Катод: Электрод, где происходит восстановление.

Введение

Электрод, на котором происходит восстановление.

Катод – это электрод, из которого выходит условный ток из поляризованного электрического устройства. Это определение можно запомнить, используя мнемоническое правило CCD (Cathode Current Departs – катод, из которого уходит ток). Условный ток описывает направление движения положительных зарядов. Электроны имеют отрицательный электрический заряд, поэтому движение электронов противоположно направлению условного тока. Следовательно, мнемоническое правило "катод, из которого уходит ток" также означает, что электроны поступают в катод устройства из внешней цепи. Например, конец бытовой батареи, обозначенный знаком + (плюс), является катодом. Электрод, через который условный ток течет в противоположном направлении – внутрь устройства, – называется анодом.

Поток заряда

Обычный ток течет от катода к аноду вне ячейки или устройства (с движением электронов в противоположном направлении), независимо от типа ячейки или устройства и режима его работы. Полярность катода относительно анода может быть положительной или отрицательной в зависимости от режима работы устройства. Внутри ячейки или устройства положительно заряженные катионы всегда движутся к катоду, а отрицательно заряженные анионы – к аноду, хотя полярность катода зависит от типа устройства и может даже изменяться в зависимости от режима работы. Независимо от того, является ли катод отрицательно поляризованным (например, при зарядке аккумулятора) или положительно поляризованным (например, при разряде аккумулятора), катод притягивает электроны извне и положительно заряженные катионы изнутри. В используемой батарее или гальваническом элементе катод является положительным полюсом, поскольку именно через него обычный ток выходит из устройства. Этот внешний ток переносится внутри положительными ионами, перемещающимися от электролита к положительному катоду (химическая энергия обеспечивает это движение "вверх по течению"). Он продолжается снаружи движением электронов в аккумулятор, что создает положительный ток, выходящий наружу. Например, медный электрод в гальваническом элементе Даниэля является положительным полюсом и катодом. В заряжающемся аккумуляторе или электролитической ячейке, проводящей электролиз, катод является отрицательным полюсом, из которого ток выходит из устройства и возвращается к внешнему генератору при поступлении заряда в аккумулятор/ячейку. Например, изменение направления тока в гальваническом элементе Даниэля превращает его в электролитическую ячейку, где медный электрод является положительным полюсом и анодом. В диоде катод – это отрицательный полюс на заостренном конце символа стрелки, откуда ток выходит из устройства. Примечание: обозначение электродов для диодов всегда основано на направлении прямого тока (направлении стрелки, по которому ток течет "наиболее легко"), даже для таких типов, как диоды Зенера или солнечные элементы, где интересующий ток является обратным током. В вакуумных лампах (включая кинескопы) это отрицательный полюс, куда электроны входят в устройство из внешней цепи и перемещаются в почти вакуумное пространство лампы, создавая положительный ток, выходящий из устройства.

Conventional current flows from cathode to anode outside the cell or device (with electrons moving in the opposite direction), regardless of the cell or device type and operating mode. Cathode polarity with respect to the anode can be positive or negative depending on how the device is being operated. Inside a device or a cell, positively charged cations always move towards the cathode and negatively charged anions move towards the anode, although cathode polarity depends on the device type, and can even vary according to the operating mode. Whether the cathode is negatively polarized (such as recharging a battery) or positively polarized (such as a battery in use), the cathode will draw electrons into it from outside, as well as attract positively charged cations from inside. A battery or galvanic cell in use has a cathode that is the positive terminal since that is where conventional current flows out of the device. This outward current is carried internally by positive ions moving from the electrolyte to the positive cathode (chemical energy is responsible for this "uphill" motion). It is continued externally by electrons moving into the battery which constitutes positive current flowing outwards. For example, the Daniell galvanic cell's copper electrode is the positive terminal and the cathode. A battery that is recharging or an electrolytic cell performing electrolysis has its cathode as the negative terminal, from which current exits the device and returns to the external generator as charge enters the battery/ cell. For example, reversing the current direction in a Daniell galvanic cell converts it into an electrolytic cell where the copper electrode is the positive terminal and also the anode. In a diode, the cathode is the negative terminal at the pointed end of the arrow symbol, where current flows out of the device. Note: electrode naming for diodes is always based on the direction of the forward current (that of the arrow, in which the current flows "most easily"), even for types such as Zener diodes or solar cells where the current of interest is the reverse current. In vacuum tubes (including cathode ray tubes) it is the negative terminal where electrons enter the device from the external circuit and proceed into the tube's near vacuum, constituting a positive current flowing out of the device.

