Анод — это электрод поляризованного электрического устройства, через который в устройство поступает обычный ток . Это контрастирует с катодом , электродом устройства, через который из устройства выходит обычный ток. Распространенная мнемоника — 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 клетка. Например, конец бытовой батареи, отмеченный знаком «+», является катодом (при разрядке).
Как в гальваническом элементе , так и в электролитическом элементе анод является электродом , на котором происходит реакция окисления . В гальваническом элементе анодом является проволока или пластина, имеющая избыточный отрицательный заряд в результате реакции окисления. В электролитической ячейке анодом является проволока или пластина, на которую наложен избыточный положительный заряд . [2] В результате этого анионы будут стремиться двигаться к аноду, где они подвергаются 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 на электродах, а направлением тока через электрод. Анод — это электрод устройства, через который условный ток (положительный заряд) течет в устройство из внешней цепи, а катод — это электрод, через который условный ток вытекает из устройства. Если ток через электроды меняет направление, как это происходит, например, в аккумуляторной батарее во время ее зарядки, роли электродов как анода и катода меняются местами.
Условный ток зависит не только от направления движения носителей заряда , но и от электрического заряда носителей . Токи вне устройства обычно передаются 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.
Определение анода и катода различно для электрических устройств, таких как диоды и электронные лампы , где наименование электрода фиксировано и не зависит от фактического потока заряда (тока). Эти устройства обычно пропускают значительный ток в одном направлении и незначительный ток в другом направлении. Поэтому электроды названы в зависимости от направления этого «прямого» тока. В диоде анод — это клемма, через которую поступает ток, а катод — это клемма, через которую ток уходит, когда диод смещен в прямом направлении . Названия электродов не меняются в случаях, когда через прибор протекает обратный ток. Аналогично, в вакуумной трубке только один электрод может излучать электроны в вакуумированную трубку из-за нагрева нити накала, поэтому электроны могут попасть в устройство только из внешней цепи через нагретый электрод. Поэтому этот электрод постоянно называют катодом, а электрод, через который электроны выходят из трубки, называют анодом.
Полярность напряжения на аноде относительно связанного с ним катода меняется в зависимости от типа устройства и режима его работы. В следующих примерах анод отрицательный в устройстве, обеспечивающем питание, и положительный в устройстве, потребляющем энергию:
В разряжающейся батарее или гальваническом элементе (схема слева) анодом является отрицательная клемма: именно здесь в элемент течет обычный ток. Этот внутренний ток переносится наружу электронами, движущимися наружу.
В перезаряжаемой батарее или электролитической ячейке анод — это положительная клемма, создаваемая 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 ее перезарядки.
В аккумуляторной технике один электрод аккумуляторной батареи принято называть анодом, а другой — катодом, в зависимости от роли, которую электроды играют при разрядке батареи. И это несмотря на то, что при зарядке аккумулятора роли меняются. Когда это будет сделано, «анод» просто обозначает отрицательную клемму батареи, а «катод» — положительную клемму.
В диоде анодом является клемма, представленная хвостом символа стрелки (плоская сторона треугольника), через которую в устройство течет обычный ток. Обратите внимание, что наименование электродов для диодов всегда основано на направлении прямого тока (стрелки, в котором ток течет «легче»), даже для таких типов, как стабилитроны или солнечные элементы, где интересующий ток - это обратный ток.
В вакуумных или газонаполненных трубках анод — это клемма, через которую ток поступает в трубку.
Это слово было придумано в 1834 году от греческого ἄνοδος ( anodos ), «восхождение», Уильямом Уэвеллом , с которым Майкл Фарадей консультировался [4] по поводу некоторых новых имен, 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, то, в чем солнце кажется, движется», анод — это место, где ток входит в электролит, на восточной стороне: « ано вверх, одос путь; путь, по которому восходит солнце». [5] [6]
Использование слова «Восток» для обозначения направления «внутри» (на самом деле «внутри» → «Восток» → «восход солнца» → «вверх») может показаться надуманным. Ранее, как указано в первой ссылке, цитированной выше, Фарадей использовал более простой термин «эизод» (дверь, куда входит ток). Его мотивация изменить его на что-то, означающее «восточный электрод» (другими кандидатами были «истод», «ориод» и «анатолод»), заключалась в том, чтобы сделать его невосприимчивым к возможному более позднему изменению соглашения о направлении тока , чья истинная природа в то время не было известно. Для этого он использовал направление магнитного поля Земли, которое в то время считалось неизменным. По сути, он определил свою произвольную ориентацию ячейки как такую, при которой внутренний ток будет течь параллельно и в том же направлении, что и гипотетическая токовая петля намагничивания вокруг местной линии широты, которая будет индуцировать магнитное дипольное поле, ориентированное, как у Земли. Это сделало внутренний ток с Востока на Запад, как упоминалось ранее, но в случае более позднего изменения соглашения он стал бы с Запада на Восток, так что Восточный электрод больше не был бы «путем внутрь». Следовательно, «эизода» стала бы неуместной, тогда как «анод», означающий «восточный электрод», остался бы правильным по отношению к неизменному направлению фактического явления, лежащего в основе тока, тогда неизвестного, но, как он думал, однозначно определяемого магнитной привязкой. . Оглядываясь назад, изменение названия было неудачным не только потому, что сами по себе греческие корни больше не раскрывают функцию анода, но, что более важно, потому что, как мы теперь знаем, направление магнитного поля Земли, на котором основан термин «анод», зависит от развороты , тогда как нынешнее соглашение о направлении, на котором был основан термин «эпизод», не имеет причин меняться в будущем.
