Катод - Cathode

Катод является электродом , из которого через обычные текущие листы поляризованный электрическое устройство. Это определение можно вспомнить, используя мнемоническую матрицу CCD для Cathode Current Departs . Обычный ток описывает направление, в котором движутся положительные заряды. Электроны имеют отрицательный электрический заряд, поэтому движение электронов противоположно движению обычного электрического тока. Следовательно, мнемонический катодный ток уходит также означает, что электроны текут на катод устройства из внешней цепи.

Электрод, через который обычный ток протекает в обратном направлении, в устройство, называется анодом .

Поток заряда

Схема медного катода в гальваническом элементе (например, в батарее). Положительно заряженные катионы движутся к катоду, позволяя положительному току i вытекать из катода.

Обычный ток течет от катода к аноду за пределами ячейки или устройства (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. Положительно заряженные катионы всегда движутся к катоду, а отрицательно заряженные анионы движутся к аноду, хотя полярность катода зависит от типа устройства и даже может меняться в зависимости от режима работы. В устройстве, которое поглощает энергию заряда (например, при подзарядке аккумулятора), катод является отрицательным (электроны выходят из катода, а положительный заряд течет в него), а в устройстве, которое обеспечивает энергию (например, используется батарея) , катод положительный (электроны втекают в него и заряд вытекает): батарея или гальванический элемент в использовании имеет катод, который является положительным выводом, поскольку именно там ток выходит из устройства. Этот наружный ток переносится внутри положительными ионами, движущимися от электролита к положительному катоду (химическая энергия отвечает за это «восходящее» движение). Внешне он продолжается 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 электролитический элемент, выполняющий электролиз, имеет катод в качестве отрицательного вывода, с которого ток выходит из устройства и возвращается к внешнему генератору, когда заряд входит в аккумулятор / элемент. Например, изменение направления тока в гальванической ячейке Даниэля преобразует ее в электролитическую ячейку, в которой медный электрод является положительной клеммой, а также анодом . В диоде катодом является отрицательный вывод на заостренном конце символа стрелки, где ток выходит из устройства. Примечание: обозначение электродов для диодов всегда основано на направлении прямого тока (направление, указанное стрелкой, в котором ток течет «наиболее легко»), даже для таких типов, как стабилитроны или солнечные элементы, где интересующим током является обратный ток. В вакуумных трубках (включая электронно-лучевые трубки ) это отрицательный вывод, через который электроны входят в устройство из внешней цепи и попадают в почти вакуум трубки, образуя положительный ток, вытекающий из устройства.

Этимология

Слово было придумано в 1834 году от греческого κάθοδος ( kathodos ), «спуск» или «путь вниз», Уильямом Уэвеллом , с которым Майкл Фарадей посоветовался с некоторыми новыми именами, необходимыми 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 усиливает эту помощь памяти, то, в чем солнце кажется движущимся », катод - это место, где ток покидает электролит, на западной стороне:« ката вниз, одос путь; путь, по которому садится солнце ».

Использование слова «запад» для обозначения направления «наружу» (на самом деле «наружу» → «запад» → «закат» → «вниз», то есть «вне поля зрения») может показаться излишне надуманным. Ранее, как указано в первой ссылке, процитированной выше, Фарадей использовал более простой термин «исход» (дверной проем, через который выходит ток). Его мотивация изменить его на что-то, означающее «западный электрод» (другими кандидатами были «вестод», «окциод» и «дизиод»), заключалась в том, чтобы сделать его невосприимчивым к возможному более позднему изменению в соглашении о направлении тока , точная природа которого в то время не было известно. Ссылкой, которую он использовал для этого эффекта, было направление магнитного поля Земли , которое в то время считалось неизменным. Он фундаментально определил свою произвольную ориентацию ячейки как такую, при которой внутренний ток будет проходить параллельно и в том же направлении, что и гипотетическая токовая петля намагничивания вокруг локальной линии широты, которая индуцирует магнитное дипольное поле, ориентированное, как у Земли. Это сделало внутренний поток 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, «exode» стало бы неуместным, тогда как «катод», означающий «западный электрод», оставался бы правильным в отношении неизменного направления фактического явления, лежащего в основе тока, тогда неизвестного, но, как он думал, однозначно определяемого магнитным эталоном. . Оглядываясь назад, можно сказать, что смена названия была неудачной не только потому, что одни только 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 текущее соглашение о направлении, на котором был основан термин «исход», не имеет причин для изменения в будущем.

