Experimento del efecto fotoeléctrico: ¿el tiempo de carga es proporcional a la corriente?

Question

No estoy muy seguro de qué etiquetas añadir a esta pregunta, pero definitivamente se trata de un experimento de introducción a la física. Permítame refrescarle primero con los fundamentos del efecto fotoeléctrico.

Todos sabemos que en el efecto fotoeléctrico la tensión de parada no es más que la energía cinética obtenida por los electrones desplazados por los fotones que inciden en el fotodiodo. Normalmente medimos experimentalmente la tensión de parada máxima porque sólo conocemos la función de trabajo del metal, que es la energía mínima necesaria para desplazar un electrón de la superficie.

El principal resultado del experimento es que la tensión de parada es proporcional a la frecuencia de la radiación incidente, y no está correlacionada en absoluto con su intensidad. En cambio, es la corriente generada la que debería ser directamente proporcional a la intensidad, ya que la intensidad es simplemente la cantidad de fotones transportados por un haz de luz (y más fotones que inciden en el metal significa más electrones desplazados --> mayor corriente).

Además, el experimento incluye la medición del tiempo de carga necesario para alcanzar el potencial de parada. Este es el aparato que utilizamos: ( http://www.pha.jhu.edu/~c173_608/photoelectric/he9370.pdf ). Estoy bastante seguro de que la mayoría de los experimentos de efecto fotoeléctrico utilizan algo similar, de forma que la tensión de parada se alcanza tras un tiempo de carga no nulo en los circuitos del aparato.

Mi pregunta es la siguiente: ¿El tiempo de carga es proporcional a la corriente? Una cosa segura es que la corriente está correlacionada con el tiempo de carga. Más electrones recibidos por el ánodo por el efecto de desplazamiento de los fotones debería significar un tiempo más rápido para alcanzar el potencial de parada. Tengo miedo de mis corazonadas, pero sospecho que la relación probablemente no es lineal, incluso sin tener en cuenta el ruido y el error aleatorio, sin embargo no puedo dar un argumento sólido para ello. (Por cierto, espero que la relación sea lineal, o al menos tenga una forma matemática sencilla).

¿Puede alguien darme un sí o un no definitivo? Gracias de antemano.

Answer 1

Para responder a tu pregunta debes pensar en toda la medida. En este caso estás midiendo el efecto fotoeléctrico colocando un fotodiodo en un circuito. ¿Qué tipo de elemento del circuito es el fotodiodo? Es una fuente. Y como has señalado anteriormente, es una fuente de tensión constante (con una tensión determinada por la energía de los fotones y la función de trabajo del metal). También está limitada por la corriente (sin carga no puede consumir más corriente que los fotones que entran). Creo que te estás confundiendo un poco, porque la corriente es carga/tiempo, así que depende de la velocidad a la que se mueven los electrones (es decir, del voltaje). Recuerda siempre que se trata de una fuente de tensión constante.

Para proceder a la comprensión de su laboratorio es necesario entender su circuito. Hay un diagrama esquemático del fotodiodo, el amplificador óptico y los circuitos asociados en tu pdf. Estoy seguro de que estás familiarizado con la idea básica: el circuito actúa como un condensador que acumula tensión hasta que la corriente es 0 (o se acerca a 0). La característica de "corriente limitada" de la fuente de alimentación de diodos hace que el condensador se cargue sólo al comienzo de una medición. El truco de este equipo es entender el op-amp. Hay mucha literatura sobre los op-amps. Wiki es siempre un buen lugar para empezar.

Si ya has hecho tu laboratorio te habrás dado cuenta de que EXISTE cierta dependencia de la intensidad. ¿Cómo puedes explicar esto? (como un aparte... lo ideal es que hayas registrado el voltaje frente al tiempo para cada medición y que lo ajustes a una exponencial - esto supone que se trata de un condensador que se carga a voltaje constante) Normalmente les digo a mis estudiantes que lo achaquen a que la impedancia de entrada finita del amplificador hace que la corriente en la entrada del amplificador sea distinta de cero y cambia el mecanismo de retroalimentación. Esta explicación me la dio un profesor hace mucho tiempo, y no estoy seguro de comprármela del todo (Pasco afirma que hay una enorme impedancia de entrada). Sin embargo, nunca se me ocurrió una respuesta mejor mientras enseñaba el laboratorio.