Simulador de Efecto Fotoeléctrico

⚡ ¿Más luz = más electrones?
Eso creían los físicos… hasta que vieron que, a veces, ni con mil focos salía uno.
Con este simulador de Efecto Fotoeléctrico vas a descubrir por qué Einstein rompió las reglas y qué tiene que ver la frecuencia con todo esto.

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📋 Detalles de la simulación

📂 Categoría: Física Moderna
🎓 Nivel educativo: Bachillerato
⚙️ Dificultad: Media
📈 N.º de veces usada: 12

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Introducción al Efecto Fotoeléctrico

Hola. Hoy nos metemos de lleno con un fenómeno que la verdad cambió bastante cómo entendíamos la luz y la materia. Hablamos del efecto fotoeléctrico. Efectivamente. Que además es algo que se puede ver muy bien, ¿eh?, con la simulación que tenemos delante.

O sea, imagínate, apuntas con luz a un metal y zas, empiezan a saltar electrones. Sí, se genera una corriente. Parece casi magia, pero no, no,

es física pura y dura, y de la interesante. Totalmente. Es un proceso donde la luz interactúa con los electrones de un material de una forma, bueno, muy particular.

Vamos a ver qué factores influyen ahí, ¿no? Y cómo se relacionan. Sobre todo pensando en cómo manejar la simulación para entenderlo bien. Vale. La idea es entender qué controla esta interacción luz-materia a este nivel.

Perfecto. Pues, eh, vamos a ello. Tenemos las descripciones del efecto y la propia simulación para experimentar. Veremos cómo la energía de la luz, el tipo de metal que elijamos

y otros ajustes que podemos tocar, Sí. pues cómo afectan a si los electrones se liberan o no y con qué energía salen. Si te parece, empezamos por lo más básico.

¿Qué pasa ahí exactamente? Pues mira, lo fundamental es que la luz, al darle a ciertos metales, puede arrancar electrones de su superficie. Vale.

Y eso genera la corriente eléctrica que comentábamos. Pero lo curioso, y aquí es donde la física clásica se quedó un poco pillada, ¿no? Ajá. Es que no servía cualquier tipo de luz.

Podías estar iluminando un metal con una luz superintensa durante horas, pero si no era de la frecuencia adecuada, pues nada. Nada de nada. Ni un electrón.

Ni uno. Cero. Y eso era un misterio tremendo en su momento.

La Naturaleza Cuántica de la Luz: Fotones

Claro, y ahí es donde entra la idea esta genial de que la luz no es una onda continua y ya está, sino que viene como en paquetitos. Justo. Como en paquetes discretos de energía.

Se llaman fotones. Fotones. Y cada fotón lleva una cantidad de energía muy concreta, que depende de su frecuencia ($f$), o si lo prefieres, de su longitud de onda ($\lambda$).

La lambda, que es lo que movemos en el simulador. Ah, vale, la barrita esa que deslizamos. Esa misma.

Energía del Fotón y Constante de Planck

La relación es: $$E = hf = \frac{hc}{\lambda}$$ Donde $h$ es la constante de Planck, un número clave en cuántica, y $c$ la velocidad de la luz. La de siempre. La de siempre.

Para la simulación, lo importante es si bajas la longitud de onda lambda ($\lambda$), aumentas la energía de cada fotón individual. Entendido. Menos lambda, fotones como más energéticos, más potentes.

¿Y el metal? Porque veo que en la simulación podemos cambiar de sodio a zinc, a litio... Claro, porque no todos los metales sueltan sus electrones igual de fácil.

Cada uno tiene como una especie de barrera de energía que hay que superar. Ajá.

La Función de Trabajo ($\phi$)

A eso se le llama la función de trabajo. Se representa con la letra griega phi: $$ \phi $$ Es la energía mínima, mínima que necesita un fotón para poder arrancar un electrón de ese metal en particular.

