Анод и катод: полярность электродов¶
Анод и катод — два электрода, между которыми протекает электрический ток в электрохимических ячейках, вакуумных и газоразрядных приборах, полупроводниковых устройствах и батареях. Анод — электрод, по которому ток входит в проводящую среду (электролит, полупроводник, вакуум); катод — электрод, по которому ток выходит из неё. В источниках тока (батареях, аккумуляторах, гальванических элементах) анод — отрицательный электрод (минус), катод — положительный (плюс). В потребителях тока (электролитических ваннах, электролизёрах, диодах, лампах) полярность обратна: анод — плюс, катод — минус.
¶Происхождение терминов
Названия введены Майклом Фарадеем в 1834 году при разработке единой терминологии электрохимии. Греческое anodos (ἀνά — «вверх» + ὁδός — «путь») означает «восходящий путь», kathodos (κατά — «вниз» + ὁδός) — «нисходящий путь». Фарадей подразумевал движение ионов: катионы движутся к катоду, анионы — к аноду. Термины описывают роль электрода в конкретном процессе, а не его постоянную полярность, поэтому у источника тока и у потребителя они меняются местами.
¶Правило памяти: в источнике тока «минус — анод»
В гальваническом элементе (первичной батарее) и аккумуляторе окислительная реакция (потеря электронов) происходит на аноде, восстановительная (присоединение электронов) — на катоде. Электроны, вытесненные из вещества анода, накапливаются на нём, создавая избыточный отрицательный заряд, и через внешнюю цепь утекают к катоду, где расходуются на восстановление. Поэтому:
- анод батареи = минус (−);
- катод батареи = плюс (+).
При подключении нагрузки электроны текут от минуса к плюсу по внешней цепи, а ток (по условному направлению) — от плюса к минусу.
¶Потребители тока: полярность обратна
В электролизёре, гальванической ванне, выпрямителе или диоде ток «проталкивается» внешним источником. Анод здесь подключается к плюсу источника, катод — к минусу. На аноде идёт окисление (растворение металла при гальванопокрытии, выделение кислорода при электролизе воды), на катоде — восстановление (осаждение металла, выделение водорода). Именно поэтому в диодах и выпрямителях принято считать: анод — плюс, катод — минус, и по этому признаку маркируют выводы.
¶Сводная таблица полярности
| Устройство | Анод | Катод |
|---|---|---|
| Гальванический элемент (батарейка) | минус (−) | плюс (+) |
| Аккумулятор при разряде | минус (−) | плюс (+) |
| Аккумулятор при заряде | плюс (+) | минус (−) |
| Электролитическая ванна | плюс (+) | минус (−) |
| Диод, выпрямитель | плюс (+) | минус (−) |
| Вакуумный диод (лампа) | плюс (+) | минус (−) |
| Транзистор (исток/эмиттер) | см. примечание | — |
В аккумуляторе при зарядке он работает как потребитель, и его электроды меняют роли: бывший анод становится анодом зарядного устройства, то есть подключается к плюсу.
¶Физическая сущность процессов
В электролите перенос заряда осуществляют ионы: анионы (отрицательно заряженные) движутся к аноду, катионы (положительно заряженные) — к катоду. На аноде анионы отдают электроны и нейтрализуются, на катоде катионы присоединяют электроны и осаждаются в виде нейтральных атомов. Во вакуумных приборах перенос заряда осуществляют электроны, эмитируемые раскалённым катодом и устремляющиеся к аноду (анод всегда положителен относительно катода). В полупроводниковом p-n переходе анод — это p-область, катод — n-область; ток проходит в прямом направлении от анода к катоду.
¶Маркировка и практическое определение
На элементах питания полярность маркируется символами «+» и «−», на диодах и светодиодах — стрелкой (катод отмечен полоской) или буквой K. Определить полярность батарейки без маркировки можно мультиметром: подключив щупы в режиме измерения постоянного напряжения, фиксируют знак показаний. В автомобильных аккумуляторах клеммы маркируются буквами «+» и «−», при этом анод разряженного аккумулятора — минусовая клемма.
¶Типичные ошибки
Наиболее частая ошибка — отождествление «анод = плюс» без учёта типа прибора. Для источника тока это неверно: анод батареи всегда минус. Вторая ошибка — путаница направления электронного и «условного» тока: электроны текут от минуса к плюсу, условный ток — от плюса к минусу. Третья ошибка — забывание о смене ролей аккумулятора в режиме зарядки.
¶Применение
Разделение электродов на анод и катод лежит в основе электролитических производств (получение алюминия, хлорной щёлочи, гальваностегии), работы всех типов батарей, полупроводниковых приборов, рентгеновских трубок (катод испускает электроны, анод — мишень) и электровакуумных ламп.
¶Источники
- Фарадей М. Опытные исследования электрохимии. 1834.
- Перельман Я. И. Занимательная физика.
- Справочник по физике под ред. Б. М. Яворского, А. А. Детлова.
- ГОСТ 19880-74. Электротехника. Термины и определения.
- Дьяконов В. П. Электроника: полный справочник.