Химические источники электричества, в которых происходят обратимые реакции, называются аккумуляторами: они заряжаются и используются многократно.
Что такое анод и катод?
Часто возникает проблема определения того, какой электрод является катодом, а какой – анодом. Для начала важно разобраться в этих понятиях.
В сложных веществах электроны между атомами в соединениях распределяются не одинаково. В результате взаимодействия молекулы переходят от атома одного вещества к атому другого. Эта реакция называется реакцией окисления-восстановления. Потеря электронов называется окислением, а элемент, отдающий электроны, называется восстановителем.
Присоединение электронов называется восстановлением, а элемент, принимающий электроны, называется окисляющим агентом. Перенос электронов от восстановителя к окислителю может происходить через внешнюю цепь и затем использоваться в качестве источника электрической энергии. Устройства, преобразующие энергию химической реакции в электрическую энергию, называются гальваническими элементами.
Простейший классический пример гальванического элемента – две пластины из разных металлов, погруженные в раствор электролита. В этом случае на одном металле происходит окисление, а на другом – восстановление.
ВАЖНО! Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом. Электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом.
Медно-цинковый гальванический элемент, который работает за счет поглощения энергии реакции между цинком и сульфатом меди, является знакомым примером из школьных учебников химии. В приборе Якоби-Дэниела медная пластина помещается в раствор сульфата меди (медный электрод), а цинковая пластина погружается в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Цинковый электрод выделяет катионы в раствор, создавая избыточный положительный заряд в растворе, в то время как медный электрод лишен катионов, и раствор заряжен отрицательно.
Читайте также: Что такое элемент Пельтье, устройство и принцип работы
Применение в электрохимии
Аноды и катоды участвуют во многих химических реакциях:
- Электролиз;
- Электроэкстракция;
- Гальваника;
- Гальваника.
Электролиз расплавленных соединений и водных растворов позволяет получать металлы, очищать их от примесей и извлекать ценные компоненты (электролитическое рафинирование). Из металла, подлежащего рафинированию, отливают пластины. Пластины помещаются в качестве анодов в электролизер. Металл растворяется под действием электрического тока. Его катионы переходят в раствор и отводятся на катод, образуя осадок чистого металла. Примеси в исходном сыром металлическом листе либо остаются нерастворимыми в виде анодного осадка, либо переходят в электролит, где они удаляются. Электролитическому рафинированию подвергаются медь, никель, свинец, золото, серебро и олово.
Электроэкстракция – это процесс извлечения металла из раствора при электролизе. Для того чтобы перевести металл в раствор, его обрабатывают специальными реагентами. В результате этого процесса получается металл высокой чистоты, который восстанавливается на катоде. Таким способом производят цинк, медь и кадмий.
Чтобы избежать коррозии, сделать изделие более прочным и декоративным, поверхность одного металла покрывают другим. Этот процесс называется гальваникой.
Гальванопластика – это процесс создания металлических копий трехмерных объектов путем электроосаждения металла.
Применение в вакуумных электронных приборах
Принцип работы катода и анода в вакуумном устройстве можно продемонстрировать на примере электронной лампы. Она выглядит как герметично закрытый сосуд с металлическими деталями внутри. Это устройство используется для выпрямления, генерации и преобразования электрических сигналов. Оно отличается количеством электродов:
Понятие анода и катода
Чтобы лучше понять эти термины, приведем их определения.
Анод
Под этим термином подразумевается электрод, через который в устройство поступает электрический ток. Это означает, что электрический ток генерируется потоком положительных зарядов. Фактически, по металлическим проводникам движутся электроны (носители отрицательного заряда), которые движутся к положительному полюсу источника электрического тока.
Проще говоря, мы будем считать анод положительным электродом, а катод – отрицательным. При подключении радиодеталей соблюдайте их полярность, ориентируясь на обозначения на схемах.
Катод
Это электрод, через который протекает электрический ток от устройства (это обычное понимание тока, в виде потока положительного заряда). Таким образом, если провод с положительным потенциалом подключен к аноду, то клеммы с отрицательным потенциалом подключены к катоду.