O sea, cada metal tiene la suya. Cada uno la suya, sí. Se suele medir en electronvoltios (eV), que es una unidad de energía pequeñita, muy útil a esta escala.

Por ejemplo, el litio que mencionabas tiene una función de trabajo de unos 2,9 eV. Vale.

Condición para la Emisión de Electrones

Pues si la energía del fotón que llega, que es $E_{fotón} = \frac{hc}{\lambda}$, es menor que esos 2,9 eV... Aunque mandes muchísimos fotones... Da igual cuántos mandes.

Si individualmente no tienen energía suficiente ($E_{fotón} < \phi$), no se libera ni un solo electrón. Cero corriente. Es como una llave, ¿no? Si no es la llave correcta para esa cerradura (la función de trabajo), no abres.

Exactamente. Esa es la idea. Pero, ¿y si la energía del fotón sí es mayor que phi? $$ E_{fotón} > \phi $$ Ah, entonces sí que saltan los electrones. ¡Bingo!

Energía Cinética de los Fotoelectrones ($KE_{max}$)

El electrón se libera. Y además, la energía que le sobra al fotón, después de superar esa barrera $\phi$... ¿Qué pasa con ella? Se convierte en la energía de movimiento del electrón.

Es su energía cinética máxima, la $KE_{max}$. Ah, claro. La fórmula es sencilla: $$ KE_{max} = E_{fotón} - \phi = \frac{hc}{\lambda} - \phi $$

Por eso, si en la simulación usas longitudes de onda más cortas (o sea, fotones con más energía)... Veremos electrones saliendo más rápido. Justo. No solo salen,

sino que salen disparados con más velocidad, con más $KE_{max}$. Se ve perfectamente en la animación. Vale, vale. Captado.

Influencia de la Intensidad de la Luz

La energía del fotón es crucial, depende de lambda ($\lambda$). Pero, ¿qué pasa con la intensidad de la luz? Si ya estoy usando una luz buena, con energía por encima de $\phi$, y ahora subo la intensidad en el simulador, ¿qué cambia?

Buena pregunta, porque ahí la intuición también nos puede jugar malas pasadas. Aumentar la intensidad, cuando ya estás por encima de esa energía umbral $\phi$, Sí.

lo que significa es que estás mandando más fotones cada segundo. Pero ojo. ¿Qué? Cada uno de esos fotones sigue teniendo exactamente la misma energía individual que antes.

La intensidad no cambia la energía de cada fotón. Ah, vale. Entonces, como cada fotón con energía suficiente libera un electrón, si mandas más fotones...

Liberas más electrones por segundo. Exacto. Y más electrones por segundo significa... Más corriente eléctrica. Lo que mide el amperímetro en la simulación. Eso es.

El amperímetro sube, pero, y eso es importante, si la energía de cada fotón no era suficiente para empezar, estaba por debajo de $\phi$, ya puedes subir la intensidad todo lo que quieras.

Que no sirve de nada. Más fotones inútiles no consiguen nada. La corriente sigue siendo cero patatero. Clarísimo.

Intensidad es cantidad de fotones, no calidad energética de cada uno.

Potencial de Frenado ($V_0$)

Oye, ¿y el voltaje ese negativo que se puede aplicar, que parece que frena a los electrones? Sí. Eso es el potencial de frenado ($V_0$). Es como ponerles un freno eléctrico.

¿Cómo funciona? Pues aplicas un voltaje negativo en la placa que recoge los electrones. Eso crea un campo eléctrico que los repele, que los frena.

Si vas subiendo ese voltaje negativo... Los frenas cada vez más. Correcto. Hasta que llegas a un punto en que frenas incluso a los más rápidos, a los que salieron con la $KE_{max}$.

