Катод — это электрод , с которого обычный ток покидает поляризованное электрическое устройство, такое как свинцово-кислотная батарея . Это определение можно вспомнить, используя мнемонику CCD для Cathode Current Departes . Обычный ток описывает направление, в котором движутся положительные заряды. Электроны имеют отрицательный электрический заряд, поэтому движение электронов противоположно движению обычного тока . Следовательно, мнемоника cathode current aways также означает, что электроны текут в катод устройства из внешней цепи. Например, конец бытовой батареи, отмеченный знаком + (плюс), является катодом.
Электрод, через который обычный ток течет в обратном направлении, в устройство, называется анодом .
Обычный ток течет от катода к аноду вне ячейки или устройства (при этом электроны движутся в противоположном направлении), независимо от типа ячейки или устройства и режима работы.
Полярность катода по отношению к аноду может быть положительной или отрицательной в зависимости от того, как работает устройство. Внутри устройства или ячейки положительно заряженные катионы всегда движутся к катоду, а отрицательно заряженные анионы — к аноду, хотя полярность катода зависит от типа устройства и может даже меняться в зависимости от режима работы. Независимо от того, поляризован ли катод отрицательно (например, при зарядке батареи) или положительно (например, при использовании батареи), катод будет притягивать к себе электроны извне, а также притягивать положительно заряженные катионы изнутри.
Используемая батарея или гальванический элемент имеет катод, который является положительным выводом, поскольку именно там обычный ток вытекает из устройства. Этот исходящий ток переносится внутри положительными ионами, движущимися от электролита к положительному катоду (химическая энергия отвечает за это «подъемное» движение). Он продолжается снаружи электронами, движущимися в батарею, что составляет положительный ток, текущий наружу. Например, медный электрод гальванического элемента Даниэля является положительным выводом и катодом.
Аккумулятор, который перезаряжается, или электролитическая ячейка , выполняющая электролиз, имеет свой катод в качестве отрицательного вывода, из которого ток выходит из устройства и возвращается к внешнему генератору, когда заряд поступает в батарею/ячейку. Например, изменение направления тока в гальваническом элементе Даниэля преобразует его в электролитический элемент [1] , где медный электрод является положительным выводом, а также анодом .
В диоде катод — это отрицательный вывод на заостренном конце символа стрелки, где ток вытекает из устройства. Примечание: 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. В вакуумных трубках (включая электронно-лучевые трубки ) это отрицательный вывод, где электроны попадают в устройство из внешней цепи и переходят в ближний вакуум трубки, составляя положительный ток, вытекающий из устройства.
Слово было придумано в 1834 году от греческого κάθοδος ( kathodos ), «спуск» или «путь вниз», Уильямом Уэвеллом , с которым консультировался [2] 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 для памяти, в том направлении, в котором, как кажется, движется солнце», катод находится там, где ток покидает электролит, на западной стороне: « kata downwards, `odos — путь; путь, по которому садится солнце». [3]
Использование слова «Запад» для обозначения направления «вне» (на самом деле «вне» → «Запад» → «закат» → «вниз», т. е. «вне поля зрения») может показаться излишне надуманным. Ранее, как указано в первой ссылке, цитируемой выше, Фарадей использовал более простой термин «exode» (дверь, через которую выходит ток). Его мотивацией для изменения его на что-то, означающее «западный электрод» (другими кандидатами были «westode», «occiode» и «dysiode»), 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 с востока на запад, как упоминалось ранее, но в случае более позднего изменения соглашения он стал бы направлен с запада на восток, так что западный электрод больше не был бы «выходом». Таким образом, «exode» стало бы неуместным, тогда как «cathode», означающее «западный электрод», осталось 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 катода, но, что еще важнее, потому что, как мы теперь знаем, направление магнитного поля Земли, на котором основан термин «катод», подвержено изменениям, тогда как существующее соглашение о направлении, на котором основан термин «экзод», не имеет оснований меняться в будущем.
После более позднего открытия электрона была предложена более простая для запоминания и технически более правильная (хотя исторически и неверная) этимология: катод, от греческого kathodos , «путь вниз», «путь (вниз) в ячейку (или другое устройство) для электронов».
В химии катод — это электрод электрохимической ячейки , на котором происходит восстановление . Катод может быть отрицательным, как в случае электролитической ячейки (где электрическая энергия, подаваемая в ячейку, используется для разложения химических соединений); или положительным, как в случае гальванической ячейки (где химические реакции используются для выработки электрической энергии). Катод поставляет электроны положительно заряженным катионам, которые текут к нему из электролита (даже если ячейка гальваническая, т. е. когда катод положительный и, следовательно, должен отталкивать положительно заряженные катионы; это связано с тем, что потенциал электрода относительно раствора электролита различен для систем анод и катод металл/электролит в гальванической ячейке ).
Катодный ток в электрохимии — это поток электронов от катодного интерфейса к раствору. Анодный ток — это поток электронов к аноду от растворенного вещества.
В электролитической ячейке катод — это место, где применяется отрицательная полярность для приведения ячейки в действие. Обычными результатами восстановления на катоде являются газообразный водород или чистый металл из ионов металла. При обсуждении относительной восстановительной способности двух окислительно-восстановительных агентов пара для получения более восстановительных видов называется более «катодной» по отношению к более легко восстанавливаемому реагенту.
В гальваническом элементе катод — это место, куда подключается положительный полюс , что позволяет замкнуть цепь: когда анод гальванического элемента отдает электроны, они возвращаются из цепи в элемент через катод.
