Înapoi la blog
21 octombrie 2026
7 min citire
Curentul fotoelectric de saturație se poate calcula din numărul de electroni colectați în fiecare secundă. Pentru a ajunge la el din puterea luminii, determini energia unui foton, fluxul de fotoni și fracțiunea care produce electroni emiși. Acest lanț este diferit de calculul energiei cinetice maxime sau al tensiunii de oprire.
Lecția este o aplicație a efectului fotoelectric extern, în modulul Optică, pentru profilurile real, militar și tehnologic. Considerăm lumină monocromatică, emisie prin absorbția unui singur foton și colectarea tuturor electronilor emiși în regimul de saturație. Randamentul de emisie este dat explicit; nu presupunem că fiecare foton incident produce obligatoriu un electron.
Lumina eliberează electroni din suprafața fotosensibilă dacă energia fotonului permite procesul. Un câmp electric favorabil îi poate conduce spre colector. Când sunt colectați toți electronii emiși în condițiile modelului, creșterea suplimentară a tensiunii de colectare nu mai mărește curentul: s-a atins saturația.
Saturația nu înseamnă că electronii au energie cinetică zero și nu coincide cu tensiunea de oprire. La oprire, câmpul se opune colectării suficient de mult încât curentul devine nul. La saturație, colectarea este completă, iar curentul are valoarea maximă pentru iluminarea și suprafața date.
De asemenea, curentul de saturație nu măsoară direct energia fiecărui electron. El măsoară un debit de sarcină electrică. Două iluminări pot produce același curent și energii maxime diferite, dacă numărul electronilor colectați pe secundă este același.
Energia unui foton este ε = hν = hc/λ, unde λ este lungimea de undă în vid. Pentru puterea incidentă P a unui fascicul monocromatic, fluxul de fotoni este Φ = P/ε. Unitatea fluxului este numărul de fotoni pe secundă.
Notăm randamentul cuantic de emisie cu η_q, definit aici ca raportul dintre numărul electronilor emiși și numărul fotonilor incidenți. În modelul cu cel mult un electron emis pentru fiecare foton, valoarea este între zero și unu. Debitul electronilor emiși este η_qΦ.
La saturație, toți acești electroni sunt colectați. Curentul este I_s = eη_qΦ = eη_qP/ε. Folosind energia fotonului, obținem I_s = eη_qPλ/(hc). Sarcina elementară e se folosește ca modul pozitiv.
| Etapă | Mărime calculată | Unitate |
|---|---|---|
| Energia individuală | ε = hc/λ | J |
| Fluxul incident | Φ = P/ε | s⁻¹ |
| Debitul electronilor | η_qΦ | s⁻¹ |
| Curentul de saturație | eη_qΦ | A |
Lanțul presupune că lumina poate produce efectul fotoelectric în modelul dat. Dacă energia fotonului este sub lucrul de extracție W, nu aplici un randament pozitiv pentru acea iluminare fără o justificare a altui mecanism.
De exemplu, dacă ε = 2 eV și W = 3 eV, creșterea puterii mărește numărul fotonilor insuficient de energetici, nu energia fiecăruia. În modelul cu un singur foton, emisia nu apare. Nu calcula un curent nenul numai pentru că ai o putere incidentă nenulă.
În exercițiile de numărare a fotonilor, enunțul poate spune direct că radiația este peste prag. Atunci poți continua lanțul fără să recalculezi o condiție pentru care nu sunt oferite alte date. Ipoteza trebuie totuși menționată.
O suprafață este iluminată cu λ = 500 nm și puterea incidentă P = 2 mW. Radiația este peste prag, randamentul de emisie este 5%, iar colectarea este completă. Folosim h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s, c = 3 × 10⁸ m/s și e = 1,60 × 10⁻¹⁹ C.
Transformăm λ în 5 × 10⁻⁷ m și P în 2 × 10⁻³ W. Energia fotonului este aproximativ 3,978 × 10⁻¹⁹ J. Fluxul este P/ε, aproximativ 5,03 × 10¹⁵ fotoni pe secundă.
Randamentul de 5% înseamnă η_q = 0,05. Debitul electronilor este aproximativ 2,51 × 10¹⁴ pe secundă. Înmulțind cu sarcina elementară, obținem I_s ≈ 4,02 × 10⁻⁵ A, adică aproximativ 40,2 μA.
Dacă iluminarea durează zece secunde, sarcina colectată este Q = I_st ≈ 4,02 × 10⁻⁴ C. Numărul total de electroni este Q/e, aproximativ 2,51 × 10¹⁵. Acesta este de zece ori debitul pe secundă, conform duratei alese.
Uneori enunțul oferă puterea pe unitatea de suprafață, exprimată în W/m². Pentru a afla puterea care ajunge pe suprafața activă, înmulțești această valoare cu aria iluminată efectiv, dacă iluminarea este uniformă și perpendiculară conform enunțului.