Y la corriente se hace cero. Exacto. Ese valor de voltaje justo que anula la corriente es el potencial de frenado. Y está directamente relacionado con la energía cinética máxima: $$ KE_{max} = e V_0 $$

Donde $e$ es la carga del electrón. De hecho, $KE_{max}$ es igual a la carga del electrón multiplicada por ese potencial de frenado. Es una forma de medir esa $KE_{max}$ indirectamente. Vaya.

Resumen y Conexión con la Naturaleza Corpuscular de la Luz

O sea que todo este lío se explica pensando en la luz como si fueran partículas, fotones, chocando y pasando energía. Básicamente sí.

Una idea que parece simple ahora, pero que fue super revolucionaria. Le valió el Nobel a Einstein, ¿no? Ni más ni menos. Fue un paso clave

para abrir la puerta a la física cuántica. A entender que el mundo a escala muy pequeña funciona con otras reglas. Y pensar que esto mismo está pasando en las placas solares, por ejemplo.

Exactamente.

Conclusiones Clave de la Simulación

Al final, todo se reduce a comparar la energía que trae cada fotón (que en la simulación controlas con $\lambda$), con la energía mínima que necesita el metal para soltar un electrón, su función de trabajo $\phi$.

Si gana el fotón ($E_{fotón} > \phi$), sale el electrón. Y la energía que sobra se la lleva el electrón como energía cinética ($K_{max}$).

La intensidad solo dice cuántos fotones ganadores llegan por segundo. Mmm. Por eso, jugar con la simulación es genial para pillar estas relaciones.

Cambias $\lambda$, ves qué pasa con la energía y la $K_{max}$. Cambias el material, ves cómo afecta $\phi$. Subes la intensidad, ves cómo sube la corriente.

Pero no la energía de cada electrón. Pues sí, la verdad es que ahora queda mucho más claro cómo funciona y qué esperar al tocar cada control en la simulación.

Pregunta Final: Dualidad Onda-Partícula

Y bueno, para dejar algo en el aire mientras se experimenta. Si la luz, que siempre pensamos como una onda, aquí se comporta como partículas, como fotones. Ajá.

¿Podría ser al revés? ¿Podrían las partículas, como los propios electrones, comportarse a veces como si fueran ondas? Ahí lo dejo.

Mmm, interesante pregunta para darle vueltas. Sí, señor.

🔍 ¿Qué es el efecto fotoeléctrico?

El efecto fotoeléctrico es uno de esos fenómenos que te obligan a replantearte cómo funciona el mundo. Básicamente, si haces brillar luz sobre ciertos metales, puedes arrancar electrones. Pero ojo: no vale cualquier luz. Solo si la energía del fotón supera un cierto umbral —la famosa función de extracción $ \varphi $—, el electrón puede liberarse. Si no, ni aunque le lances focos de estadio. Así de exigente es la física cuántica.

Descripción de la imagen sobre el efecto fotoeléctrico — Ilustración del **efecto fotoeléctrico**: la **luz incidente** libera electrones del metal si supera la **función de extracción** $ \varphi $.

Este fenómeno tiene su propia explicación física, elegante y afilada como un bisturí. Y lo mejor es que puedes jugar con él tú mismo gracias al simulador de AulaQuest.

💡 Energía de los fotones

La energía de los fotones se calcula con una fórmula simple, pero que abrió la puerta a toda la física cuántica:

$ E_{\text{fotón}} = h \cdot f = \frac{h \cdot c}{\lambda} $

Donde:

$ h = 6{,}626 \times 10^{-34} \, \text{J·s} $: constante de Planck
$ c = 3{,}00 \times 10^8 \, \text{m/s} $: velocidad de la luz
$ \lambda $: longitud de onda en metros
$ f $: frecuencia de la luz, en hercios (Hz)

Y por si prefieres trabajar con la frecuencia directamente, recuerda que:

$ f = \frac{c}{\lambda} $

👉 Esto significa que si reduces $ \lambda $, estás aumentando $ f $, y por tanto también la energía de cada fotón. Exactamente lo que puedes hacer con el control deslizante de longitud de onda en la simulación: menor $ \lambda $ → fotones más energéticos.