Со времени более позднего открытия электрона , более легко запоминающегося и более надежно корректируемого с технической точки зрения, хотя и исторически ложного, была предложена этимология: анод, от греческого anodos , «путь вверх», «путь (вверх) из клетки (или другое устройство) для электронов».
В электрохимии анод — это место, где происходит окисление , и контакт положительной полярности в электролитической ячейке . [7] На аноде анионы (отрицательные ионы) под действием электрического потенциала вступают в химическую реакцию и выделяют электроны (окисление), которые затем поднимаются вверх и попадают в цепь возбуждения. Мнемоника : LEO Red Cat (потеря электронов — это окисление, восстановление происходит на катоде), или AnOx Red Cat (анодное окисление, катодное восстановление), или OIL RIG (окисление — это потеря, восстановление — это прирост электронов), или римско-католический и Ортодоксальный (Восстановление – Катод, анод – Окисление), или Лев, лев говорит GER (Потеря электронов – это Окисление, Получение электронов – это Восстановление).
Этот процесс широко используется при рафинировании металлов. Например, при рафинировании меди медные аноды, промежуточный продукт из печей, подвергаются электролизу в соответствующем растворе (например, серной кислоте ) для получения катодов высокой чистоты (99,99%). Медные катоды, изготовленные этим методом, также называют электролитической медью.
Исторически сложилось так, что когда для электролиза требовались нереактивные аноды, выбирались графит (во времена Фарадея его называли свинцом) или платина. [8] Было обнаружено, что они являются одними из наименее реактивных материалов для анодов. Платина эродирует 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.
В батарее или гальваническом элементе анод — это отрицательный электрод, из которого электроны вытекают во внешнюю часть цепи. Внутри положительно заряженные катионы оттекают от анода (хотя он отрицательный и, следовательно, можно было бы ожидать их притяжения, это связано с тем, что потенциал электрода относительно раствора электролита различен для анодной и катодной систем металл/электролит); но за пределами ячейки в цепи электроны выталкиваются через отрицательный контакт и, следовательно, через цепь под действием потенциала напряжения, как и следовало ожидать. Примечание: в гальваническом элементе, в отличие от электролизера, анионы не поступают к аноду, а внутренний ток полностью объясняется оттеканием от него катионов (см. рисунок).
Battery manufacturers may regard the negative electrode as the anode,[9] particularly in their technical literature. Though technically incorrect, it does resolve the problem of which electrode is the anode in a secondary (or rechargeable) cell. Using the traditional definition, the anode switches ends between charge and discharge cycles.
In electronic vacuum devices such as a cathode-ray tube, the anode is the positively charged electron collector. In a tube, the anode is a charged positive plate that collects the electrons emitted by the cathode through electric attraction. It also accelerates the flow of these electrons.
In a semiconductor diode, the anode is the P-doped layer which initially supplies holes to the junction. In the junction region, the holes supplied by the anode combine with electrons supplied from the N-doped region, creating a depleted zone. As the P-doped layer supplies holes to the depleted region, negative dopant ions are left behind in the P-doped layer ('P' for positive charge-carrier ions). This creates a base negative charge on the anode. When a positive voltage is applied to anode of the diode from the circuit, more holes are able to be transferred to the depleted region, and this causes the diode to become conductive, allowing current to flow through the circuit. The terms anode and cathode should not be applied to a Zener diode, since it allows flow in either direction, depending on the polarity of the applied potential (i.e. voltage).
In cathodic protection, a metal anode that is more reactive to the corrosive environment than the metal system to be protected is electrically linked to the protected system. As a result, the metal anode partially corrodes or dissolves instead of the metal system. As an example, an iron or steel ship's hull may be protected by a zinc sacrificial anode, which will dissolve into the seawater and prevent the hull from being corroded. Sacrificial anodes are particularly needed for systems where a static charge is generated by the action of flowing liquids, such as pipelines and watercraft. Sacrificial anodes are also generally used in tank-type water heaters.
В 1824 году для уменьшения воздействия этого разрушительного электролитического воздействия на корпуса кораблей, их крепления и подводное оборудование учёный-инженер Хэмфри Дэви разработал первую и до сих пор наиболее широко используемую систему морской электролизной защиты. Дэви установил жертвенные аноды, изготовленные из более электрически реактивного (менее благородного) металла, прикрепленные к корпусу судна и электрически соединенные, чтобы сформировать цепь катодной защиты.
Менее очевидный пример такого типа защиты — процесс гальванизации железа. В ходе этого процесса железные конструкции (например, ограждения) покрываются слоем металлического цинка . Пока цинк остается неповрежденным, железо защищено от воздействия коррозии. Цинковое покрытие неизбежно нарушается либо в результате растрескивания, либо в результате 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 основное железо не подвергнется коррозии. Такое покрытие может защитить железную конструкцию на несколько десятилетий, но как только защитное покрытие изнашивается, железо быстро подвергается коррозии.
Если, наоборот, олово используется для покрытия стали, то нарушение покрытия фактически ускоряет окисление железа.
Другая катодная защита применяется на аноде приложенного тока. [10] Он изготовлен из титана и покрыт смешанным оксидом металлов . В отличие от стержня жертвенного анода, анод с подаваемым током не жертвует своей структурой. Эта технология использует внешний ток, обеспечиваемый источником постоянного тока, для создания катодной защиты. [11] Аноды нагруженного тока используются в более крупных конструкциях, таких как трубопроводы, лодки и водонагреватели. [12]
Противоположностью анода является катод . Когда ток через устройство меняется на противоположный, электроды переключают функции, поэтому анод становится катодом, а катод становится анодом, пока подается обратный ток. Исключением являются диоды, в которых обозначение электродов всегда основано на направлении прямого тока.