Катод — это электрод , из которого обычный ток выходит из поляризованного электрического устройства. Это определение можно вспомнить, используя мнемонику CCD для Cathode Current Departs . Условный ток описывает направление движения положительных зарядов. Электроны имеют отрицательный электрический заряд, поэтому движение электронов противоположно движению обычного тока . Следовательно, уход тока катода из мнемосхемы означает также, что электроны перетекают в катод устройства из внешней цепи. Например, конец бытовой батареи, отмеченный знаком + (плюс), является катодом.
Электрод, через который обычный ток течет в другую сторону, 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 даже может меняться в зависимости от режима работы. Независимо от того, поляризован ли катод отрицательно (например, при перезарядке батареи) или положительно (например, при использовании батареи), катод будет притягивать к себе электроны снаружи, а также притягивать положительно заряженные катионы изнутри.
Используемая батарея или гальванический элемент имеет катод, который является положительной клеммой, поскольку именно здесь из устройства течет обычный ток. Этот внешний ток переносится внутрь положительными ионами, движущимися от электролита к положительному катоду (за это движение «вверх» ответственна химическая энергия). Он продолжается извне, когда электроны попадают в батарею, образуя положительный ток, текущий наружу. Например, медный электрод гальванического элемента Дэниела представляет собой положительную клемму и катод.
Батарея, которая перезаряжается, или электролитическая ячейка, выполняющая электролиз, имеет катод в качестве отрицательной клеммы, из которого ток выходит из устройства и возвращается к внешнему генератору, когда заряд поступает в батарею/элемент. Например, изменение направления тока в гальваническом элементе Даниэля преобразует его в электролитический элемент [1] , где медный электрод является положительной клеммой, а также анодом .
В диоде катодом является отрицательная клемма на заостренном конце символа стрелки, где ток вытекает из устройства. Примечание: наименование электродов для диодов всегда основано на направлении прямого тока (стрелки, в котором ток протекает «легче всего»), даже для таких типов, как стабилитроны или солнечные элементы , где интересующий ток — это обратный ток. В электронных лампах (включая электронно-лучевые трубки ) это отрицательный вывод, через который электроны попадают в устройство из внешней цепи и переходят в почти вакуум трубки, образуя положительный ток, вытекающий из устройства.
Это слово было придумано в 1834 году от греческого κάθοδος ( kathodos ), «спуск» или «путь вниз», Уильямом Уэвеллом , с которым Майкл Фарадей консультировался [2] по поводу некоторых новых имен, необходимых для завершения статьи о недавно обнаруженном процесс 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 движущимся», катод находится там, где ток покидает электролит, на западной стороне: « ката вниз, «одос путь; путь, по которому садится солнце». [3]
Использование слова «Запад» для обозначения направления «наружу» (на самом деле «наружу» → «Запад» → «закат» → «вниз», т.е. «вне поля зрения») может показаться излишне надуманным. Ранее, как указано в первой ссылке, цитированной выше, Фарадей использовал более простой термин «исход» (дверь, через которую выходит ток). Его мотивация изменить его на что-то, означающее «Западный электрод» (другими кандидатами были «вестод», «окциод» и «дисиод»), 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 конвенции он стал бы с запада на восток, так что западный электрод больше не был бы «выходом». Следовательно, «исход» стал бы неуместным, тогда как «катод», означающий «западный электрод», остался бы правильным по отношению к неизменному направлению реального явления, лежащего в основе тока, тогда неизвестного, но, по его мнению, однозначно определяемого магнитной привязкой. . Оглядываясь назад, изменение названия было неудачным не только потому, что сами по себе греческие корни больше не раскрывают функцию катода, но, что более важно, потому что, как мы теперь знаем, направление магнитного поля Земли, на котором основан термин «катод», зависит от к разворотам, тогда как нынешнее соглашение о направлении, на котором был основан термин «исход», не имеет причин меняться в будущем.
Со времени более позднего открытия электрона , более легко запоминающегося и более прочно технически правильного (хотя исторически ложного), была предложена 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, например, когда ячейка является электролитической (когда электрическая энергия, подаваемая в ячейку, используется для разложения химических соединений); или положительный, когда элемент является гальваническим (когда для выработки электрической энергии используются химические реакции). Катод поставляет электроны положительно заряженным катионам, которые перетекают к нему из электролита (даже если ячейка гальваническая, т. е. когда катод положителен и, следовательно, можно ожидать, что он будет отталкивать положительно заряженные катионы; это связано с потенциалом электрода относительно раствор электролита различен для анодной и катодной систем металл/электролит в гальваническом элементе ).
Катодный ток в электрохимии — это поток электронов от поверхности катода к веществу, находящемуся в растворе. Анодный ток — это поток электронов на анод от вещества, находящегося в растворе.
В электролитической ячейке катод — это место, к которому прикладывается отрицательная полярность, приводящая в движение ячейку. Обычными результатами восстановления на катоде являются газообразный водород или чистый металл из ионов металлов. При обсуждении относительной восстановительной способности двух окислительно-восстановительных агентов пара, образующая более восстанавливающие соединения, считается более «катодной» по отношению к более легко восстанавливаемому реагенту.
