Кіріспе

Электродтың тотығу-тоқсыздануы жүретін жер катод деп аталады – поляризацияланған электр құрылғысынан кәдімгі ток шығатын электрод. Бұл анықтаманы «Катодтан ток шығып кетеді» деген есте сақтау жолымен (CCD) еске түсіруге болады. Кәдімгі ток – оң зарядтардың қозғалыс бағытын көрсетеді. Электронның теріс электр заряды болғандықтан, электронның қозғалысы кәдімгі ток ағынына кері бағытталған. Сондықтан, «катодтан ток шығып кетеді» деген есте сақтау жолы, сонымен қатар электрондардың сыртқы тізбектен құрылғының катодына ағып кіретінін білдіреді. Мысалы, тұрмыстық батареяның + (плюс) белгісімен белгіленген ұшы – катод. Кәдімгі ток кері бағытта, құрылғыға ағатын электрод анод деп аталады.

Зарядтың ағыны

Кәдімгі ток, камера немесе құрылғының түріне және жұмыс режиміне қарамастан, камера немесе құрылғы сыртында катодтан анодқа қарай ағады (электрондар қарама-қарсы бағытта қозғалады). Анодқа қатысты катодтың полярлығы құрылғының жұмыс істеу тәсіліне байланысты оң немесе теріс болуы мүмкін. Құрылғының немесе жасушаның ішінде оң зарядталған катиондар әрқашан катодқа, ал теріс зарядталған аниондар анодқа қарай қозғалады, бірақ катодтың полярлығы құрылғының түріне және тіпті жұмыс режиміне байланысты өзгеруі мүмкін. Катод теріс поляризацияланған (мысалы, батареяны зарядтағанда) немесе оң поляризацияланған (мысалы, қолданылып жатқан батарея) болса да, ол сырттан электрондарды және іштен оң зарядталған катиондарды тартады. Қолданылып жатқан батареяның немесе гальваникалық элементтің катоды оң терминал болып табылады, себебі дәл сол жерден кәдімгі ток құрылғыдан шығады. Бұл сыртқы токты электролиттен оң катодқа қарай қозғалған оң иондар ішкі жағынан тасымалдайды (осы "көкке" қарсы қозғалысқа химиялық энергия жауапты). Одан әрі ол сыртқа қарай ағып жатқан оң токты құрайтын, батареяға кіретін электрондармен жалғасады. Мысалы, Даниэль гальваникалық элементіндегі мыс электроды оң терминал және катод болып табылады. Электролиз жүргізіп жатқан батареяның немесе электролиттік жасушаның катоды теріс терминал болып табылады, одан ток құрылғыдан шығып, заряд батареяға/жасушаға кіргенде сыртқы генераторға қайта оралады. Мысалы, Даниэль гальваникалық жасушасындағы ток бағытын кері бұру оны электролиттік жасушаға айналдырады, онда мыс электроды оң терминал және анод болып табылады. Диодта катод – бұл жебе белгісінің ұшындағы теріс терминал, онда ток құрылғыдан шығады. Ескерту: диодтар үшін электродтарды атау әрқашан алға бағытталған ток бағытына негізделеді (яғни, ток "ең оңай" ағатын жебе бағыты), тіпті Зенер диодтары немесе кері ток қызықтыратын күн батареялары сияқты типтер үшін де. Вакуумдық түтіктерде (катодты сәулелі түтіктерді қоса алғанда) ол сыртқы тізбектен құрылғыға кіретін және түтіктің жартылай вакуумдық кеңістігіне өтетін, құрылғыдан шығатын оң токты құрайтын теріс терминал болып табылады.

