Katoda - Cathode

Katoda jest elektrodą z której konwencjonalnych prądowo pozostawia spolaryzowane urządzenia elektrycznego. Ta definicja może być przywołana przez użycie mnemonicznego CCD dla Cathode Current Departs . Prąd konwencjonalny opisuje kierunek, w którym poruszają się ładunki dodatnie. Elektrony mają ujemny ładunek elektryczny, więc ruch elektronów jest odwrotny do konwencjonalnego przepływu prądu. W konsekwencji prąd katody mnemonicznej odchodzi oznacza również, że elektrony wpływają do katody urządzenia z obwodu zewnętrznego.

Elektroda, przez którą konwencjonalny prąd płynie w drugą stronę, do urządzenia, nazywana jest anodą .

Przepływ ładunku

Schemat katody miedzianej w ogniwie galwanicznym (np. baterii). Dodatnio naładowane kationy przemieszczają się w kierunku katody, umożliwiając wypływ dodatniego prądu i z katody.

Konwencjonalny prąd płynie od katody do anody na zewnątrz ogniwa lub urządzenia (z elektronami poruszającymi się w przeciwnym kierunku), niezależnie od typu ogniwa lub urządzenia i trybu pracy.

Polaryzacja katody względem anody może być dodatnia lub ujemna w zależności od sposobu obsługi urządzenia. Kationy naładowane dodatnio zawsze poruszają się w kierunku katody, a aniony naładowane ujemnie w kierunku anody, chociaż polaryzacja katody zależy od typu urządzenia, a nawet może się różnić w zależności od trybu pracy. W urządzeniu pochłaniającym energię ładunku (takim jak ładowanie akumulatora) katoda jest ujemna (elektrony wypływają z katody, a ładunek dodatni wpływa do niej) oraz w urządzeniu dostarczającym energię (takim jak używany akumulator) , katoda jest dodatnia (elektrony wpływają do niej i ładunek wypływa): Używana bateria lub ogniwo galwaniczne ma katodę, która jest dodatnim zaciskiem, ponieważ to tam prąd wypływa z urządzenia. Ten wychodzący prąd jest przenoszony wewnętrznie przez dodatnie jony przemieszczające się z elektrolitu do dodatniej katody (energia chemiczna jest odpowiedzialna za ten ruch „w górę”). Jest kontynuowany zewnętrznie przez elektrony przemieszczające się do baterii, co stanowi dodatni prąd płynący na zewnątrz. Na przykład miedziana elektroda ogniwa Daniella jest biegunem dodatnim i katodą. Akumulator ładujący się lub ogniwo elektrolityczne dokonujące elektrolizy ma katodę jako zacisk ujemny, z którego prąd wypływa z urządzenia i wraca do zewnętrznego generatora, gdy ładunek trafia do akumulatora/ogniwa. Na przykład odwrócenie kierunku prądu w ogniwie galwanicznym Daniella przekształca go w ogniwo elektrolityczne, w którym elektroda miedziana jest biegunem dodatnim, a także anodą . W diodzie katoda jest ujemnym zaciskiem na spiczastym końcu symbolu strzałki, gdzie prąd wypływa z urządzenia. Uwaga: nazewnictwo elektrod dla diod jest zawsze oparte na kierunku prądu przewodzenia (kierunek strzałki, w którym prąd płynie „najłatwiej”), nawet dla typów takich jak diody Zenera lub ogniwa słoneczne, gdzie interesujący prąd jest prąd wsteczny. W lampach próżniowych (w tym katodowych ) jest to biegun ujemny, przez który elektrony przedostają się do urządzenia z obwodu zewnętrznego i przechodzą do próżni bliskiej lampie, stanowiąc dodatni prąd wypływający z urządzenia.