В гальваническом элементе катод — это место, где подключен положительный полюс , позволяющий замкнуть цепь: когда анод гальванического элемента отдает электроны, они возвращаются из цепи в элемент через катод.
Когда ионы металлов восстанавливаются из ионного раствора, они образуют на катоде чистую металлическую поверхность. Предметы, подлежащие покрытию чистым металлом, прикрепляются к катоду и в растворе электролита становятся его частью.
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 для того, чтобы покинуть его, требуется энергия; это называется работой выхода металла. [4] Катоды эмитируют электроны по нескольким механизмам: [4]
Катоды можно разделить на два типа:
Горячий катод — это катод, который нагревается нитью накала для производства электронов посредством термоэлектронной эмиссии . [4] [8] Нить представляет собой тонкую проволоку из тугоплавкого металла, например вольфрама, нагретую докрасна проходящим через нее электрическим током. До появления транзисторов в 1960-х годах практически во всем электронном оборудовании использовались электронные лампы с горячим катодом . Сегодня горячие катоды используются в электронных лампах, радиопередатчиках и микроволновых печах, для создания электронных лучей в старых телевизорах с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и компьютерных мониторах, в генераторах рентгеновского излучения , электронных микроскопах и люминесцентных трубках .
Существует два типа горячих катодов: [4]
Для улучшения эмиссии электронов катоды обрабатывают химическими веществами, обычно соединениями металлов с низкой работой выхода . Обработанные катоды требуют меньшей площади поверхности, более низких температур и меньшей мощности для обеспечения того же катодного тока. Необработанные вольфрамовые нити, используемые в первых лампах (так называемые «яркие эмиттеры»), нужно было нагреть до 1400 ° C (~ 2500 ° F), добела, чтобы произвести достаточную для использования термоэлектронную эмиссию, в то время как современные катоды с покрытием производят гораздо больше электронов. при заданной температуре, поэтому их нужно нагреть только до 425–600 ° C (~ 800–1100 ° F) () [4] [9] [10] Существует два основных типа обработанных катодов: [4] [8 ] ]
Это катод, который не нагревается нитью накала. Они могут испускать электроны путем автоэлектронной эмиссии , а в газонаполненных трубках — путем вторичной эмиссии . Некоторыми примерами являются электроды в неоновых лампах , люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL), используемые в качестве подсветки в ноутбуках, тиратронные лампы и трубки Крукса . Они не обязательно работают при комнатной температуре; в некоторых устройствах катод нагревается протекающим через него электронным током до температуры, при которой возникает термоэлектронная эмиссия . Например, в некоторых люминесцентных лампах на электроды кратковременно подается высокое напряжение, чтобы запустить ток через трубку; после запуска электроды достаточно нагреваются под действием тока, чтобы продолжать испускать электроны и поддерживать разряд.
Холодные катоды также могут излучать электроны путем фотоэлектрической эмиссии . Их часто называют фотокатодами , и они используются в фототрубках , используемых в научных приборах, и в усилителях изображения, используемых в очках ночного видения.
В полупроводниковом диоде катод представляет собой N-легированный слой PN-перехода с высокой плотностью свободных электронов из-за легирования и равной плотностью фиксированных положительных зарядов, которые представляют собой термически ионизованные примеси. В аноде наблюдается обратное: он отличается высокой плотностью свободных «дырок» и, следовательно, фиксированными отрицательными примесями, захватившими электрон (отсюда и происхождение дырок).
Когда слои, легированные P и N, создаются рядом друг с другом, диффузия обеспечивает поток электронов из областей с высокой плотностью в область с низкой: то есть со стороны N на сторону P. Они оставляют после себя фиксированные положительно заряженные примеси вблизи перехода. Точно так же дырки диффундируют от P к N, оставляя после себя фиксированные отрицательные ионизированные примеси возле перехода. Эти слои фиксированных положительных и отрицательных зарядов вместе 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 возникающего внутреннего поля и соответствующего потенциального барьера, которые препятствуют протеканию тока при обратном приложенном смещении, что увеличивает внутреннее поле обедненного слоя. И наоборот, они допускают это при прямом смещении, когда приложенное смещение уменьшает встроенный потенциальный барьер.
Электроны, которые диффундируют из катода в легированный P-слой или анод, становятся так называемыми «неосновными носителями» и имеют тенденцию рекомбинировать там с основными носителями, которыми являются дырки, в масштабе времени, характерном для материала, которым является p-образный слой. тип жизни миноритарного носителя. Точно так же дырки, диффундирующие в слой, легированный N, становятся неосновными носителями носителей и имеют тенденцию рекомбинировать с электронами. В равновесии, без приложенного смещения, термическая диффузия электронов и дырок в противоположных направлениях через обедненный слой обеспечивает нулевой суммарный ток, при этом электроны текут от катода к аноду и рекомбинируют, а дырки текут от анода к катоду через переход или обедненный слой. и рекомбинация.
Как и в типичном диоде, в стабилитроне есть фиксированные анод и катод, но он будет проводить ток в обратном направлении (электроны перетекают от анода к катоду), если его напряжение пробоя или «напряжение стабилитрона» превышено.