Этимология

Бұл сөз 1834 жылы Уильям Уивелл грек тіліндегі κάθοδος (kathodos) сөзінен – «төменге қарай қозғалыс» немесе «төменге қарай жол» деген мағынасынан туындаған. Майкл Фарадей электролиздің жаңадан ашылған процесі туралы мақаласын аяқтау үшін жаңа атаулар қажет болғандықтан, оған кеңес сұраған. Фарадей сол мақалада электролиттік жасушада электр тогы «бөлінетін дене» (электролит) арқылы «шығыстан батысқа қарай» немесе, есте сақтауға көмектесетіндей, «күннің қозғалысына ұқсас» бағытта жүргенде, катодтың электролиттен батысқа қарай шығу орны екенін түсіндірді: «kata – төмен, `odos – жол; күн батуға қарай жол». «Батыс» сөзінің «шығу» мағынасында қолданылуы (әсіресе «шығу» → «батыс» → «күн бату» → «төмен», яғни «көре алмау») артық күшпен жасалған сияқты көрінуі мүмкін. Бұрын, жоғарыда аталған бірінші сілтемеде көрсетілгендей, Фарадей «экзод» (тоқтың шығу есігі) деген тікелей атауды қолданған. Оның оны «батыс электроды» деген мағынаға өзгертуге ықпал еткен себебі («westode», «occiode» және «dysiode» сияқты басқа нұсқалар да қарастырылған) – болашақта ток бағытының өзгеру мүмкіндігінен сақтану болды, себебі сол кезде оның нақты сипаты белгісіз еді. Ол үшін Жердің магнит өрісінің бағытын пайдаланды, ол сол кезде өзгермейтін деп есептелді. Ол жасушаның бағытын ішкі ток жердің магниттік дипольдік өрісіне ұқсас бағытты тудыратын жергілікті ендік сызығы бойындағы гипотетикалық магниттік ток айналымымен қатар және бір бағытта жүретіндей етіп анықтады. Бұл ішкі токты бұрын айтылғандай шығыстан батысқа бағытталды, бірақ егер болашақта конвенция өзгерсе, батыстан шығысқа қарай ағатын болар еді, сондықтан батыс электроды енді «шығу жолы» болмас еді. Сондықтан «экзод» сөзі қолдануға жарамсыз болып қалар еді, ал «катод» – «батыс электроды» деген мағынасы, токқа негіз болатын құбылыстың өзгермеген бағытына қатысты дұрыс болып қалар еді, ол сол кезде белгісіз болғанмен, магниттік сілтеме арқылы анықталған деп есептелді. Кейіннен атын өзгертуге кешігіпті, себебі грек түбірлері катодтың қызметін көрсетпейді, және одан да маңыздысы, біз қазір білетініміздей, «катод» терминіне негіз болған Жердің магнит өрісінің бағыты кері айналуға бейім, ал «экзод» терминіне негіз болған ток бағытының болашақта өзгеруіне ешқандай себеп жоқ. Электронды кейіннен ашқаннан кейін, есте сақтау оңай және техникалық тұрғыдан дұрыс (бірақ тарихи тұрғыдан жалған) этимология ұсынылды: катод, грек kathodos сөзінен – «төменге қарай жол», «электрондар үшін жасушаға (немесе басқа құрылғыға) кіру жолы».

Химия саласында

Химияда катод – электрхимиялық жасушаның электроды, онда тотығу процесі жүреді. Катод, жасуша электролиздік болғанда (жасушаға берілген электр энергиясы химиялық қосылыстарды ыдырату үшін қолданылатын жағдайда) теріс болуы мүмкін; ал жасуша гальваникалық болғанда (химиялық реакциялар электр энергиясын өндіру үшін қолданылатын жағдайда) оң болуы мүмкін. Катод электролиттен оған ағып келетін оң зарядты катиондарға электрондарды береді (жасуша гальваникалық болса да, яғни катод оң болса және сондықтан оң зарядты катиондарды итермелеп тастауы күтілсе де; бұл гальваникалық жасушадағы анод және катод металл/электролит жүйелерінің электролит ерітіндісіне қатысты электродтық потенциалының әртүрлі болуына байланысты). Электрохимияда катодтық ток – катод интерфейсінен ерітіндідегі затқа электрондардың ағыны. Анодтық ток – ерітіндідегі заттан анодқа электрондардың ағыны.

Электролиттік жасуша

Электролиттік элементте катод – элементті жұмыс ілістіру үшін теріс полярлық қосылатын электрод. Катодтағы тотығу-тоқсыздану процезінің әдеттегі нәтижесі – сутегі газы немесе металл иондарынан таза металлдың түзілуі. Екі тотығу-тоқсыздану агентінің салыстырмалы тоқсыздандыру күшін талқылағанда, күштірек тоқсыздандырғыш түрді жасауға қабілетті жұп, оңай тоқсызданатын реагентке қатысты "катодтық" деп аталады.

Гальваникалық жасуша

Гальваникалық жасушада катод – оң полюстің қосылатын жері, бұл тізбектің толуына мүмкіндік береді: гальваникалық жасушаның аноды электрондарды бөліп шығарғанда, олар тізбек арқылы катодқа оралып келеді.