Этимология

Слово было придумано в 1834 году от греческого κάθοδος (kathodos), «нисхождение» или «путь вниз», Уильямом Уивеллом, с которым консультировался Майкл Фарадей по поводу новых названий, необходимых для завершения работы 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 поможет запомнить, в том, в котором движется Солнце», катод находится там, где ток покидает электролит, на западной стороне: «ката – вниз, `odos – путь; путь, по которому заходит солнце». Использование «Запад» для обозначения направления «выхода» (фактически «выход» → «Запад» → «закат» → «вниз», то есть «скрытие из виду») может показаться излишне искусственным. Ранее, как указано в первой ссылке, Фарадей использовал более понятный термин «экзод» (дверь, через которую выходит ток). Его побуждением к замене его на термин, означающий «западный электрод» (другими кандидатами были «вестод», «окциод» и «дизиод»), было обеспечить его независимость от возможного будущего изменения принятого направления тока, чья точная природа в то время была неизвестна. В качестве ориентира он использовал направление магнитного поля Земли, которое тогда считалось неизменным. Он принципиально определил произвольную ориентацию ячейки как та, в которой внутренний ток будет течь параллельно и в том же направлении, что и гипотетический намагничивающий контур вокруг местной линии широты, который индуцирует магнитное дипольное поле, ориентированное как у Земли. Это сделало внутренний ток направленным с Востока на Запад, как упоминалось ранее, но в случае изменения принятой конвенции направление изменилось бы на Запад-Восток, и тогда западный электрод перестал бы быть «выходом». Следовательно, «экзод» стал бы неуместным, в то время как «катод», означающий «западный электрод», остался бы правильным по отношению к неизменному направлению фактического явления, лежащего в основе тока, тогда неизвестного, но, по его мнению, однозначно определяемого магнитным ориентиром. Оглядываясь назад, изменение названия оказалось неудачным, не только потому, что греческие корни сами по себе больше не раскрывают функцию катода, но, что более важно, потому что, как мы теперь знаем, направление магнитного поля Земли, на котором основан термин «катод», подвержено обращениям, в то время как принятая конвенция направления тока, на которой основан термин «экзод», не имеет оснований для изменения в будущем. После открытия электрона была предложена более простая для запоминания и более устойчивая технически правильная (хотя исторически неверная) этимология: катод, от греческого kathodos, «путь вниз», «путь (вниз) в ячейку (или другое устройство) для электронов».