Приведенные выше термины применимы к гальваническим элементам. В гальваническом элементе анодом является электрод, на поверхности которого происходит реакция окисления металла. Названия электродов можно найти в:
- химии;
- физике;;
- электротехника;
- Радиоэлектроника.
При сборке радиодеталей очень важно не перепутать электроды. Для этого необходимо знать, как определить их назначение.
Как определить, какой электрод является анодом, а какой – катодом?
При определении катода и анода важно в первую очередь смотреть на направление тока, а не на полярность источника питания. Хотя эти понятия тесно связаны с полярностью тока, они в большей степени зависят от направлений векторов силы.
Например, в аккумуляторах роли катода и анода меняются во время зарядки. Это происходит потому, что направление электрического тока меняется во время зарядки. Электрод, который служил электродом, когда батарея находилась в режиме питания, будет служить катодом во время зарядки, и наоборот; катод превращается в анод.
На рисунке 1 показан процесс электролиза, в котором движутся анионы (отрицательные ионы) и катионы (положительные ионы). Анионы движутся к аноду, а положительные катионы – к катоду.
При электролизе движутся носители заряда разных знаков, но по определению анод – это электрод, к которому течет ток. На рисунке анод соединен с положительным полюсом источника тока, поэтому ток условно течет к этому электроду.
На рисунке 2 показана схема гальванического элемента.
Положительный полюс источника тока является катодом, а не анодом, как можно было бы ожидать. Если вы внимательно изучите принцип работы гальванического элемента, вы поймете, почему анод является отрицательным полюсом.
Обратите внимание на рисунок, показывающий структуру гальванического источника тока. Стрелки (вверху) указывают направление движения электронов, но условно считается, что ток движется от плюса к минусу. Это означает, что при замыкании цепи ток течет в отрицательный полюс, который является анодом, где происходит реакция окисления. Другими словами, ток от положительного электрода течет через нагрузку к аноду, который является отрицательным полюсом гальванического элемента. При вдумчивом подходе все встает на свои места.
Определение анода и катода
Для начала возьмем очень серьезный документ, который является ЗАКОНОМ для науки, техники и, конечно, школы. Это "ГОСТ 15596-82: Источники питания химические. Термины и определения". Там, на странице 3, вы можете прочитать следующее: "Отрицательным электродом химического источника тока является электрод, который при разряде источника является анодом". То же самое: "Положительный электрод химического источника тока – это электрод, который при разряде является катодом". (Термины подчеркнуты мной. БК). Но тексты регламента и ГОСТа противоречат друг другу. В чем же проблема?
Причина в том, что деталь, помещенная в электролит, например, для никелирования или электрохимической полировки, может быть как анодом, так и катодом, в зависимости от того, нанесен или снят второй слой металла. Электрическая батарея – это классический пример возобновляемого химического источника электроэнергии. Она может работать в двух режимах – зарядки и разрядки. Направление электрического тока в этих разных случаях будет прямо противоположным в самой батарее, хотя полярность электродов не меняется.
(В зависимости от этого назначение электродов будет разным. При зарядке положительный электрод будет принимать электрический ток, а отрицательный – отдавать его. При разрядке все будет наоборот. Если нет движения электрического тока, то говорить об аноде и катоде бессмысленно"[/stextbox].
"Поэтому, чтобы избежать двусмысленности и неопределенности, а также ради большей точности, – писал М. Фарадей в своих исследованиях в январе 1834 года, – я предполагаю в будущем использовать термины, определение которых я сейчас даю."
Каковы были причины Фарадея для введения новых терминов в науку? А вот они: "Поверхности, по которым, согласно обычной терминологии, электрический ток входит в вещество и выходит из него, являются очень важными местами действия, и их следует отличать от полюсов". В это время, после открытия Т. Сибеком явления термоэлектричества, возникла гипотеза, что магнетизм Земли вызван разницей температур между полюсами и экватором, что приводит к возникновению токов вдоль экватора. Это не подтвердилось, но послужило Фарадею "естественным индикатором" при создании новых терминов. Магнетизм Земли настолько же полярный, как если бы электрические токи текли вдоль экватора в направлении видимого движения Солнца.
