Анод — это электрод поляризованного электрического устройства, через который в устройство поступает обычный ток . Это контрастирует с катодом , электродом устройства, через который обычный ток покидает устройство. Распространенное мнемоническое обозначение — ACID, что означает «анодный ток в устройство». [1] Направление обычного тока (потока положительных зарядов) в цепи противоположно направлению потока электронов , поэтому (отрицательно заряженные) электроны текут от анода гальванического элемента во внешнюю или внешнюю цепь, подключенную к элементу. Например, конец бытовой батареи, помеченный знаком «+», является катодом (при разряде).
И в гальваническом элементе , и в электролитическом элементе анод — это электрод , на котором происходит реакция окисления . В гальваническом элементе анод — это провод или пластина, имеющие избыточный отрицательный заряд в результате реакции окисления. В электролитическом элементе анод — это провод или пластина , на которые накладывается избыточный положительный заряд. [2] В результате этого анионы будут стремиться двигаться к аноду, где они подвергнутся окислению.
Исторически анод гальванического элемента также назывался цинкодом, поскольку он обычно состоял из цинка. [3] [4] : стр. 209, 214
Термины анод и катод определяются не полярностью напряжения электродов, а направлением тока через электрод. Анод — это электрод устройства, через который обычный ток (положительный заряд) течет в устройство из внешней цепи, в то время как катод — это электрод, через который обычный ток течет из устройства. Если ток через электроды меняет направление, как это происходит, например, в перезаряжаемой батарее при ее зарядке, роли электродов как анода и катода меняются местами. [ необходима цитата ]
Обычный ток зависит не только от направления движения носителей заряда , но и от электрического заряда носителей . Токи за пределами устройства обычно переносятся электронами в металлическом проводнике. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, направление потока электронов противоположно направлению обычного тока. Следовательно, электроны покидают устройство через анод и попадают в устройство через катод. [ необходима цитата ]
Определение анода и катода отличается для электрических устройств, таких как диоды и вакуумные трубки , где наименование электрода фиксировано и не зависит от фактического потока заряда (тока). Эти устройства обычно допускают значительный ток в одном направлении, но незначительный ток в другом направлении. Поэтому электроды называются на основе направления этого «прямого» тока. В диоде анод — это клемма, через которую входит ток, а катод — это клемма, через которую выходит ток, когда диод смещен в прямом направлении . Названия электродов не меняются в случаях, когда через устройство протекает обратный ток. Аналогично, в вакуумной трубке только один электрод может испускать электроны в вакуумную трубку из-за нагрева нитью накала, поэтому электроны могут попадать в устройство только из внешней цепи через нагретый электрод. Поэтому этот электрод постоянно называется катодом, а электрод, через который электроны выходят из трубки, называется анодом. [ необходима цитата ]
Полярность напряжения на аноде по отношению к связанному с ним катоду меняется в зависимости от типа устройства и режима его работы. В следующих примерах анод отрицательный в устройстве, которое обеспечивает питание, и положительный в устройстве, которое потребляет питание:
В разряжающейся батарее или гальваническом элементе (схема слева) анод является отрицательным выводом: это то место, где обычный ток течет в элемент. Этот внутренний ток переносится наружу электронами, движущимися наружу. [ необходима цитата ]
В перезаряжаемой батарее или электролитической ячейке анод — это положительный вывод, наложенный внешним источником разности потенциалов. Ток через перезаряжаемую батарею противоположен направлению тока во время разряда; другими словами, электрод, который был катодом во время разряда батареи, становится анодом во время зарядки батареи. [ необходима цитата ]
В аккумуляторной технике принято обозначать один электрод перезаряжаемой батареи как анод, а другой как катод в соответствии с ролями, которые играют электроды, когда батарея разряжается. И это несмотря на то, что роли меняются, когда батарея заряжается. Когда это делается, «анод» просто обозначает отрицательный вывод батареи, а «катод» обозначает положительный вывод.