Etymologia

Słowo to zostało ukute w 1834 roku z greckiego κάθοδος ( kathodos ), „zejście” lub „droga w dół”, przez Williama Whewella , z którym Michael Faraday skonsultował kilka nowych nazw potrzebnych do uzupełnienia artykułu na temat niedawno odkrytego procesu elektrolizy . W tym artykule Faraday wyjaśnił, że kiedy ogniwo elektrolityczne jest zorientowane tak, że prąd elektryczny przepływa przez „rozkładające się ciało” (elektrolit) w kierunku „ze wschodu na zachód, lub, co wzmocni tę pomoc dla pamięci, w tym, w którym słońce wydaje się poruszać", katoda jest tam, gdzie prąd opuszcza elektrolit, po zachodniej stronie: " kata w dół, `odos sposób; sposób, w jaki zachodzi słońce".

Użycie słowa „Zachód” w celu oznaczenia kierunku „na zewnątrz” (w rzeczywistości „na zewnątrz” → „zachód” → „zachód słońca” → „w dół”, tj. „poza zasięgiem wzroku”) może wydawać się niepotrzebnie wymyślone. Wcześniej, jak wspomniano w pierwszej wzmiance cytowanej powyżej, Faraday używał prostszego terminu „exode” (drzwi, przez które wychodzi prąd). Jego motywacją do zmiany go na coś oznaczającego „elektrodę zachodnią” (innymi kandydatami były „westode”, „occiode” i „dysiode”) było uodpornienie go na ewentualną późniejszą zmianę konwencji kierunku prądu , którego dokładna natura nie było wówczas znane. Odniesieniem, którego użył do tego efektu, był kierunek ziemskiego pola magnetycznego , który w tamtych czasach uważano za niezmienny. Zasadniczo zdefiniował swoją arbitralną orientację dla komórki jako taką, w której prąd wewnętrzny będzie biegł równolegle i w tym samym kierunku, co hipotetyczna pętla prądu magnesującego wokół lokalnej linii szerokości geograficznej, która indukuje pole dipola magnetycznego zorientowane jak ziemskie. To sprawiło, że wewnętrzny prąd ze Wschodu na Zachód, jak już wcześniej wspomniano, zmienił się w Zachód na Wschód, tak że elektroda Zachodu nie byłaby już „drogą wyjścia”. Dlatego „exode” stałoby się nieodpowiednie, podczas gdy „katoda” oznaczająca „elektrodę zachodnią” pozostałaby poprawna w odniesieniu do niezmienionego kierunku rzeczywistego zjawiska leżącego u podstaw prądu, wówczas nieznanego, ale, jak sądził, jednoznacznie zdefiniowanego przez odniesienie magnetyczne . Z perspektywy czasu zmiana nazwy była niefortunna, nie tylko dlatego, że same greckie korzenie nie ujawniają już funkcji katody, ale co ważniejsze, ponieważ, jak teraz wiemy, kierunek pola magnetycznego Ziemi, na którym opiera się termin „katoda”, podlega do odwrócenia, podczas gdy obecna konwencja kierunku, na której opierał się termin „exode”, nie ma powodu, aby się zmienić w przyszłości.

Od czasu późniejszego odkrycia elektronu , łatwiejszą do zapamiętania i trwalszą technicznie poprawną (choć historycznie fałszywą), sugerowano etymologię: katoda, od greckiego kathodos , „droga w dół”, „droga (w dół) do ogniwa (lub inne urządzenie) dla elektronów”.

W chemii

W chemii , A katoda jest elektrodą o ogniwa elektrochemicznego , w którym redukcja zachodzi; przydatnym mnemonikiem do zapamiętania jest AnOx RedCat (Utlenianie na anodzie = redukcja na katodzie). Innym mnemonikiem jest zauważenie, że katoda ma „c”, podobnie jak „redukcja”. Stąd redukcja na katodzie. Być może najbardziej użyteczne byłoby, aby pamiętać, kot odpowiada Hode na kota jonu (akceptorem) i an odpowiada Ody do z jonów (dawcy). Katoda może być ujemna, jak wtedy, gdy ogniwo jest elektrolityczne (gdzie energia elektryczna dostarczana do ogniwa jest wykorzystywana do rozkładu związków chemicznych); lub dodatni, gdy ogniwo jest galwaniczne (gdzie reakcje chemiczne są wykorzystywane do generowania energii elektrycznej). Katoda dostarcza elektrony do dodatnio naładowanych kationów, które do niego dopływają z elektrolitu (nawet jeśli ogniwo jest galwaniczne, tj. gdy katoda jest dodatnia i dlatego powinna odpychać dodatnio naładowane kationy; wynika to z potencjału elektrody względem odmiennym roztworem elektrolitu dla systemów anoda i katoda metal/elektrolit w ogniwie galwanicznym ).