Электропластика металл катоды (электролиз)

Металл иондары иондық ерітіндіде тотығуға ұшырағанда, катодта таза металл беті пайда болады. Таза металлмен жалатылатын заттар катодқа бекітіліп, электролиттік ерітіндіде оның бір бөлігіне айналады.

Суық катод

Бұл - жіпшесімен қыздырылмайтын катод. Олар электронды өрістік электрондық эмиссия арқылы, ал газға толы түтіктерде екіншілік эмиссия арқылы шығарады. Мысалдарға неон шамдарындағы электродтар, ноутбуктердегі артқы жарықтандыру ретінде қолданылатын суық катодты люминесценттік лампалар (CCFL), тиратрон түтікшелері және Крукс түтікшелері жатады. Олар міндетті түрде бөлме температурасында жұмыс істемейді; кейбір құрылғыларда катод арқылы өтетін электрон тогы оны термиондық эмиссия болатын температураға дейін қыздырады. Мысалы, кейбір люминесценттік түтіктерде түтік арқылы ток жүргізуді бастау үшін электродтарға уақытша жоғары кернеу қолданылады; іске қосылғаннан кейін электродтар токпен жеткілікті қыздырылып, разрядты сақтау үшін электрондарды шығаруды жалғастырады. Суық катодтар фотоэлектрлік эмиссия арқылы да электрондарды шығарады. Бұлар көбінесе фотокатодтар деп аталады және ғылыми құралдарда қолданылатын фототүтіктерде, түнгі көру көзілдірігінде қолданылатын бейне күшейткіш түтіктерде қолданылады.

Диодтар

Жартылай өткізгіш диодта катод – допингі салдарынан еркін электрондардың жоғары тығыздығына ие PN торабының N допингтелген қабаты, сондай-ақ термиялық иондануға ұшыраған допанттардың теңдей оң зарядтары. Анодта керісінше жағдай: ол бос "тесіктердің" жоғары тығыздығымен сипатталады, нәтижесінде электронды ұстап алған тұрақты теріс допанттар пайда болады (осыдан тесіктердің пайда болуы басталады). P және N допингтелген қабаттар бір-біріне жақын орналасқанда, диффузия электрондардың жоғары тығыздықтан төмен тығыздыққа қарай ағылуын қамтамасыз етеді, яғни N жағынан P жағына. Олар катод маңындағы оң зарядталған допанттарды қалдырады. Сол сияқты, тесіктер P жағынан N жағына диффузиялайды, түйіспе маңында тұрақты теріс иондалған допанттарды қалдырады. Бұл тұрақты оң және теріс зарядтардың қабаттары түйіндеу қабаты деп аталады, себебі олар бос электрондар мен тесіктерден бос. Диодтың түзету қасиеттерінің бастауы түйіндеу қабатында жатыр. Бұл пайда болған ішкі өріс пен сәйкес келетін потенциалдық тосқауылға байланысты, олар кері полярлықта ток ағынын шектейді, түйіндеу қабатындағы ішкі өрісті күшейтеді. Керісінше, тікелей полярлықта олар ток ағысына мүмкіндік береді, мұнда сыртқы полярлық потенциалдық тосқауылды азайтады. Катодтан P допингтелген қабатқа немесе анодқа диффузиялайтын электрондар "азшылық тасымалдаушылар" деп аталады және материалдың ерекше уақыт өлшемімен сипатталатын, p-типті азшылық тасымалдаушының өмір сүру мерзіміне сәйкес, көпшілік тасымалдаушылармен, яғни тесіктермен қайта бірігуге бейім. Сол сияқты, N допингтелген қабатқа диффузиялайтын тесіктер азшылық тасымалдаушылар болады және электрондармен қайта бірігуге бейім. Тепе-теңдік күйінде, сыртқы полярлық болмағанда, түйіндеу қабаты арқылы электрондардың катодтан анодқа және тесіктердің анодтан катодқа қарама-қарсы бағытта диффузиясы, электрондардың қайта бірігуімен және тесіктердің түйіндеу қабаты арқылы қайта бірігуімен нөлдік таза токқа кепілдік береді. Типик диод сияқты, Зенер диодында да тұрақты анод және катод болады, бірақ егер оның тегіс кернеуі немесе "Зенер кернеуі" асып кетсе, ол кері бағытта ток өткізеді (электрондар анодтан катодқа ағылады).