В диоде анод — это клемма, представленная хвостом символа стрелки (плоская сторона треугольника), где обычный ток течет в устройство. Обратите внимание, что наименование электродов для диодов всегда основано на направлении прямого тока (направлении стрелки, в котором ток течет «легче всего»), даже для таких типов, как диоды Зенера или солнечные элементы, где интересующий ток — это обратный ток. [ необходима цитата ]
В вакуумных лампах или газонаполненных лампах анод — это клемма, через которую ток поступает в лампу. [ необходима цитата ]
Слово было придумано в 1834 году от греческого ἄνοδος ( anodos ), «восхождение», Уильямом Уэвеллом , с которым консультировался [4] Майкл Фарадей по поводу некоторых новых названий, необходимых для завершения статьи о недавно открытом процессе электролиза . В этой статье Фарадей объяснил, что когда электролитическая ячейка ориентирована так, что электрический ток проходит через «разлагающееся тело» (электролит) в направлении «с Востока на Запад, или, что усилит эту помощь памяти, в том направлении, в котором, как кажется, движется солнце», анод находится там, где ток входит в электролит, с восточной стороны: « ano вверх, odos путь; путь, которым восходит солнце». [5] [6]
Использование слова «Восток» для обозначения направления «внутрь» (на самом деле «внутрь» → «Восток» → «восход солнца» → «вверх») может показаться надуманным. Ранее, как указано в первой ссылке, цитируемой выше, Фарадей использовал более простой термин «эйсод» (дверь, через которую входит ток). Его мотивацией для изменения его на что-то, означающее «Восточный электрод» (другими кандидатами были «востокод», «ориод» и «анатолод»), было сделать его невосприимчивым к возможному более позднему изменению соглашения о направлении для тока , точная природа которого в то время не была известна. Ссылкой, которую он использовал для этого эффекта, было направление магнитного поля Земли, которое в то время считалось инвариантным. Он принципиально определил свою произвольную ориентацию для ячейки как такую, при которой внутренний ток будет проходить параллельно и в том же направлении, что и гипотетическая намагничивающая токовая петля вокруг локальной линии широты, которая будет индуцировать магнитное дипольное поле, ориентированное подобно земному. Это сделало внутренний ток направленным с востока на запад, как упоминалось ранее, но в случае более позднего изменения соглашения он стал бы направленным с запада на восток, так что восточный электрод больше не был бы «путем внутрь». Таким образом, «эйсод» стал бы неуместным, тогда как «анод», означающий «восточный электрод», остался бы правильным относительно неизменного направления фактического явления, лежащего в основе тока, тогда неизвестного, но, как он думал, однозначно определенного магнитной ссылкой. Оглядываясь назад, изменение названия было неудачным не только потому, что греческие корни сами по себе больше не раскрывают функцию анода, но, что более важно, потому что, как мы теперь знаем, направление магнитного поля Земли, на котором основан термин «анод», подвержено изменениям, тогда как текущее соглашение о направлении, на котором основан термин «эйсод», не имеет причин меняться в будущем. [ необходима цитата ]
С момента более позднего открытия электрона была предложена более простая для запоминания и более правильная технически, хотя и исторически неверная этимология: анод, от греческого anodos , «путь вверх», «путь (вверх) из ячейки (или другого устройства) для электронов». [ необходима ссылка ]
В электрохимии анод находится там, где происходит окисление , и является положительным полярным контактом в электролитической ячейке . [7] На аноде анионы (отрицательные ионы) под действием электрического потенциала вынуждены вступать в химическую реакцию и выделять электроны (окисление), которые затем текут вверх и в управляющую цепь. Мнемоника : LEO Red Cat (Потеря электронов - это окисление, восстановление происходит на катоде), или AnOx Red Cat (Окисление анода, восстановление катода), или OIL RIG (Окисление - это потеря, восстановление - приобретение электронов), или Roman Catholic and Orthodox (Восстановление - катод, анод - окисление), или LEO лев говорит GER (Потеря электронов - это окисление, приобретение электронов - это восстановление).
Этот процесс широко используется в очистке металлов. Например, при очистке меди медные аноды, промежуточный продукт из печей, подвергаются электролизу в соответствующем растворе (например, серной кислоте ) для получения катодов высокой чистоты (99,99%). Медные катоды, полученные с использованием этого метода, также называются электролитической медью.
Исторически, когда для электролиза требовались нереактивные аноды, выбирали графит (называемый во времена Фарадея плюмбаго) или платину. [8] Было обнаружено, что они являются одними из наименее реактивных материалов для анодов. Платина разрушается очень медленно по сравнению с другими материалами, а графит крошится и может выделять углекислый газ в водных растворах, но в остальном не участвует в реакции. [ необходима цитата ]
В батарее или гальваническом элементе анод является отрицательным электродом, из которого электроны вытекают к внешней части цепи. Внутри положительно заряженные катионы вытекают из анода (хотя он отрицательный и, следовательно, должен их притягивать, это происходит из-за того, что потенциал электрода относительно раствора электролита отличается для систем анод и катод металл/электролит); но, снаружи элемента в цепи, электроны выталкиваются через отрицательный контакт и, таким образом, через цепь потенциалом напряжения, как и ожидалось.