Prądu katodowego w elektrochemii jest przepływ elektronów z katody do interfejsu gatunków w roztworze. Prądu anodowego jest przepływ elektronów na anodzie z gatunku w roztworze.

Ogniwo elektrolityczne

W ogniwie elektrolitycznym katoda jest tam, gdzie ujemna polaryzacja jest stosowana do napędzania ogniwa. Typowe wyniki redukcji na katodzie to gazowy wodór lub czysty metal z jonów metali. Omawiając względną moc redukującą dwóch środków redoks, mówi się, że para do wytwarzania większej liczby związków redukujących jest bardziej „katodowa” w stosunku do łatwiej redukowanego odczynnika.

Ogniwo galwaniczne

W ogniwie galwanicznym katoda jest tam, gdzie podłączony jest biegun dodatni, aby umożliwić zakończenie obwodu: gdy anoda ogniwa galwanicznego oddaje elektrony, wracają one z obwodu do ogniwa przez katodę.

Galwanizacja katody metalowej (elektroliza)

Gdy jony metali są redukowane z roztworu jonowego, tworzą na katodzie powierzchnię z czystego metalu. Przedmioty, które mają być pokryte czystym metalem, są przymocowane do katody i stają się częścią katody w roztworze elektrolitycznym.

W elektronice

Rury próżniowe

Żar z bezpośrednio żarzonej katody lampy tetrody mocy 1 kW w nadajniku radiowym. Włókno katodowe nie jest bezpośrednio widoczne

W lampie próżniowej lub elektronicznym systemie próżniowym katoda jest metalową powierzchnią, która emituje wolne elektrony do pustej przestrzeni. Ponieważ elektrony są przyciągane do dodatnich jąder atomów metalu, zwykle pozostają wewnątrz metalu i potrzebują energii, aby go opuścić; nazywa się to funkcją pracy metalu. Katody są indukowane do emisji elektronów przez kilka mechanizmów:

  • Emisja termionowa : katoda może być podgrzewana. Zwiększony ruch termiczny atomów metalu „wybija” elektrony z powierzchni, efekt zwany emisją termionową. Ta technika jest stosowana w większości lamp próżniowych.
  • Emisja elektronów polowych : Silne pole elektryczne może być przyłożone do powierzchni poprzez umieszczenie elektrody o wysokim napięciu dodatnim w pobliżu katody. Dodatnio naładowana elektroda przyciąga elektrony, powodując, że niektóre elektrony opuszczają powierzchnię katody. Proces ten jest stosowany w zimnych katodach w niektórych mikroskopach elektronowych oraz w produkcji mikroelektroniki,
  • Emisja wtórna : elektron, atom lub cząsteczka zderzająca się z powierzchnią katody o wystarczającej energii może wybić elektrony z powierzchni. Te elektrony nazywane są elektronami wtórnymi . Mechanizm ten stosowany jest w lampach wyładowczych, takich jak neony .
  • Emisja fotoelektryczna : Elektrony mogą być również emitowane z elektrod niektórych metali, gdypada na nieświatło o częstotliwości większej niż częstotliwość progowa. Efekt ten nazywany jest emisją fotoelektryczną, a wytwarzane elektrony nazywane są fotoelektronami . Efekt ten wykorzystywany jest w fotolampach ilampach wzmacniających obraz .

