Катод и анод в электрохимии и электронике¶

Катод — это электрод, на котором происходит восстановление: частицы принимают электроны. Анод — электрод, на котором идёт окисление: частицы отдают электроны. Эти два понятия парны и определяются не материалом или зарядом, а направлением электрохимической реакции. В гальваническом элементе (источнике тока) катод заряжен положительно, а анод — отрицательно; в электролизёре (потребителе тока) полярность обратная. В электронных приборах — вакуумных лампах, электронно-лучевых трубках, полупроводниковых диодах — термины применяют к электродам, управляющим потоком электронов.

¶Происхождение терминов

Слова ввёл английский физик и химик Майкл Фарадей в 1834 году, опираясь на греческие корни: «катод» — от kathodos («путь вниз»), «анод» — от anodos («путь вверх»). Фарадей связывал названия с направлением, в котором движется ток через электролит: «вниз» — от внешней цепи к электроду, «вверх» — от электрода во внешнюю цепь. Позднее смысл уточнили через окислительно-восстановительные процессы, поскольку первоначальная геометрическая аналогия оказалась неточной.

¶Катод и анод в электрохимии

В электрохимической ячейке оба электрода погружены в электролит — раствор или расплав, проводящий ионы. Реакции на электродах:

Ключевое правило: катионы (положительные ионы) движутся к катоду, анионы (отрицательные) — к аноду. Названия ионов происходят от тех же корней.

¶Гальванический элемент

В элементе Даниэля — цинковом и медном электродах в растворах их солей — цинк окисляется и служит анодом (отрицательный полюс), а медь восстанавливается и служит катодом (положительный полюс). Электроны идут по внешней цепи от цинка к меди, совершая работу. Так устроены батарейки и аккумуляторы: анод — отрицательная клемма, катод — положительная.

¶Электролиз

При пропускании внешнего тока через электролит процессы меняются местами по полярности. В электролизёре для получения алюминия из расплава криолита и глинозёма катодом служат угольные блоки на дне ванны (там осаждается жидкий алюминий), а анодами — обожжённые угольные электроды, которые постепенно сгорают в выделяющемся кислороде. При электролизе воды на катоде выделяется водород, на аноде — кислород.

¶Катод и анод в электронных приборах

В вакуумной электронике терминология сохранилась, но акцент сместился на эмиссию электронов.

• Электронная лампа (диод, триод). Катод — источник электронов, часто нагреваемый нитью накала или покрытый оксидным слоем для термоэлектронной эмиссии. Анод (в лампах его называют также пластиной) собирает электроны; он обычно под положительным потенциалом относительно катода.
• Электронно-лучевая трубка. Катод испускает пучок электронов, который ускоряется и отклоняется, формируя изображение на люминесцентном экране. Так работали кинескопы телевизоров и осциллографы.
• Рентгеновская трубка. Электроны с катода бомбардируют металлический анод; при торможении возникает рентгеновское излучение. Анод при этом сильно нагревается и часто вращается для охлаждения.
• Газоразрядные приборы. В неоновых лампах, стабилитронах тлеющего разряда и лампах дневного света катод и анод определяют направление разряда и свечения.

¶Катод и анод в полупроводниках

В полупроводниковом диоде катод — вывод со стороны n-области, откуда выходят электроны при прямом включении, анод — вывод со стороны p-области. Прямое смещение (плюс на аноде, минус на катоде) открывает диод, обратное — запирает. На корпусе катод часто обозначают кольцевой полосой. В светодиодах и фотодиодах те же выводы сохраняют названия, хотя физика включает рекомбинацию и генерацию носителей заряда. В биполярных и полевых транзисторах термины «катод» и «анод» не применяют — там используют «эмиттер», «коллектор», «сток», «исток».

¶Обозначения и мнемоника

На схемах катод обозначают знаком «минус» или полосой, анод — треугольником или знаком «плюс». Распространённая мнемоника: в источнике тока анод — отрицательный, в потребителе (электролизёре, лампе) — положительный. Поскольку полярность зависит от режима работы устройства, надёжнее опираться на тип реакции: восстановление — катод, окисление — анод.

¶Практическое значение

Различение электродов лежит в основе гальванотехники (гальваническое покрытие металлов), металлургии алюминия и хлора, химических источников тока, защиты от коррозии (протекторные и катодные методы). В электронике от свойств катода зависят срок службы ламп, яркость свечения и параметры диодов. Ошибка в полярности при подключении аккумулятора, электролитического конденсатора или светодиода выводит прибор из строя, поэтому маркировка катода и анода — обязательный элемент конструкции.

¶Типичные заблуждения

Часто считают, что катод всегда отрицателен, а анод всегда положителен. Это верно лишь для гальванических элементов и электронных ламп. В электролизёре полярность противоположна, а в диоде всё определяется направлением тока. Также ошибочно отождествлять анод с «плюсом» по цвету провода: цветовая маркировка различается у разных производителей и стандартов.

Источники: учебники по общей и физической химии, справочники по электротехнике и вакуумной электронике, материалы по полупроводниковым приборам.