Grado 10
  1. Mecánica  1.1. Dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y Rapidez  1.1.5. Aceleración  1.1.6. Representación gráfica del movimiento  1.1.7. Ecuaciones de movimiento  1.1.8. Caída libre y aceleración debido a la gravedad  1.1.9. Movimiento de un proyectil  1.1.10. Velocidad relativa  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton  1.2.2. Inercia y masa  1.2.3. Fuerza y sus tipos  1.2.4. fuerza de acción y reacción  1.2.5. La fricción y sus efectos  1.2.6. Coefficient of friction  1.2.7. Movimiento circular  1.2.8. Fuerza centrípeta y aceleración centrípeta  1.2.9. Momentum e Impulso  1.2.10. Conservación del momento  1.2.11. Tercera ley de Newton y aplicaciones  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial  1.3.5. Energía mecánica  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.3.8. Fuentes de energía renovables y no renovables  1.4. Fuerza gravitacional  1.4.1. La ley de gravitación universal de Newton  1.4.2. Campo gravitacional y fuerza del campo  1.4.3. Aceleración debida a la gravedad en diferentes planetas  1.4.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.4.5. Órbitas y satélites  1.4.6. Peso y peso aparente  1.4.7. Energía potencial gravitacional
  2. Propiedades de la materia  2.1. Estados de la materia  2.1.1. Sólido, líquido y gas  2.1.2. Estructura molecular de la materia  2.1.3. Fuerzas intermoleculares  2.1.4. Plasma y condensado de Bose–Einstein  2.2. Presión  2.2.1. Definición de Presión  2.2.2. Presión en líquidos  2.2.3. Presión atmosférica  2.2.4. Principio de Pascal  2.2.5. El principio de Arquímedes y la flotabilidad  2.2.6. Tensión superficial y capilaridad  2.3. Elasticidad  2.3.1. La ley de Hooke  2.3.2. Tensión y deformación  2.3.3. Límite elástico y módulo de elasticidad  2.3.4. Aplicaciones de la elasticidad
  3. Física térmica  3.1. calor y temperatura  3.1.1. Diferencia entre calor y temperatura  3.1.2. Escala de temperatura  3.1.3. Dilatación térmica  3.1.4. Equilibrio térmico  3.2. Transferencia de calor  3.2.1. Conductividad  3.2.2. Convección  3.2.3. Radiación  3.2.4. Aislamiento y sus aplicaciones  3.3. Propiedades térmicas de la materia  3.3.1. Capacidad calorífica específica  3.3.2. Calor latente y cambio de fase  3.3.3. Punto de ebullición y punto de fusión  3.3.4. Motores térmicos y refrigeración  3.4. Leyes de la Termodinámica  3.4.1. Ley cero de la termodinámica  3.4.2. Primera ley de la termodinámica  3.4.3. Segunda ley de la termodinámica  3.4.4. Ciclo de Carnot
  4. Ondas y óptica  4.1. Nature and properties of waves  4.1.1. Tipos de ondas en la naturaleza y propiedades de las ondas  4.1.2. Olas transversales y longitudinales  4.1.3. Parámetros de las ondas  4.1.4. Reflexión y refracción de ondas  4.1.5. Superposición e Interferencia  4.1.6. Ondas estacionarias y resonancia  4.1.7. Efecto Doppler  4.2. Ondas sonoras  4.2.1. Características de las ondas sonoras  4.2.2. Velocidad del sonido en diferentes medios  4.2.3. Aplicaciones de las ondas sonoras  4.2.4. Ultrasonido y sus usos  4.3. Ondas de Luz y Óptica  4.3.1. Naturaleza de la luz  4.3.2. Reflexión de la luz  4.3.3. Leyes de la reflexión  4.3.4. Espejos y Formación de Imágenes  4.3.5. Refracción de la luz  4.3.6. La Ley de Snell  4.3.7. Lentes y Formación de Imágenes  4.3.8. Reflexión interna total y ángulo crítico  4.3.9. Fibra óptica  4.4. Instrumentos Ópticos  4.4.1. Microscopio  4.4.2. Telescopio  4.4.3. Ojo humano y defectos de visión  4.4.4. Cámara y su principio de funcionamiento
  5. Electricidad y Magnetismo  5.1. Electrostática  5.1.1. Carga eléctrica y sus propiedades  5.1.2. Conductores e Aislantes  5.1.3. La ley de Coulomb  5.1.4. Campo eléctrico y líneas de campo  5.1.5. Potencial eléctrico y diferencia de potencial  5.1.6. Capacitores y Capacitancia  5.2. Electricidad Actual  5.2.1. Corriente eléctrica y su medición  5.2.2. La ley de Ohm  5.2.3. Resistencia y resistividad  5.2.4. Circuitos en Serie y en Paralelo  5.2.5. Energía y potencia eléctricas  5.2.6. Leyes de Kirchhoff  5.3. Magnetismo y Electromagnetismo  5.3.1. Campo magnético y líneas de campo  5.3.2. Efectos magnéticos de la corriente eléctrica  5.3.3. Inducción electromagnética  5.3.4. Leyes de Faraday de la inducción electromagnética  5.3.5. Transformadores y Aplicaciones  5.3.6. Corriente AC y DC
  6. Física Moderna  6.1. Física nuclear  6.1.1. Estructura del átomo  6.1.2. Modelo atómico de Bohr  6.1.3. Niveles de Energía del Electrón  6.1.4. Rayos X y aplicaciones  6.2. Radiactividad  6.2.1. Tipos de radiación  6.2.2. Vida media y desintegración radiactiva  6.2.3. Reacciones nucleares y aplicaciones  6.2.4. Fisión y Fusión  6.3. Física cuántica  6.3.1. Dualidad onda-partícula  6.3.2. Efecto fotoeléctrico  6.3.3. Cuantización de la energía  6.3.4. El principio de incertidumbre de Heisenberg
  7. Electrónica y Comunicación  7.1. Semiconductores  7.1.1. Conductores, aislantes y semiconductores  7.1.2. Diodos y sus aplicaciones  7.1.3. Transistores y Puertas Lógicas  7.1.4. LEDs y fotodiodos  7.2. Sistemas de Comunicación  7.2.1. Fundamentos de la comunicación  7.2.2. Señales analógicas y digitales  7.2.3. Comunicación inalámbrica y fibra óptica  7.2.4. Ondas de radio y modulación