🛡️ Función de extracción (Φ)

Aquí entra en juego nuestro querido umbral, la función de extracción $ \varphi $. Es la mínima energía que necesita un fotón para arrancar un electrón del metal. Cada material tiene su propia barrera:

Litio: $ \varphi = 2.90\,\text{eV} $
Zinc, sodio... cada uno tiene su propia barrera.

Si el fotón no llega a esa energía, da igual cuántos mandes: no sale ni uno.

⚡ Fórmula del efecto fotoeléctrico

Cuando el fotón sí supera la barrera, la energía sobrante se transforma en energía cinética para el electrón:

$ E_{\text{fotón}} = \varphi + K_{\text{E máx}} $

O también:

$ K_{\text{E máx}} = E_{\text{fotón}} - \varphi $

Así que si sabes cuánto vale $ E_{\text{fotón}} $ y conoces $ \varphi $, puedes calcular la velocidad con la que escapan los electrones. En la simulación, esto aparece directamente como $ K_{\text{E máx}} $. Todo bien mascadito.

🔊 Intensidad: cantidad, no calidad

Ahora, cuidado con una trampa habitual: la intensidad de la luz no aumenta la energía de los fotones. Solo manda más fotones por segundo.

Si $ E_{\text{fotón}} < \varphi $: puedes subir la intensidad lo que quieras, no pasa nada.
Si $ E_{\text{fotón}} > \varphi $: más intensidad = más electrones = más corriente (eso que ves subir en el amperímetro).

🧲 Potencial de frenado: frena que hay curva

¿Y si quieres medir cuánta energía cinética tienen los electrones? Fácil. Les pones un voltaje negativo en el ánodo y los vas frenando. Llega un momento en que la corriente cae a cero. Ese punto se llama potencial de frenado.

$ e \cdot V_{\text{frenado}} = K_{\text{E máx}} $

O sea, puedes calcular indirectamente la energía cinética máxima con solo mirar el voltímetro. Magia cuántica.

🧠 Efecto fotoeléctrico resumen

Ya tienes todo para impresionar en clase:

La energía de los fotones se ajusta cambiando $ \lambda $.
Si supera la función de extracción $ \varphi $, hay emisión.
Lo que sobra se transforma en energía cinética $ K_{\text{E máx}} $.
La intensidad solo afecta a cuántos electrones salen, no a su energía.
El potencial de frenado te ayuda a medir $ K_{\text{E máx}} $.

Todo eso lo puedes ver en tiempo real con nuestro simulador. Y lo mejor: ahora sabes cómo funciona y por qué.

🎮 ¡Toca experimentar!

Baja $ \lambda $, sube $ E_{\text{fotón}} $.
Cambia de material y observa cómo influye $ \varphi $.
Juega con la intensidad y el voltaje.

Esta no es solo una simulación. Es un laboratorio cuántico al alcance de tu clic. Einstein se llevó un Nobel por entender esto. Tú puedes dominarlo desde tu pantalla.

🤓 Has entendido de verdad el efecto fotoeléctrico?

Has explorado la simulación. Has escuchado (o leído) el PodQuest. Has revisado la teoría paso a paso. Ahora es el momento de poner en práctica lo aprendido: ¿realmente has comprendido los conceptos?

A continuación encontrarás una actividad de repaso diseñada para ayudarte a aplicar tus conocimientos utilizando la simulación.

Esta actividad está pensada como parte de una dinámica de aula, pero también puede realizarse de forma individual. Los ejercicios están organizados por bloques, y no es necesario completar ni enviar todos. El profesor puede decidir con cuáles trabajar en función de los objetivos de la sesión.

Lo importante es que respondas con atención. Tus respuestas le ayudarán al profesor a valorar tu progreso... y a ti, a saber si has comprendido de verdad los conceptos o si necesitas repasarlos un poco más.

