Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 движения положительных зарядов. Электроны имеют отрицательный электрический заряд, поэтому движение электронов противоположно движению обычного электрического тока. Следовательно, мнемонический катодный ток отходит также означает, что электроны текут на катод устройства из внешней цепи.

Электрод, через который обычный ток течет в другую сторону, в устройство, называется анодом .

Схема оплаты [ править ]

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 попадают в катод, а заряд вытекает из него), а в устройстве, которое обеспечивает энергию (например, при использовании батареи), катод положительный (в него поступают электроны и вытекает заряд): аккумулятор или гальванический элементпри 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 заряжается, или электролитическая ячейкапри электролизе катод используется в качестве отрицательного вывода, с которого ток выходит из устройства и возвращается к внешнему генератору по мере поступления заряда в батарею / элемент. Например, изменение направления тока в гальванической ячейке Даниэля преобразует ее в электролитическую ячейку [1], где медный электрод является положительным выводом, а также анодом . В диоде катодом является отрицательный вывод на заостренном конце символа стрелки, где ток выходит из устройства. Примечание: название 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 интересующий ток - это 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 [ править ]

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 усиливает эту помощь памяти, то, в чем солнце кажется, что движется », катод - это место, где ток выходит из электролита, на западной стороне:« ката вниз, одос путь;путь, которым садится солнце ".[3]

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 магнитное поле Земли.направление, которое в то время считалось инвариантным. Он фундаментально определил свою произвольную ориентацию ячейки как такую, при которой внутренний ток будет проходить параллельно и в том же направлении, что и гипотетическая петля тока намагничивания вокруг локальной линии широты, которая индуцирует магнитный диполь.поле ориентировано как земное. 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 которое «катод»срок основан, может быть измененв то время как нынешнее соглашение о направлении, на котором был основан термин «исход», не имеет причин для изменения в будущем.

После 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 ».

По химии [ править ]

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 у «редукции». Следовательно, уменьшение на катоде. Возможно , наиболее полезно было бы вспомнить котый hode , соответствует кошачьему иону (акцептор) и ода соответствуетион (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 элемент является гальваническим, т. Е. Когда катод положительный и, следовательно, ожидается, что он отталкивает положительно заряженные катионы; это связано с относительным потенциалом электрода. (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 [ править ]

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 [ править ]

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) [ править ]

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 [ править ]

Вакуумные лампы [ править ]

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. [4] Катоды вызывают испускание электронов с помощью нескольких механизмов: [4]

  • Термоэлектронная эмиссия : катод можно нагревать. Повышенное тепловое движение атомов металла «выбивает» электроны с поверхности - эффект, называемый термоэлектронной эмиссией. Этот метод используется в большинстве электронных ламп.
  • Автоэлектронная эмиссия :к поверхности можно приложитьсильное электрическое поле , поместив электрод с высоким положительным напряжением рядом с катодом. Положительно заряженный электрод притягивает электроны, в результате чего часть электронов покидает поверхность катода. [4] Этот процесс используется в холодных катодах в некоторых электронных микроскопах , [5] [6] [7] и в производстве микроэлектроники, [6]
  • Вторичная эмиссия : электрон, атом или молекула, сталкивающиеся с поверхностью катода с достаточной энергией, могут выбивать электроны с поверхности. Эти электроны называются вторичными электронами . Этот механизм используется в газоразрядных лампах, например, в неоновых лампах .
  • Фотоэлектрическая эмиссия : электроны могут также испускаться из электродов некоторых металлов, когдана них падаетсвет с частотой выше пороговой. Этот эффект называется фотоэлектрической эмиссией, а образующиеся электроны - фотоэлектронами . [4] Этот эффект используется в фотоэлементах и усилителях изображения .