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LEDs y fotodiodos


En el fascinante mundo de la electrónica y las comunicaciones, los semiconductores juegan un papel vital. Dos de los componentes más comunes y esenciales son el LED (Diodo Emisor de Luz) y el fotodiodo. Estos componentes son fundamentales para una amplia variedad de aplicaciones que van desde la electrónica básica hasta los sistemas de comunicaciones complejos.

Comprendiendo los semiconductores

Antes de profundizar en los LEDs y los fotodiodos, es importante entender qué son los semiconductores. Los semiconductores son sustancias que tienen un nivel de conductividad entre los conductores (como los metales) y los aislantes (como el vidrio). El material semiconductor más común es el silicio. Los semiconductores se utilizan para controlar y amplificar señales eléctricas, lo que los hace esenciales para los dispositivos electrónicos.

Diodos Emisores de Luz (LEDs)

Los LEDs son tipos especiales de diodos que emiten luz cuando la corriente eléctrica fluye a través de ellos. La luz emitida puede ser de diferentes colores, dependiendo del material utilizado en el LED.

Cómo funcionan los LEDs

Los LEDs están hechos de un tipo especial de material semiconductor. Cuando se aplica corriente, los electrones pasan a través del semiconductor y liberan energía en forma de fotones, produciendo luz. Este proceso se llama electroluminiscencia.

Una representación visual del símbolo de un LED con líneas de corriente eléctrica.

Usos comunes de los LEDs

  • Luces indicadoras en electrodomésticos y electrónicos.
  • Retroiluminación en las pantallas de dispositivos como smartphones y televisores.
  • Luces de carretera y de tráfico.
  • Iluminación decorativa y pantallas publicitarias.