Производители аккумуляторов могут считать отрицательный электрод анодом, [9] особенно в своей технической литературе. Хотя с электрохимической точки зрения это неверно, это решает проблему того, какой электрод является анодом во вторичной (или перезаряжаемой) ячейке. Используя традиционное определение, анод переключается между циклами заряда и разряда. [10]
В электронных вакуумных устройствах, таких как электронно-лучевая трубка , анод является положительно заряженным коллектором электронов. В трубке анод является заряженной положительной пластиной, которая собирает электроны, испускаемые катодом, посредством электрического притяжения. Он также ускоряет поток этих электронов. [ необходима цитата ]
В полупроводниковом диоде анодом является слой, легированный фосфором, который изначально поставляет дырки в переход. В области перехода дырки, поставляемые анодом, объединяются с электронами, поставляемыми из области, легированной азотом, создавая обедненную зону. Поскольку слой, легированный фосфором, поставляет дырки в обедненную область, отрицательные ионы легирующей примеси остаются в слое, легированном фосфором ('P' для положительных ионов-носителей заряда). Это создает базовый отрицательный заряд на аноде. Когда к аноду диода от схемы прикладывается положительное напряжение, больше дырок может быть перемещено в обедненную область, и это заставляет диод становиться проводящим, позволяя току течь по цепи. Термины анод и катод не следует применять к диоду Зенера , поскольку он допускает поток в любом направлении, в зависимости от полярности приложенного потенциала (т. е. напряжения). [ необходима цитата ]
При катодной защите металлический анод, который более реактивен к коррозионной среде, чем защищаемая металлическая система, электрически связан с защищаемой системой. В результате металлический анод частично корродирует или растворяется вместо металлической системы. Например, корпус судна из железа или стали может быть защищен цинковым жертвенным анодом , который растворится в морской воде и предотвратит коррозию корпуса. Жертвенные аноды особенно необходимы для систем, где статический заряд генерируется под действием текущих жидкостей, таких как трубопроводы и водные суда. Жертвенные аноды также обычно используются в водонагревателях резервуарного типа.
В 1824 году для снижения воздействия этого разрушительного электролитического воздействия на корпуса кораблей, их крепления и подводное оборудование ученый-инженер Хэмфри Дэви разработал первую и до сих пор наиболее широко используемую систему защиты от морского электролиза. Дэви установил жертвенные аноды, изготовленные из более электрически реактивного (менее благородного) металла, прикрепленные к корпусу судна и электрически соединенные для формирования цепи катодной защиты.
Менее очевидным примером такого типа защиты является процесс оцинкования железа. Этот процесс покрывает железные конструкции (например, ограждения) покрытием из цинкового металла. Пока цинк остается неповрежденным, железо защищено от воздействия коррозии. Неизбежно цинковое покрытие нарушается либо из-за трещин, либо из-за физического повреждения. Как только это происходит, коррозионные элементы действуют как электролит, а комбинация цинка и железа — как электроды. Результирующий ток гарантирует, что цинковое покрытие будет уничтожено, но базовое железо не подвергнется коррозии. Такое покрытие может защищать железную конструкцию в течение нескольких десятилетий, но как только защитное покрытие израсходуется, железо быстро корродирует. [ необходима цитата ]
Если же, наоборот, олово используется для покрытия стали, то при нарушении покрытия оно фактически ускоряет окисление железа. [ необходима цитата ]
Другая катодная защита используется на аноде с наложенным током. [11] Он изготовлен из титана и покрыт смешанным оксидом металла . В отличие от жертвенного анодного стержня, анод с наложенным током не жертвует своей структурой. Эта технология использует внешний ток, обеспечиваемый источником постоянного тока, для создания катодной защиты. [12] Аноды с наложенным током используются в более крупных конструкциях, таких как трубопроводы, лодки, городские водонапорные башни, водонагреватели и многое другое. [13]
Противоположностью анода является катод . Когда ток через устройство меняет полярность, электроды переключают функции, так что анод становится катодом, а катод становится анодом, пока подается обратный ток. Исключением являются диоды, где наименование электродов всегда основано на прямом направлении тока. [ необходима цитата ]