Determinacion de la capa

de masa de aire por medio

de un LED

Yael Hernandez y Pedro Valdes

December 3, 2015

Fecha de realizacion: Noviembre 23, 2015Profesor: Elias Lopez Cruz

1 Objetivos

Determinar de manera experimental la capa de masa de aire por medio del usode un diodo emisor de luz (LED).

1.1 Marco teorico

Diodo LED Es un componente optoelectronico pasivo y, mas concretamente,un diodo que emite luz. Cuando un led se encuentra en polarizacion di-recta, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el dispositivo,liberando energıa en forma de fotones. Este efecto es llamado electrolu-miniscencia y el color de la luz (correspondiente a la energıa del foton)se determina a partir de la banda de energıa del semiconductor. Por logeneral, el area de un led es muy pequena (menor a 1mm2), y se puedenusar componentes opticos integrados para formar su patron de radiacion.Comienza a lucir con una tension de unos 2 Voltios.

Sin embargo el LED tambien puede polarizarse de manera inversa, ycuando a este se le estimula con luz solar, obtenemos como resultado unacorriente y un tension electrica entre las terminales del LED propiciando apensar en un uso mas como sensor que como solo emisor de luz. Estudios

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experimentales muestras que si bien, la coorriente generada por el LEDes muy pequena, la tension de voltaje entre sus terminales puede llegarhasta los 2 Volts en condiciones apropiadas.

Radiacion solar Es el conjunto de radiaciones electromagneticas emitidas porel Sol. El Sol se comporta practicamente como un cuerpo negro, el cualemite energıa siguiendo la ley de Planck a la temperatura de 6000 K.La radiacion solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta.No toda la radiacion alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondasultravioletas mas cortas son absorbidas por los gases de la atmosfera. Lamagnitud que mide la radiacion solar que llega a la Tierra es la irradiancia,que mide la potencia que por unidad de superficie alcanza a la Tierra. Suunidad es el W/m2 (watts por metro cuadrado).

En unas condiciones optimas con un dıa perfectamente claro y con losrayos del Sol cayendo casi perpendiculares, las tres cuartas partes de laenergıa que llega del exterior alcanza la superficie. Casi toda la radiacionultravioleta y gran parte de la infrarroja son absorbidas por la atmosfera.La energıa que llega al nivel del mar suele ser radiacion infrarroja un 49%,luz visible un 42% y radiacion ultravioleta un 9%. En un dıa nubladose absorbe un porcentaje mucho mas alto de energıa, especialmente en lazona del infrarrojo.

Espectro luminoso La luz, sea esta de origen solar, o generada por un focoincandescente o fluorescente, esta formada por un conjunto de radiacioneselectromagneticas de muy alta frecuencia, que estan agrupadas dentro deun cierto rango, llamado espectro luminoso. Las ondas de baja frecuenciadel espectro solar (infrarojo) proporcionan calor, las de alta frecuencia(ultravioleta) hacen posible el proceso de fotosıntesis o el bronceado dela piel, etc. Entre esos dos extremos estan las frecuencias que forman laparte visible de la luz solar. La intensidad de la radiacion luminosa varıacon la frecuencia.

El “color” de la luz solar depende de la composicion del espectro de fre-cuencias. Los fabricantes de focos luminosos, concientes de este fenomeno,tratan de dar a estos un espectro de radiacion luminosa similar al de laluz solar que llega a la Tierra cuando el sol alcanza la posicion del zenith(luz blanca). La intensidad y frecuencias del espectro luminoso generadopor el sol sufre alteraciones cuando la luz atraviesa la atmosfera. Ello sedebe a la absorcion, reflexion y dispersion que toma lugar dentro de laatmosfera. Los gases presentes en la capa atmosferica actuan como filtrospara ciertas frecuencias, las que ven disminuıdas su intensidad o son ab-sorbidas totalmente. El proceso de captar la radiacion mediante un LED,responde a un limitado rango de frecuencias dentro del espectro visible,este proceso descrito anteriormente se estudia especificando un parametrodenominado Masa de Aire.