Ventajas del LED

Los LEDs tienen varias ventajas sobre las fuentes de luz tradicionales, como las bombillas incandescentes:

  • Eficiencia energética: Los LEDs consumen menos energía para producir la misma cantidad de luz.
  • Larga vida útil: Tienen una larga vida operativa, reduciendo la necesidad de reemplazos frecuentes.
  • Durabilidad: Los LEDs son más robustos y resistentes a golpes y vibraciones.
  • Amigables con el medio ambiente: No contienen elementos tóxicos como mercurio.

Fotodiodos

Los fotodiodos son dispositivos semiconductores que convierten la luz en corriente eléctrica. Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como sensores de luz, células solares y dispositivos de comunicación óptica.

Cómo funcionan los fotodiodos

Los fotodiodos están hechos del mismo material semiconductor que los LEDs. Sin embargo, en lugar de emitir luz, funcionan al revés absorbiendo luz. Cuando la luz incide sobre el fotodiodo, excita electrones, creando pares de electrones-hueco, lo que genera una corriente.

Representación visual de un símbolo de fotodiodo con flechas de absorción de luz.

Aplicaciones de los fotodiodos

  • Comunicaciones ópticas: Los fotodiodos se utilizan en sistemas de comunicación por fibra óptica para convertir señales de luz en señales eléctricas.
  • Sensores de luz: Se utilizan ampliamente en dispositivos que miden la intensidad de la luz, como luxómetros y cámaras.
  • Células solares: Los fotodiodos pueden utilizarse para convertir la luz solar en energía eléctrica.
  • Dispositivos médicos: Se utilizan en equipos de imagen y diagnóstico médico.

Tipos de fotodiodos

Existen varios tipos de fotodiodos, cada uno adecuado para diferentes aplicaciones:

  • Fotodiodo PN: Un tipo básico construido a partir de uniones PN que se utiliza en aplicaciones simples.
  • Fotodiodo PIN: Posee una capa intrínseca entre los materiales de tipo P y tipo N, lo que proporciona un mejor rendimiento en términos de velocidad y sensibilidad.
  • Fotodiodo de avalancha: Utiliza el efecto de avalancha para lograr alta sensibilidad y ganancia.

La física detrás de los LEDs y los fotodiodos

El funcionamiento de los LEDs y los fotodiodos se basa en diferentes principios fundamentales de la física relacionados con los semiconductores.

Bandas de energía y brecha de banda

En física del estado sólido, la teoría de bandas explica el comportamiento de los electrones en sólidos usando bandas de energía:

1. Banda de valencia: La banda de energía donde los electrones existen a cero energía.

2. Banda de conducción: Los electrones ganan suficiente energía y se mueven libremente, contribuyendo a la conductividad eléctrica.

3. Brecha de banda: La diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción. En semiconductores, esta brecha permite controlar el flujo de electrones.

Brecha de Banda Energética < E_Conducción - E_Valencia

Unión PN

La unión PN se crea combinando materiales semiconductores de tipo p y tipo n. Esto permite que los LEDs y los fotodiodos funcionen:

  • Para los LEDs, cuando están en polarización directa, los electrones y los huecos se combinan en la unión y emiten luz.
  • Para los fotodiodos, cuando están en polarización inversa, los fotones entrantes excitan electrones, produciendo una corriente eléctrica.
Tipo P Tipo N Región de agotamiento

Ilustración de una unión PN mostrando una región de agotamiento.

Conclusión

Los LEDs y los fotodiodos son componentes críticos en los campos de la electrónica y las comunicaciones debido a su eficiencia, funcionalidad y versatilidad. Al comprender su funcionamiento, aplicaciones y especialmente la física subyacente de los semiconductores, obtenemos una visión clara de cómo la electrónica moderna utiliza estos componentes para una amplia gama de soluciones prácticas. Desde iluminar nuestros hogares hasta permitir conexiones a Internet de alta velocidad, el impacto de los LEDs y los fotodiodos es tanto profundo como omnipresente en nuestra sociedad tecnológica.


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