Катоды можно разделить на два типа:

Горячий катод [ править ]

Основная статья: Горячий катод
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 . [4] [8] Нить накала представляет собой тонкую проволоку из тугоплавкого металла, такого как вольфрам, нагретую 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 получения электронных лучей в старых телевизорах и компьютерных мониторах с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), в генераторах рентгеновского излучения , электронных микроскопах и т. Д.люминесцентные лампы .

Есть два типа горячих катодов: [4]

  • 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. [8] 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 катодом служила сама нить накала, переменныйэлектрическое поле от поверхности нити будет влиять на движение электронов и вносить гул в выход лампы. 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 термоэмиссию для использования, 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] Есть два основных типа обработанных катодов: [4] [8 ]

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. [11]

Холодный катод [ править ]

Основная статья: 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 термоэлектронная эмиссияпроисходит. 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 также могут испускать электроны по фотоэмиссии . Их часто называют фотокатодами, и они используются в фотолаборах, используемых в научных инструментах, и в трубках усилителей изображения, используемых в очках ночного видения.

Диоды [ править ]

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 около 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. 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, текущими от катода к аноду и рекомбинацией, 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.

См. Также [ править ]

  • Аккумулятор
  • Катодное смещение
  • Электролиз
  • Электролитическая ячейка
  • Газонаполненная трубка
  • Снижение окисления
  • ПЕДОТ
  • Вакуумная труба

Ссылки [ править ]

  1. ^ [1] Архивировано 4 июня 2011 года на Wayback Machine. Технически ячейку Даниэля можно превратить в электролитическую ячейку.
  2. ^ Росс, S (1 ноября 1961 г.). «Фарадей консультирует ученых: истоки терминов электрохимии». Примечания и отчеты Лондонского королевского общества . 16 (2): 187–220. DOI : 10,1098 / rsnr.1961.0038 . S2CID  145600326 .
  3. ^ Фарадей, Майкл (1849). Экспериментальные исследования в электричестве . 1 . Лондон: Лондонский университет.
  4. ^ a b c d e f g h Авадханулу, Миннесота; П.Г. Кширсагар (1992). Учебник инженерной физики для ВЕ, B.Sc . С. Чанд. С. 345–348. ISBN 978-8121908177. Архивировано 2 января 2014 года.
  5. ^ «Автоэлектронная эмиссия» . Британская энциклопедия онлайн . Encyclopdia Britannica, Inc. 2014. Архивировано 2 декабря 2013 года . Проверено 15 марта 2014 .
  6. ^ a b Пул, Чарльз П. Младший (2004). Энциклопедический словарь физики конденсированного состояния, т. 1 . Академическая пресса. п. 468. ISBN 978-0080545233. Архивировано 24 декабря 2017 года.
  7. ^ Флеш, Питер Г. (2007). Свет и источники света: газоразрядные лампы высокой интенсивности . Springer. С. 102–103. ISBN 978-3540326854. Архивировано 24 декабря 2017 года.
  8. ^ a b c Феррис, Клиффорд «Основы электронных ламп» в Whitaker, Jerry C. (2013). Справочник по электронике, 2-е изд . CRC Press. С. 354–356. ISBN 978-1420036664. Архивировано 2 января 2014 года.
  9. ^ Пул, Ян (2012). «Электроды для вакуумных трубок» . Учебное пособие по основам теории вакуумных трубок . Radio-Electronics.com, Adrio Communications. Архивировано 4 ноября 2013 года . Проверено 3 октября 2013 года .
  10. ^ Джонс, Мартин Хартли (1995). Практическое введение в электронные схемы . Великобритания: Cambridge Univ. Нажмите. п. 49. ISBN 978-0521478793. Архивировано 2 января 2014 года.
  11. ^ Sisodia, ML (2006). Активные микроволновые устройства Вакуумные и твердотельные . Нью Эйдж Интернэшнл. п. 2.5. ISBN 978-8122414479. Архивировано 2 января 2014 года.

Внешние ссылки [ править ]

  • Сайт катодно-лучевой трубки
  • Как определить анод и катод