The word was coined in 1834 from the Greek κάθοδος (kathodos), 'descent' or 'way down', by William Whewell, who had been consulted by Michael Faraday over some new names needed to complete a paper on the recently discovered process of electrolysis. In that paper Faraday explained that when an electrolytic cell is oriented so that electric current traverses the "decomposing body" (electrolyte) in a direction "from East to West, or, which will strengthen this help to the memory, that in which the sun appears to move", the cathode is where the current leaves the electrolyte, on the West side: "kata downwards, `odos a way ; the way which the sun sets". The use of 'West' to mean the 'out' direction (actually 'out' → 'West' → 'sunset' → 'down', i. e. 'out of view') may appear unnecessarily contrived. Previously, as related in the first reference cited above, Faraday had used the more straightforward term "exode" (the doorway where the current exits). His motivation for changing it to something meaning 'the West electrode' (other candidates had been "westode", "occiode" and "dysiode") was to make it immune to a possible later change in the direction convention for current, whose exact nature was not known at the time. The reference he used to this effect was the Earth's magnetic field direction, which at that time was believed to be invariant. He fundamentally defined his arbitrary orientation for the cell as being that in which the internal current would run parallel to and in the same direction as a hypothetical magnetizing current loop around the local line of latitude which would induce a magnetic dipole field oriented like the Earth's. This made the internal current East to West as previously mentioned, but in the event of a later convention change it would have become West to East, so that the West electrode would not have been the 'way out' any more. Therefore, "exode" would have become inappropriate, whereas "cathode" meaning 'West electrode' would have remained correct with respect to the unchanged direction of the actual phenomenon underlying the current, then unknown but, he thought, unambiguously defined by the magnetic reference. In retrospect the name change was unfortunate, not only because the Greek roots alone do not reveal the cathode's function any more, but more importantly because, as we now know, the Earth's magnetic field direction on which the "cathode" term is based is subject to reversals whereas the current direction convention on which the "exode" term was based has no reason to change in the future. Since the later discovery of the electron, an easier to remember, and more durably technically correct (although historically false), etymology has been suggested: cathode, from the Greek kathodos, 'way down', 'the way (down) into the cell (or other device) for electrons'.

В химии

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 перемещаются к нему из электролита (даже если ячейка гальваническая, то есть катод положительный и, следовательно, можно было бы ожидать его отталкивания положительно заряженных катионов; это объясняется разницей электродных потенциалов анода и катода относительно раствора электролита в гальванической ячейке). Катодный ток в электрохимии — это поток электронов от поверхности катода к частицам в растворе. Анодный ток — это поток электронов от частиц в растворе к аноду.

Электролитическая ячейка

В электролитической ячейке катод – это электрод, к которому прикладывается отрицательная полярность для обеспечения работы ячейки. Типичными продуктами восстановления на катоде являются газообразный водород или чистый металл из ионов металла. При сравнении восстановительной силы двух окислительно-восстановительных агентов, пара, генерирующая более сильный восстановитель, считается более "катодической" по отношению к реагенту, который легче восстанавливается.

Гальваническая ячейка

В гальваническом элементе катод – это электрод, к которому подключен положительный полюс для замыкания цепи: поскольку анод гальванического элемента отдает электроны, они возвращаются из внешней цепи в элемент через катод.

Электропластика металлического катода (электролиз)

Когда ионы металла восстанавливаются из ионного раствора, на катоде формируется чистая металлическая поверхность. Изделия, которые необходимо покрыть чистым металлом, присоединяются к катоду в электролитическом растворе и становятся его частью.

Холодный катод

Это катод, который не нагревается нитью накаливания. Он может излучать электроны за счет полевой эмиссии, а в газонаполненных лампах – вторичной эмиссии. Примеры включают электроды в неоновых лампах, флуоресцентные лампы с холодным катодом (CCFL), используемые в качестве подсветки в ноутбуках, тиратроны и трубки Крукса. Они не обязательно работают при комнатной температуре; в некоторых устройствах катод нагревается проходящим через него электронным током до температуры, при которой возникает термоэлектронная эмиссия. Например, в некоторых люминесцентных лампах на электроды кратковременно подается высокое напряжение для запуска тока в лампе; после запуска электроды нагреваются током настолько, чтобы продолжать излучать электроны и поддерживать разряд. Холодные катоды также могут излучать электроны за счет фотоэмиссии. Такие катоды часто называют фотокатодами и используют в фототрубках для научных приборов и в электронно-оптических усилителях изображения, применяемых в приборах ночного видения.