Masa de aire La posicion relativa del sol respecto a la horizontal del lugardetermina el valor de la masa de aire. Cuando los rayos solares caen

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formando un angulo de 90◦ respecto a la horizontal, se dice que el sol haalcanzado su zenit.

Figure 1: Angulo de incidencia del sol

Para esta posicion la radiacion directa del sol atraviesa una distancia mınimaa traves de la atmosfera. Cuando el sol esta mas cercano al horizonte, estadistancia se incrementa, es decir, la “masa de aire” es mayor. La Fig (1) ilustraesta situacion.A la posicion del zenit se le asigna una masa de aire igual a 1 (M1). Cualquierotra distancia tendra una masa de aire que puede calcularse usando la expresion:

masa de aire =1

cosα(1)

Donde α es el angulo formado entre la posicion de zenit y la posicion del sol enese momento, y cosα es el valor del coseno de ese angulo, el que varıa entre 1y 0 cuando el angulo varıa entre 0 y 90◦. Para valores de α mayores que cero,el valor del cosα es siempre menor que la unidad, de manera que el valor de lamasa de aire se incrementa. Valores para la masa de aire mayores que la unidadindican que la radiacion directa debe atravesar una distancia mayor dentro dela atmosfera. El angulo de inclinacion respecto a la posicion del zenit (vertical)puede ser calculado de la expresion anterior. Se deduce ası que una masa de airede valor 1.5 corresponde a un angulo α de unos 48◦. Algunos autores asignan,arbitrariamente, el valor M = 0 para el espectro luminoso fuera de la atmosfera.Este valor carece de sentido matematico.

2 Materiales

a. Multimetro.

b. LED ultrabrillante rojo.

c. Cinta adhesiva.

d. Tubo delgado de color negro.

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3 Realizacion

La manera de proceder del experimento es sencilla. En primer lugar se identificalas terminales correspondientes al anodo y el catodo de nuestro LED. Posterior-mente ya localizados, el anodo se conecta a la terminal negativa del voltimetroy el catodo a la terminal positiva. Esperamos a que el sol este en el zenit locual ocurre alrededor de las 12 horas, ya que con esto logramos tener una buenareferencia con respecto al valor maximo de voltaje que debemos esperar.Las mediciones se realizaron del dıa 23 al 27 de Noviembre en horas variadascomo se muestra en la tabla de la pagina siguiente. A partir de la hora enque se realizaron las mediciones nosotros podemos estimar el angulo al cual seencontraba sol incidiendo sobre la superficie de la Tierra y tomamos en cuentael hecho de que cada hora el Sol se mueve aproximadamente 15◦ sobre la bovedaterrestre.

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4 Datos experimentales

Lunes 23

Hora Voltaje (V)

11:32 1.35212:33 1.4161:37 1.3583:38 1.3114:57 1.251

Martes 24

Hora Voltaje (V)

10:59 1.40212:03 1.4161:09 1.4022:06 1.2853:05 1.3724:28 1.362

Miercoles 25

Hora Voltaje (V)

9:39 1.36012:28 1.4051:38 1.3902:35 1.3714:19 1.3515:25 1.334

Jueves 26

Hora Voltaje (V)

9:15 1.38610:09 1.40211:16 1.41112:54 1.403:21 1.385

Viernes 27

Hora Voltaje (V)

9:20 1.35410:13 1.38111:19 1.40012:51 1.4112:06 1.3763:29 1.351

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5 Resultados y conclusiones

Graficando el logaritmo natural del voltaje contra la capa de masa obtenemosunas graficas que se muestran a continuacion.

Como vemos de las graficas tenemos un comportamiento lineal que decaeconforme la capa de masa aumenta, esto de debe a mayor hora del dıa el sol

tendra que atravesar una distancia mayor para llegar a la superficie de latierra, es decir, atraviesa una cantidad mas grande de aire antes de que llegue

a nosotros.

References

Smith, J. M. and Jones, A. B. (2012). Chemistry. Publisher, 7th edition.

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