O valoare de 10 W/m² pe o arie de 2 cm² înseamnă o putere de 10 × 2 × 10⁻⁴ = 2 × 10⁻³ W. Regăsim puterea din exemplul anterior. Conversia ariei cere pătratul factorului de lungime: un centimetru pătrat este 10⁻⁴ metri pătrați.
Nu folosi puterea totală emisă de lampă dacă numai o parte din ea ajunge pe suprafața analizată. Enunțul trebuie să precizeze puterea incidentă sau să ofere date pentru determinarea ei. Geometria iluminării nu poate fi ignorată într-un calcul cantitativ.
O radiație cu energia fotonului ε = 4 × 10⁻¹⁹ J are puterea incidentă P = 1 mW. Curentul de saturație este 8 μA. Determinăm η_q din I_sε/(eP).
Fluxul de fotoni este 10⁻³/(4 × 10⁻¹⁹) = 2,5 × 10¹⁵ pe secundă. Debitul electronilor colectați este 8 × 10⁻⁶/(1,6 × 10⁻¹⁹) = 5 × 10¹³ pe secundă. Raportul este 0,02, adică 2%.
Acesta este un randament de numărare, nu raportul dintre energia electrică utilă și energia luminoasă incidentă. Cele două tipuri de randament au definiții diferite. Nu transforma automat procentul de electroni emiși într-un randament energetic al unui dispozitiv.
La frecvență fixă, cu η_q constant și colectare completă, dublarea puterii dublează curentul de saturație. Energia unui foton și energia cinetică maximă nu se modifică doar prin această dublare a numărului de fotoni.
La aceeași putere, fotonii mai energetici sunt mai puțini pe secundă. Dacă randamentul ar rămâne același și ambele radiații ar fi peste prag, curentul ar fi invers proporțional cu energia fotonului. Într-o suprafață reală, randamentul poate depinde de lungimea de undă, deci condiția de constanță trebuie declarată.
Exercițiul 1. În fiecare secundă sunt colectați 3 × 10¹³ electroni. Ce curent rezultă pentru e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C?
Curentul este 4,8 × 10⁻⁶ A, adică 4,8 μA. Nu este necesară energia fotonului, deoarece debitul electronilor colectați este deja cunoscut.
Exercițiul 2. Fluxul incident este 10¹⁶ fotoni pe secundă, iar randamentul de emisie este 1%. Care este curentul de saturație?
Sunt emiși și colectați 10¹⁴ electroni pe secundă. Curentul este 1,6 × 10⁻⁵ A, adică 16 μA. Procentul a fost transformat în 0,01 înainte de înmulțire.
Exercițiul 3. Puterea se triplează la aceeași frecvență, cu randament constant. Curentul inițial este 6 μA. Ce curent de saturație obții?
Curentul devine 18 μA. Concluzia presupune că regimul de colectare completă și răspunsul proporțional se păstrează.
Exercițiul 4. Poți afla tensiunea de oprire numai din I_s și P?
Nu în general. Ai nevoie de energia fotonului și de lucrul de extracție sau de informații echivalente. Curentul descrie numărul electronilor colectați, nu energia maximă a acestora.
Scrie lanțul energie pe foton → fotoni pe secundă → electroni pe secundă → curent. Exersează pe subiectele de BAC, păstrând distincte condiția energetică și numărarea. Această separare susține înțelegerea fenomenului. Un profesor de fizică poate verifica unitățile și ipotezele randamentului.
Nu. Înseamnă colectarea tuturor electronilor emiși în condițiile modelului. Fracțiunea fotonilor care produce emisie este descrisă separat prin η_q.
Nu la frecvență fixă în modelul analizat. Crește numărul lor, dacă răspunsul rămâne proporțional, nu energia maximă individuală.
Trebuie mai întâi să convertești energia în jouli. Wattul este joule pe secundă, astfel că unitățile trebuie să fie compatibile.
Încadrarea urmează programa oficială. Distincția dintre curent, saturație și oprire este verificată în OpenStax, efectul fotoelectric. Lanțurile numerice și exercițiile sunt originale.
Curriculum scope; all pages visually inspected. Original explanations and examples.
Curriculum scope; all pages visually inspected. Original explanations and examples. (www.edu.ro)Supporting verification as cited in original manuscript.
Supporting verification as cited in original manuscript. (openstax.org)Folosim cookie-uri pentru a îmbunătăți experiența ta pe Hola25. Cookie-urile esențiale sunt necesare pentru funcționarea platformei. Poți personaliza setările pentru cookie-uri de analiză și marketing.
Politica de cookies | Politica de confidențialitateMasa molară este masa unui mol de substanță și se notează cu M. În problemele școlare se exprimă frecvent în grame pe mol, g/mol. O calculezi adunând contribuțiile tuturor atomilor din formula chimică, apoi o folosești în relația n = m/M pentru a transforma masa unei probe în cantitate de substanță.
Alege modulele de fizică și profilul potrivit, apoi exersează mecanica, termodinamica, curentul continuu și optica în blocuri clare.