Диоды

В полупроводниковом диоде катод представляет собой N-допированный слой PN-перехода с высокой плотностью свободных электронов, обусловленной допированием, и равной плотностью фиксированных положительных зарядов, которые являются допантами, прошедшими термическую ионизацию. В аноде действует обратное: он характеризуется высокой плотностью свободных "дырок" и, следовательно, фиксированных отрицательных допантов, захвативших электрон (отсюда и происхождение дырок). Когда P- и N-допированные слои создаются рядом друг с другом, диффузия обеспечивает перенос электронов из областей с высокой плотностью в области с низкой плотностью: то есть, со стороны N на сторону P. Они оставляют за собой фиксированные положительно заряженные допанты вблизи перехода. Аналогично, дырки диффундируют из P в N, оставляя за собой фиксированные отрицательные ионизированные допанты вблизи перехода. Эти слои фиксированных положительных и отрицательных зарядов коллективно известны как обедненный слой, поскольку они лишены свободных электронов и дырок. Обедненный слой в области перехода является причиной выпрямительных свойств диода. Это обусловлено возникающим внутренним полем и соответствующим потенциальным барьером, которые подавляют протекание тока при обратном смещении, увеличивая напряженность внутреннего поля обедненного слоя. И наоборот, они обеспечивают протекание тока при прямом смещении, когда приложенное напряжение уменьшает встроенный потенциальный барьер. Электроны, диффундирующие из катода в P-допированный слой, или анод, становятся так называемыми "минорными носителями" и склонны к рекомбинации там с мажорными носителями, которыми являются дырки, с временной характеристикой, определяемой материалом – временем жизни минорных носителей в p-типе. Аналогично, дырки, диффундирующие в N-допированный слой, становятся минорными носителями и склонны к рекомбинации с электронами. В состоянии равновесия, при отсутствии приложенного напряжения, термически активированная диффузия электронов и дырок в противоположных направлениях через обедненный слой обеспечивает нулевой результирующий ток: электроны текут от катода к аноду и рекомбинируют, а дырки текут от анода к катоду через переход или обедненный слой и рекомбинируют. Как и в типичном диоде, в диоде Зенера есть фиксированный анод и катод, но он проводит ток в обратном направлении (электроны текут от анода к катоду), если его напряжение пробоя или "напряжение Зенера" превышено.

In a semiconductor diode, the cathode is the N–doped layer of the PN junction with a high density of free electrons due to doping, and an equal density of fixed positive charges, which are the dopants that have been thermally ionized. In the anode, the converse applies: It features a high density of free "holes" and consequently fixed negative dopants which have captured an electron (hence the origin of the holes). When P and N doped layers are created adjacent to each other, diffusion ensures that electrons flow from high to low density areas: That is, from the N to the P side. They leave behind the fixed positively charged dopants near the junction. Similarly, holes diffuse from P to N leaving behind fixed negative ionised dopants near the junction. These layers of fixed positive and negative charges are collectively known as the depletion layer because they are depleted of free electrons and holes. The depletion layer at the junction is at the origin of the diode's rectifying properties. This is due to the resulting internal field and corresponding potential barrier which inhibit current flow in reverse applied bias which increases the internal depletion layer field. Conversely, they allow it in forwards applied bias where the applied bias reduces the built in potential barrier. Electrons which diffuse from the cathode into the P doped layer, or anode, become what are termed "minority carriers" and tend to recombine there with the majority carriers, which are holes, on a timescale characteristic of the material which is the p type minority carrier lifetime. Similarly, holes diffusing into the N doped layer become minority carriers and tend to recombine with electrons. In equilibrium, with no applied bias, thermally assisted diffusion of electrons and holes in opposite directions across the depletion layer ensure a zero net current with electrons flowing from cathode to anode and recombining, and holes flowing from anode to cathode across the junction or depletion layer and recombining. Like a typical diode, there is a fixed anode and cathode in a Zener diode, but it will conduct current in the reverse direction (electrons flow from anode to cathode) if its breakdown voltage or "Zener voltage" is exceeded.