Основные свойства катодов
В каждом электровакуумном приборе имеется электрод, предназначенный для эмиссии (испускания) электронов. Этот электрод называется катодом. Электрод, принимающий электроны, испускаемые катодом, называется анодом. На анод подается более высокий и более положительный потенциал по отношению к катоду. Катод должен обеспечивать высокий ток эмиссии на единицу площади при минимально возможной температуре нагрева и иметь длительный срок службы. Катод в вакуумной трубке нагревается под действием протекающего через него тока.
Термоионные катоды делятся на две основные группы:
- катоды прямого накала,
- прямо накаливаемые катоды, косвенно накаливаемые (подогреваемые) катоды.
Катоды прямого накала представляют собой металлические нити, которые непосредственно нагреваются током накала и позволяют эмитировать электроны. Малая теплоемкость нити накала не позволяет использовать переменный ток для нагрева. Кроме того, при нагреве переменным током температура катода непостоянна во времени, поэтому ток эмиссии также изменяется во времени.
Положительным свойством катода прямого накала является его экономичность, которая достигается за счет малого количества тепла, излучаемого в окружающую среду из-за малой площади поверхности катода. Катоды прямого накала изготавливаются из вольфрамовой и никелевой проволоки. Однако высокий КПД (W = 4,2÷4,5 В) определяет высокую рабочую температуру катода, что делает его неэкономичным. Для повышения эффективности катода вольфрамовая или никелевая проволока (сердечник) "активируется – покрывают слоем другого элемента. Такие катоды называются активированными катодами.
[Если на поверхность сердечника нанести электроположительную пленку (цезиевую, ториевую или бариевую, которая имеет меньший предел текучести, чем материал сердечника), то пленка становится поляризованной: валентные электроны переходят в сердечник, и между положительно заряженной пленкой и сердечником создается разность потенциалов, ускоряющая движение электронов по мере их выхода из сердечника. [/stextbox].
Почему такая путаница?
Все происходит от того, что нет четкого присвоения минуса и плюса компонентам, которые называются "К" и "А". Уже Майкл Фарадей придумал простое правило обозначения полярности для этой пары электродов. Что, согласно его объяснению, является анодом? Ученый, вспомнив определение, предложил аналогию с солнцем. Там, где ток входит (восход солнца), находится анод, а там, где ток выходит (закат), – катод. В случае с батареями полярность анода и катода меняется в зависимости от того, работает ли батарея как гальванический элемент (при разрядке) или как электролизер (при зарядке).
Сварка постоянным током также неоднозначно определяет 'A' и 'K', когда дуга зажигается на прямой или обратной полярности.
Обозначения 'A' и 'K' в сварке постоянным током
Как определить анод и катод
Что такое катод и анод, объясняется в определенные моменты: при определении выводов в полупроводниковых компонентах или при определении электродов в электрохимических процессах.
Полупроводниковый диод необходимо разместить в электрических цепях. Определение выводов необходимо для правильного подключения. Это может быть сделано с помощью следующих маркировок
- маркировка, нанесенная на корпус компонента;
- длина вывода компонента;
- показания тестера при измерении омметром или проверке диодов;
- использование источника тока известной полярности.
Полупроводники этого типа можно маркировать, нанося на корпус графическое обозначение диода. Минусом (К) в этом случае является вывод на вертикальной стороне линии, на которую опирается контур стрелки. Ножка диода, из которой выступает контур стрелки, является плюсом (А). Это графически указывает направление постоянного тока – от "А" к "К".
Другой способ определить анод на диодном элементе – нанести на корпус одну или две цветные точки или пару узких колец. Существуют диоды, у которых минус (катод) обозначен широким серебряным кольцом. Таким примером является диод 2А546А-5 (ДМ).
Примеры маркировки диодов
Длина ножек светодиодов, которые никогда не были припаяны к платам, также может указывать на полярность выводов. В случае светодиодов длинная ножка – это положительный электрод, а короткая – отрицательный вывод. Кроме того, указанием может служить форма корпуса (край схемы).
Полярность светодиодных проводов
При определении полярности полупроводниковых выводов с помощью мультиметра, подключите его в режиме проверки диодов. Если на дисплее отображаются цифры, диод подключен в прямом направлении. Красный щуп подключается к аноду "+", а черный – к катоду "-".