Katody można podzielić na dwa typy:

Gorąca katoda

Dwie pośrednio żarzone katody (pomarańczowy pasek grzejny) w podwójnej lampie triodowej ECC83
Przekrój rury próżniowej triody z pośrednio grzaną katodą (rura pomarańczowa) , pokazujący element grzejny wewnątrz
Schematyczny symbol używany na schematach obwodów dla lampy próżniowej, pokazujący katodę

Gorąca katoda to katoda, która jest podgrzewana przez żarnik w celu wytworzenia elektronów w wyniku emisji termoelektrycznej . Włókno to cienki drut z ogniotrwałego metalu, takiego jak wolfram, rozgrzany do czerwoności przez przepływający przez niego prąd elektryczny. Przed pojawieniem się tranzystorów w latach 60. praktycznie cały sprzęt elektroniczny wykorzystywał lampy próżniowe z gorącą katodą . Obecnie gorące katody są stosowane w lampach próżniowych w nadajnikach radiowych oraz pieców mikrofalowych, w celu wytworzenia wiązek elektronów w starszych kineskop (CRT), typu i telewizyjnych monitorów komputerowych, w generatorach rentgenowskich , mikroskopem elektronowym i świetlówek .

Istnieją dwa rodzaje gorących katod:

  • Katoda ogrzewana bezpośrednio : W tym typie samo żarnik jest katodą i bezpośrednio emituje elektrony. W pierwszych lampach próżniowych stosowano bezpośrednio ogrzewane katody, ale obecnie są one używane tylko w lampach fluorescencyjnych , niektórych dużych lampach transmisyjnych i wszystkich lampach rentgenowskich.
  • Pośrednio podgrzewana katoda : W tym typie żarnik nie jest katodą, ale raczej podgrzewa katodę, która następnie emituje elektrony. W większości dzisiejszych urządzeń stosuje się pośrednio żarzone katody. Na przykład w większości lamp próżniowych katoda jest rurką niklową z żarnikiem wewnątrz, a ciepło z żarnika powoduje, że zewnętrzna powierzchnia lampy emituje elektrony. Włókno pośrednio żarzonej katody jest zwykle nazywane grzałką . Głównym powodem stosowania pośrednio żarzonej katody jest izolacja reszty rury próżniowej od potencjału elektrycznego na żarniku. Wiele lamp próżniowych wykorzystuje prąd zmienny do podgrzewania żarnika. W rurze, w której katodą było samo żarnik, zmienne pole elektryczne z powierzchni żarnika wpłynęłoby na ruch elektronów i wprowadziło szum do wyjścia lampy. Pozwala również na związanie ze sobą żarników we wszystkich lampach urządzenia elektronicznego i zasilanie ich z tego samego źródła prądu, nawet jeśli katody, które podgrzewają, mogą mieć różne potencjały.

W celu poprawy emisji elektronów katody są poddawane obróbce chemikaliami, zwykle związkami metali o niskiej funkcji pracy . Obrobione katody wymagają mniejszej powierzchni, niższych temperatur i mniejszej mocy, aby dostarczyć ten sam prąd katodowy. Nieobrobione włókna wolframowe stosowane we wczesnych rurach (zwane „jasnymi emiterami”) musiały zostać podgrzane do 1400 ° C (~ 2500 ° F), rozgrzane do białości, aby wytworzyć wystarczającą emisję termionową do użycia, podczas gdy nowoczesne powlekane katody wytwarzają znacznie więcej elektronów w danej temperaturze, więc trzeba je tylko podgrzać do 425–600 °C (~800–1100 °F) () Istnieją dwa główne typy poddanych obróbce katod:

Zimna katoda (elektroda lewa) w lampie neonowej
  • Katoda powlekana – W tych przypadkach katoda pokryta jest powłoką z tlenków metali alkalicznych , często tlenku baru i strontu . Są one stosowane w lampach małej mocy.
  • Wolfram torowany – W lampach dużej mocy bombardowanie jonami może zniszczyć powłokę na powlekanej katodzie. W tych rurach stosuje się bezpośrednio ogrzewaną katodę składającą się z włókna wolframowego zawierającego niewielką ilość toru . Warstwa toru na powierzchni, która zmniejsza pracę katody, jest stale uzupełniana, ponieważ jest tracona przez dyfuzję toru z wnętrza metalu.