🧪 Parte 1: ¿Puede esta luz arrancar electrones?

Condiciones iniciales: Material: Potasio

Longitud de onda: 540 nm
Intensidad: 50%
Voltaje: 0.00 V

1.Observa lo que ocurre con esos valores. ¿Se produce corriente? ¿Por qué crees que sucede esto?

2. Reduce la longitud de onda poco a poco (por ejemplo a 520 nm, 500 nm, 480 nm…).

¿Cuál es la longitud de onda más grande (λ) que todavía permite la emisión de electrones en el potasio?

3. Compara ahora con otros materiales.

¿Qué material permite arrancar electrones con la longitud de onda más larga?

Sodio (Na)
Cesio(Cs)
Uranio(U)
Platino(pt)

4. Encuentra la longitud de onda mínima que permite arrancar electrones en cada material.

Usando el simulador, reduce poco a poco la longitud de onda para cada uno de estos materiales (K, Ca, U) hasta encontrar el valor más largo (λ máxima) que todavía permite la emisión de electrones (es decir, donde la corriente deja de ser cero).

Calcula la frecuencia $f = \frac{c}{\lambda}$ y luego la energía del fotón $E = h \cdot f$. Usa:

$h = 4.136 \times 10^{-15} \, \text{eV·s}$
$c = 3 \times 10^8 \, \text{m/s}$

Elementos a investigar: Potasio (K), Calcio (Ca) y Uranio (U)

Elemento	Longitud de onda máxima (nm)	Frecuencia (Hz)	Energía del fotón (eV)

⚡ Parte 2: Cambios en la intensidad de luz

5. Elemento: cesio, longitud de Onda 400nm.

Prueba con intensidad 10%, 50% y 100%. ¿Qué observas en la corriente eléctrica generada?

¿La energía de los electrones cambia también?

6. ¿Cuál de estas afirmaciones es cierta según tu experimento?

(Se puede marcar mas de una opción)

A mayor intensidad mayor energía de los electrones
A mayor intensidad más electrones son arrancados pero su energía no cambia
La intensidad afecta solo a la velocidad de los electrones

🔋 Parte 3: Explorando el voltaje de frenado

Usa longitud de onda = 300 nm, intensidad = 100%, material Uranio

7. Disminuye el voltaje de forma progresiva desde 0 V hasta que dejen de llegar electrones al amperímetro.
¿Cuál es el voltaje que permite el paso de electrones?

8. Este valor corresponde a la energía cinética máxima de los electrones emitidos. ¿Cuánto vale?

9. ¿Por qué crees que la energía cinética máxima no cambia aunque varies el voltaje?

🧬 Parte 4: Explorando la tabla periódica y la función de trabajo

En general, la dificultad para arrancar electrones aumenta de izquierda a derecha en cada periodo de la tabla periódica. Busca en la tabla periódica potasio (K), calcio (Ca) y uranio (U).

10. Basándote en sus posiciones, indica cuál de ellos tendrá una función de trabajo más baja y cuál más alta:

Menor función de trabajo	Mayor función de trabajo:

11. Basándote en los resultados obtenidos en la tabla, explica cuál de ellos retiene más fuertemente sus electrones.

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Soluciones de las actividades Propuestas

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Bienvenido a la Zona Profe. Aquí encontrarás las soluciones detalladas de las actividades propuestas para tus estudiantes. Cada una ha sido elaborada con rigor y cuidado, basándonos en los datos del simulador y principios físicos sólidos.

Eso sí, aunque revisamos todo con atención, puede colarse alguna imprecisión. Te recomendamos que, antes de usar estas soluciones para corregir o explicar en clase, verifiques los cálculos por si acaso. Gracias por tu confianza y por hacer de la ciencia algo emocionante.

Actividades enviadas por maestros

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👨‍🏫 Profesor: Jose Luis Bernal

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