Когда ионы металла восстанавливаются из ионного раствора, они образуют чистую металлическую поверхность на катоде. Элементы, которые должны быть покрыты чистым металлом, прикрепляются к катоду и становятся его частью в электролитическом растворе.
В вакуумной трубке или электронной вакуумной системе катод представляет собой металлическую поверхность, которая испускает свободные электроны в вакуумированное пространство. Поскольку электроны притягиваются к положительным ядрам атомов металла, они обычно остаются внутри металла и требуют энергии, чтобы покинуть его; это называется работой выхода металла. [4] Катоды побуждаются испускать электроны несколькими механизмами: [4]
Катоды можно разделить на два типа:
Горячий катод — это катод, который нагревается нитью накала для получения электронов посредством термоэлектронной эмиссии . [4] [8] Нить накала — это тонкая проволока из тугоплавкого металла, например, вольфрама, нагретая докрасна проходящим через нее электрическим током. До появления транзисторов в 1960-х годах практически все электронное оборудование использовало вакуумные трубки с горячим катодом . Сегодня горячие катоды используются в вакуумных трубках в радиопередатчиках и микроволновых печах, для получения электронных пучков в старых телевизорах и компьютерных мониторах с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), в рентгеновских генераторах , электронных микроскопах и люминесцентных трубках .
Существует два типа горячих катодов: [4]
Для улучшения электронной эмиссии катоды обрабатываются химикатами, обычно соединениями металлов с низкой рабочей функцией . Обработанные катоды требуют меньшей площади поверхности, более низких температур и меньшей мощности для подачи того же катодного тока. Необработанные вольфрамовые нити, используемые в ранних трубках (называемых «яркими излучателями»), приходилось нагревать до 1400 °C (2550 °F), добела, чтобы произвести достаточную для использования термоионную эмиссию, в то время как современные покрытые катоды производят гораздо больше электронов при заданной температуре, поэтому их нужно нагревать только до 425–600 °C (797–1112 °F) [4] [9] [10] Существует два основных типа обработанных катодов: [4] [8]
Это катод, который не нагревается нитью накала. Они могут испускать электроны посредством полевой электронной эмиссии , а в газонаполненных трубках посредством вторичной эмиссии . Некоторые примеры — электроды в неоновых лампах , флуоресцентные лампы с холодным катодом (CCFL), используемые в качестве подсветки в ноутбуках, тиратронные трубки и трубки Крукса . Они не обязательно работают при комнатной температуре; в некоторых устройствах катод нагревается электронным током, протекающим через него, до температуры, при которой происходит термоионная эмиссия . Например, в некоторых люминесцентных трубках на электроды подается кратковременное высокое напряжение, чтобы запустить ток через трубку; после запуска электроды достаточно нагреваются током, чтобы продолжать испускать электроны для поддержания разряда. [ необходима цитата ]
Холодные катоды также могут испускать электроны посредством фотоэлектрической эмиссии . Их часто называют фотокатодами , и они используются в фотоэлементах, используемых в научных приборах, и усилителях изображения , используемых в очках ночного видения. [ необходима цитата ]
В полупроводниковом диоде катодом является N-легированный слой p-n-перехода с высокой плотностью свободных электронов из-за легирования и равной плотностью фиксированных положительных зарядов, которые являются легирующими примесями, которые были термически ионизированы. В аноде применяется обратное: он характеризуется высокой плотностью свободных «дырок» и, следовательно, фиксированных отрицательных легирующих примесей, которые захватили электрон (отсюда и происхождение дырок). [ необходима цитата ]
Когда слои, легированные P и N, создаются рядом друг с другом, диффузия обеспечивает поток электронов из областей с высокой плотностью в области с низкой плотностью: то есть со стороны N на сторону P. Они оставляют позади фиксированные положительно заряженные легирующие примеси вблизи перехода. Аналогично, дырки диффундируют из P в N, оставляя позади фиксированные отрицательно ионизированные легирующие примеси вблизи перехода. Эти слои фиксированных положительных и отрицательных зарядов в совокупности известны как слой обеднения, поскольку они обеднены свободными электронами и дырками. Слой обеднения на переходе лежит в основе выпрямляющих свойств диода. Это происходит из-за результирующего внутреннего поля и соответствующего потенциального барьера, которые препятствуют протеканию тока при обратном приложенном смещении, что увеличивает внутреннее поле слоя обеднения. И наоборот, они допускают его при прямом приложенном смещении, где приложенное смещение снижает встроенный потенциальный барьер.
Электроны, которые диффундируют из катода в слой, легированный фосфором, или анод, становятся так называемыми «неосновными носителями» и имеют тенденцию рекомбинировать там с основными носителями, которые являются дырками, в масштабе времени, характерном для материала, который является временем жизни неосновных носителей p-типа. Аналогично, дырки, диффундирующие в слой, легированный азотом, становятся неосновными носителями и имеют тенденцию рекомбинировать с электронами. В равновесии, без приложенного смещения, термически поддерживаемая диффузия электронов и дырок в противоположных направлениях через обедненный слой обеспечивает нулевой чистый ток с электронами, текущими от катода к аноду и рекомбинирующими, и дырками, текущими от анода к катоду через соединение или обедненный слой и рекомбинирующими. [ необходима цитата ]
Как и в типичном диоде, в диоде Зенера есть фиксированный анод и катод, но он будет проводить ток в обратном направлении (электроны текут от анода к катоду), если его пробивное напряжение или «напряжение Зенера» будет превышено. [ необходима цитата ]