Со времени более позднего открытия электрона была предложена этимология, более легкая для запоминания и более надежная с технической точки зрения (хотя исторически неверная) : катод, от греческого kathodos , «путь вниз», «путь (вниз) в клетку». (или другое устройство) для электронов ».

В химии

В химии , А катод представляет собой электрод из гальванического элемента , при котором снижение происходит; полезная мнемонические помнить это ANOX RedCat (Окисление на аноде = Снижение на катоде). Еще одна мнемоника - отметить, что на катоде есть буква «с», как и «редукция». Следовательно, уменьшение на катоде. Возможно , наиболее полезно было бы вспомнить котый hode , соответствует кошачьему иону (акцептор) и ода соответствует в качестве иона (донор). Катод может быть отрицательным, как если бы элемент был электролитическим (когда электрическая энергия, подаваемая в элемент, используется для разложения химических соединений); или положительный, как если бы элемент был гальваническим (где химические реакции используются для выработки электроэнергии). Катод поставляет электроны к положительно заряженным катионам, которые текут к нему из электролита (даже если ячейка гальваническая, то есть, когда катод положительный и, следовательно, ожидается, что он отталкивает положительно заряженные катионы; это связано с потенциалом электрода относительно (поскольку раствор электролита различен для анодной и катодной систем металл / электролит в гальванической ячейке ).

Катодный ток , в электрохимии , представляет собой поток электронов от катода интерфейса до частиц в растворе. Анодный ток представляет собой поток электронов в анод из одного вида в растворе.

Электролитическая ячейка

В электролитической ячейке катод - это место, где применяется отрицательная полярность для управления ячейкой. Обычными результатами восстановления на катоде являются газообразный водород или чистый металл из ионов металлов. При обсуждении относительной восстанавливающей способности двух окислительно-восстановительных агентов пара для образования большего количества восстанавливающих частиц считается более «катодной» по сравнению с более легко восстанавливаемым реагентом.

Гальванический элемент

В гальваническом элементе катод - это место, где подключен положительный полюс, чтобы позволить цепи быть завершенной: поскольку анод гальванической ячейки испускает электроны, они возвращаются из цепи в ячейку через катод.

Гальваника металлического катода (электролиз)

Когда ионы металлов восстанавливаются из ионного раствора, они образуют чистую металлическую поверхность на катоде. Предметы, которые необходимо покрыть чистым металлом, прикрепляются к катоду и становятся его частью в растворе электролита.

В электронике

Вакуумные трубки

Свечение от непосредственно нагреваемого катода тетродной лампы мощностью 1 кВт в радиопередатчике. Катодная нить не видна напрямую

В вакуумной лампе 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. Катоды вызывают испускание электронов с помощью нескольких механизмов:

Катоды можно разделить на два типа:

Горячий катод

Два катода косвенного нагрева (оранжевая полоса нагревателя) в двойной триодной лампе ECC83
Вид в разрезе триодной вакуумной лампы с катодом косвенного нагрева (оранжевая трубка) , показывающий нагревательный элемент внутри
Условное обозначение, используемое в принципиальных схемах вакуумной лампы, с изображением катода

Горячий катод - это катод, который нагревается нитью накала для образования электронов за счет термоэлектронной эмиссии . Нить накала - это тонкая проволока из тугоплавкого металла, такого как вольфрам, раскаленная докрасна проходящим через нее электрическим током. До появления транзисторов в 1960-х годах практически во всем электронном оборудовании использовались вакуумные лампы с горячим катодом . Сегодня горячие катоды используются в электронных лампах в 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 лампах .

Есть два типа горячих катодов:

  • Катод с прямым нагревом : в этом типе нить накала сама по себе является катодом и напрямую излучает электроны. Катоды с прямым нагревом использовались в первых электронных лампах, но сегодня они используются только в люминесцентных лампах , некоторых больших передающих вакуумных лампах и во всех рентгеновских трубках.
  • Катод с косвенным нагревом : в этом типе нить накала не является катодом, а нагревает катод, который затем испускает электроны. Катоды с косвенным нагревом сегодня используются в большинстве устройств. Например, в большинстве электронных ламп катодом является никелевая трубка с нитью накала внутри, а тепло от нити заставляет внешнюю поверхность трубки испускать электроны. Нить накала катода с косвенным нагревом обычно называют нагревателем . Основная причина использования катода с косвенным нагревом - изолировать остальную часть вакуумной трубки от электрического потенциала на нити накала. Во многих электронных лампах для нагрева нити накала используется переменный ток . В трубке, в которой сама нить накала является катодом, переменное электрическое поле от поверхности нити будет влиять на движение электронов и вносить гул в выходной сигнал трубки. Это также позволяет связывать нити во всех трубках электронного устройства и питать их от одного и того же источника тока, даже если катоды, которые они нагревают, могут иметь разные потенциалы.