Zimna katoda

Jest to katoda, która nie jest podgrzewana przez żarnik. Mogą emitować elektrony poprzez polową emisję elektronów , aw rurach wypełnionych gazem poprzez emisję wtórną . Niektóre przykłady to elektrody w lampach neonowych , lampy fluorescencyjne z zimną katodą (CCFL) stosowane jako podświetlenie w laptopach, lampy tyratronowe i lampy Crookesa . Niekoniecznie działają w temperaturze pokojowej; w niektórych urządzeniach katoda jest podgrzewana przez przepływający przez nią prąd elektronowy do temperatury, w której następuje emisja termoelektryczna . Na przykład w niektórych lampach fluorescencyjnych do elektrod przykładane jest chwilowe wysokie napięcie, aby uruchomić prąd płynący przez lampę; po uruchomieniu elektrody są wystarczająco nagrzewane przez prąd, aby nadal emitować elektrony, aby podtrzymać wyładowanie.

Zimne katody mogą również emitować elektrony poprzez emisję fotoelektryczną . Są one często nazywane fotokatodami i są stosowane w fototubach stosowanych w instrumentach naukowych oraz lampach wzmacniających obraz stosowanych w goglach noktowizyjnych.

Diody

Symbol diody.svg

W diodzie półprzewodnikowej katodą jest domieszkowana azotem warstwa złącza PN o dużej gęstości wolnych elektronów w wyniku domieszkowania i równej gęstości stałych ładunków dodatnich, które są domieszkami zjonizowanymi termicznie. W anodzie obowiązuje odwrotność: charakteryzuje się dużą gęstością wolnych „dziur”, a co za tym idzie stałych ujemnych domieszek, które wyłapały elektron (stąd pochodzenie dziur).

Kiedy warstwy domieszkowane P i N są tworzone obok siebie, dyfuzja zapewnia przepływ elektronów z obszarów o wysokiej do niskiej gęstości: To znaczy od strony N do strony P. W pobliżu skrzyżowania pozostawiają stałe dodatnio naładowane domieszki. Podobnie, dziury dyfundują od P do N, pozostawiając stałe ujemnie zjonizowane domieszki w pobliżu złącza. Te warstwy stałych ładunków dodatnich i ujemnych są wspólnie znane jako warstwa zubożona, ponieważ są zubożone w wolne elektrony i dziury. Warstwa zubożona na złączu jest źródłem właściwości prostowniczych diody. Wynika to z powstałego pola wewnętrznego i odpowiedniej bariery potencjału, która hamuje przepływ prądu przy odwróconym polaryzacji, co zwiększa wewnętrzne pole warstwy zubożonej. I odwrotnie, pozwalają na to w przypadku obciążenia stosowanego do przodu, gdzie zastosowane obciążenie zmniejsza wbudowaną barierę potencjału.

Elektrony, które dyfundują z katody do warstwy domieszkowanej P lub anody, stają się tak zwanymi „nośnikami mniejszościowymi” i mają tendencję do rekombinacji tam z większościowymi nośnikami, którymi są dziury, w skali czasu charakterystycznej dla materiału, który jest p- czas życia nośnika mniejszościowego. Podobnie dziury dyfundujące do warstwy domieszkowanej azotem stają się nośnikami mniejszościowymi i mają tendencję do rekombinacji z elektronami. W równowadze, bez przykładanego polaryzacji, wspomagana termicznie dyfuzja elektronów i dziur w przeciwnych kierunkach przez warstwę zubożoną zapewnia zerowy prąd netto z elektronami przepływającymi od katody do anody i rekombinacją oraz dziurami przepływającymi od anody do katody przez złącze lub warstwę zubożoną i rekombinacja.

Podobnie jak w przypadku typowej diody, w diodzie Zenera znajduje się nieruchoma anoda i katoda, ale będzie ona przewodzić prąd w odwrotnym kierunku (elektrony przepływają od anody do katody), jeśli jej napięcie przebicia lub „napięcie Zenera” zostanie przekroczone.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne