

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO COLEGIO DE CIENCIAS Y HUMANIDADES PLANTEL ORIENTE PONENCIA: CONSTRUCCIÓN DE UNA FOTOCELDA CON DIODOS MODELO 1N4148 O EQUIVALENTE YURI POSADAS VELÁZQUEZ JUNIO DE 2009

2 INTRODUCCIÓN En la percepción del alumno promedio, la fotocelda es un dispositivo oscuro, más parecido a una caja negra, que al recibir energía luminosa algo hace y es capaz de dar una lectura en el multímetro, encender un foquito o mover la hélice colocada en el vástago de un motor eléctrico. La siguiente actividad experimental tiene como propósito principal que el alumno construya una fotocelda empleando un material semiconductor fácil de conseguir (el diodo 1N4148) en el mercado estándar de la electrónica. Al exponer el dispositivo construido a una fuente natural o artificial de energía luminosa, es factible medir una diferencia de potencial con un milivoltímetro. Así, el dispositivo se convierte en una fuente de voltaje o batería que funciona sólo con la energía luminosa que recibe. A partir de esta evidencia, el profesor puede dirigir la actividad del alumno hacia una investigación, lectura, exposición oral, etc para comprender el funcionamiento de las fotoceldas. SUGERENCIA DE ESTRATEGIA DIDÁCTICA APERTURA 1. Mostrar al alumno el funcionamiento de una fotocelda, o bien, emplear este dispositivo en un sencillo experimento para: Mover la hélice de un motor (transformación a energía mecánica). Encender un LED (energía luminosa).

3 Visualizarlo como una batería al medir su diferencia de potencial con un voltímetro (energía eléctrica). 2. Discutir con el grupo el funcionamiento de la fotocelda con base en el (los) experimento(s) realizado(s). DESARROLLO 3. Realización de la actividad experimental (vid. infra). 4. Investigación, exposición de cátedra o lectura para entender el funcionamiento de una fotocelda y los fenómenos involucrados (efecto fotoeléctrico, materiales semiconductores, recombinación, etc). La profundidad con la que se aborde, depende de los intereses del profesor y del grupo. CIERRE 5. Comparar los resultados de la investigación con los del experimento. Todas las fotoceldas están construidas de la misma manera? Las de mayor uso comercial son las elaboradas con semiconductores? Con qué otros materiales puede fabricarse una fotocelda?

4 CONSTRUCCIÓN DE UNA FOTOCELDA CON DIODOS MODELO 1N4148 O EQUIVALENTE Objetivo: construir una celda solar con materiales semiconductores Aprendizajes y estrategias que apoya: investigación sobre nuevas tecnologías y nuevos materiales; e investigación sobre la energía solar (Tema 3.3, Tercera Unidad, Física II). Material y equipo un voltímetro con escala de milivolts una tableta de experimentación electrónica (protoboard) un led de 5 mm, visible, de cualquier color un par de caimanes alambre para realizar las conexiones en la tableta 28 diodos de recuperación rápida modelo 1N4148, 1N914 ó equivalente. un foco de 75 ó 100 watts, con su respectivo cable y enchufe de conexión, u otra fuente luminosa. Una fotocelda comercial (opcional). Procedimiento

5 1. Con los diodos de recuperación rápida, arma el circuito mostrado en la figura 1. Nota que los cátodos y los ánodos se encuentran unidos entre sí. La posición del cátodo está marcada en el cuerpo del diodo por una franja negra. Si tienes dificultades en las conexiones, toma como guía el diagrama pictórico de la figura Enciende el foco y colócalo a unos 10 centímetros por encima del arreglo de diodos que armaste en el protoboard. Conecta la terminal positiva del voltímetro al punto señalado con el signo + y la terminal negativa al signo -. registra el valor del voltaje obtenido: v foco = volts + -

6 A qué se debe la existencia del voltaje medido entre las terminales del arreglo? En qué se transforma parte de la energía luminosa del foco al circular por el circuito? 3. Lleva el arreglo de diodos a un lugar iluminado por el Sol. Mide el voltaje dado por el arreglo de diodos: v sol = volts

7 Cómo es este valor respecto al del foco? Qué pasa con parte de la energía solar cuando incide sobre el arreglo de diodos? Explica por qué el diodo de silicio es capaz de generar energía eléctrica cuando incide luz sobre dicho dispositivo. Toma en cuenta que un diodo está compuesto por una unión semiconductora PN y que ésta se encuentra parcialmente descubierta debido al encapsulado semitransparente del semiconductor. Para investigar 1. Qué significa el término emisión fotoeléctrica? Qué materiales poseen propiedades fotoeléctricas? 2. Cómo y con qué materiales se construyen las fotoceldas que se venden comercialmente? Se fabrican en México? 3. Cuántos diodos de recuperación rápida tendrías que colocar en el arreglo de la figura 1 para obtener el voltaje de una pila de 1.5 volts? 4. Cuáles son las ventajas y desventajas de los dispositivos que aprovechan la energía solar para transformarla en energía eléctrica?

8 5. Cómo calcularías el porcentaje de energía luminosa que se transforma en eléctrica para el arreglo de diodos del experimento? CONCLUSIONES Normalmente, cuando se le muestra al alumno el funcionamiento de una fotocelda, ésta aparece como una caja negra que recibe energía de una fuente luminosa y la transforma en otra (eléctrica o mecánica, por lo general). Aún explicándole el funcionamiento de las fotoceldas, queda la duda de si es factible reproducir una fotocelda o son cajas negras de alta tecnología. Precisamente para que la construcción de una fotocelda no quede como un misterio, es que se propone la actividad experimental descrita en los párrafos anteriores. Es bueno insistir que, si bien el efecto fotoeléctrico es el fundamento para explicar el comportamiento de los materiales fotoconductores, en el caso de las fotoceldas construidas con semiconductores hay que entender otros como los materiales N y P, el proceso de recombinación, etc. Si no se dispone de mucho tiempo para el desarrollo de estos temas, se sugiere armar la fotocelda con los diodos de recuperación rápida y, posteriormente, explicar a nivel conceptual el funcionamiento de la misma. Por último, queda recalcar que la construcción de la fotocelda es relativamente sencillo y no se invierte mucho tiempo en el mismo. Además, el diodo semiconductor con el que se elabora no es difícil de conseguir en el mercado electrónico.