Чтобы улучшить электронную эмиссию, 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, использовавшиеся в первых лампах (так называемые «яркие эмиттеры»), должны были быть нагреты до 1400 ° C (~ 2500 ° F) до белого каления, чтобы произвести достаточную термоэлектронную эмиссию для использования, в то время как современные катоды с покрытием производят гораздо больше электронов. при заданной температуре, поэтому их нужно только нагреть до 425–600 ° C (~ 800–1100 ° F) (). Существует два основных типа обработанных катодов:

Холодный катод (левый электрод) в неоновой лампе
  • Катод с покрытием - в них катод покрыт покрытием из оксидов щелочных металлов, часто оксидов бария и стронция . Они используются в лампах малой мощности.
  • Торированный вольфрам - в лампах большой мощности ионная бомбардировка может разрушить покрытие на покрытом катоде. В этих трубках используется катод с прямым нагревом, состоящий из вольфрамовой нити с небольшим количеством тория . Слой тория на поверхности, который снижает работу выхода катода, постоянно пополняется, поскольку он теряется из-за диффузии тория изнутри металла.

Холодный катод

Это катод, который не нагревается нитью накала. Они могут испускать электроны за счет автоэлектронной эмиссии , а в газонаполненных трубках - за счет вторичной эмиссии . Некоторые примеры являются электроды в неоновых лампах , холодный катод люминесцентных ламп (CCFLs) , используемых в качестве подсветок в ноутбуках, вентильных трубок и Крукс трубке . Они не обязательно работают при комнатной температуре; в некоторых устройствах катод нагревается протекающим через него электронным током до температуры, при которой происходит термоэлектронная эмиссия . Например, в некоторых люминесцентных лампах на электроды подается кратковременное высокое напряжение, чтобы запустить ток через лампу; после запуска электроды достаточно нагреваются током, чтобы продолжать испускать электроны для поддержания разряда.

Холодные катоды могут также испускать электроны за счет фотоэлектрической эмиссии . Их часто называют фотокатодами, и они используются в фотолаборах, используемых в научных инструментах, и в трубках усилителей изображения, используемых в очках ночного видения.

Диоды

Диод symbol.svg

В полупроводниковом диоде катодом является N-легированный слой PN-перехода с высокой плотностью свободных электронов из-за легирования и равной плотностью фиксированных положительных зарядов, которые являются термически ионизированными легирующими добавками. В аноде действует обратное: он имеет высокую плотность свободных «дырок» и, следовательно, фиксированные отрицательные примеси, которые захватили электрон (отсюда и происхождение дырок).

Когда слои, легированные P и N, создаются рядом друг с другом, диффузия гарантирует, что электроны перетекают из областей с высокой плотностью в области с низкой плотностью, то есть со стороны N на сторону P. Они оставляют закрепленные положительно заряженные легирующие примеси возле перехода. Точно так же дырки диффундируют от P к N, оставляя фиксированные отрицательно ионизированные легирующие примеси вблизи перехода. Эти слои фиксированных положительных и отрицательных зарядов вместе известны как слой обеднения, потому что они обеднены свободными электронами и дырками. Слой обеднения на переходе является источником выпрямляющих свойств диода. Это происходит из-за возникающего внутреннего поля и соответствующего потенциального барьера, которые препятствуют протеканию тока при обратном приложенном смещении, которое увеличивает поле внутреннего обедненного слоя. И наоборот, они допускают прямое смещение, когда приложенное смещение снижает встроенный потенциальный барьер.

Электроны, которые диффундируют от катода в слой или анод, легированный P, становятся так называемыми «неосновными носителями» и стремятся рекомбинировать там с основными носителями, которые являются дырками, в масштабе времени, характерном для материала, который является p- Тип срок службы неосновных носителей. Точно так же дырки, диффундирующие в слой, легированный азотом, становятся неосновными носителями и стремятся рекомбинировать с электронами. В равновесии, без приложенного смещения, термическая диффузия электронов и дырок в противоположных направлениях через обедненный слой обеспечивает нулевой результирующий ток с электронами, протекающими от катода к аноду и рекомбинирующими, и дырками, протекающими от анода к катоду через переходный или обедненный слой. и рекомбинирование.

Как и в обычном диоде, в стабилитроне есть фиксированные анод и катод, но он будет проводить ток в обратном направлении (электроны текут от анода к катоду), если его напряжение пробоя или «напряжение стабилитрона» будет превышено.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки