Катод

Катод — это электрод электронного, электротехнического или электрохимического устройства, к которому подводится отрицательный полюс источника питания, или, в зависимости от контекста, электрод, на котором происходит процесс восстановления (присоединения электронов). В вакуумных и газоразрядных приборах катод является источником электронов, эмитируемых в окружающую среду.

Определение и основные понятия

Термин «катод» (от греч. κάθοδος — «путь вниз», «спуск») был введён английским физиком Майклом Фарадеем в 1834 году. В рамках электрохимии Фарадей предложил называть катодом тот электрод, через который электрический ток входит в электролит, а анодом — через который выходит. В современной науке и технике определение катода зависит от типа устройства и режима его работы.

В электрохимии (гальванические элементы, электролизёры) катод — это электрод, на котором происходит восстановление: ионы или молекулы принимают электроны. В гальваническом элементе (источнике тока) катод является положительным полюсом, так как на нём протекает восстановление окислителя. В электролизёре (потребителе тока) катод подключается к отрицательному полюсу внешнего источника, и на нём восстанавливаются катионы (положительно заряженные ионы) или нейтральные молекулы.

В электронике и вакуумной технике (электронные лампы, электронно-лучевые трубки, рентгеновские трубки) катод — это отрицательно заряженный электрод, который испускает электроны за счёт термоэлектронной, фотоэлектронной или автоэлектронной эмиссии. В полупроводниковых приборах (диоды, тиристоры) катодом называют электрод, из которого вытекают электроны (или втекают дырки) при прямом смещении.

История открытия и изучения

Явление катодных лучей было открыто в середине XIX века при исследовании газового разряда в вакуумных трубках. В 1859 году немецкий физик Юлиус Плюккер обнаружил, что при пропускании тока через разреженный газ от катода исходит свечение. В 1876 году немецкий физик Ойген Гольдштейн ввёл термин «катодные лучи» (Kathodenstrahlen). В 1897 году Джозеф Джон Томсон, исследуя отклонение катодных лучей в электрическом и магнитном полях, определил, что они состоят из отрицательно заряженных частиц — электронов. Это открытие заложило основу современной физики и электроники.

В электрохимии понятие катода было введено Фарадеем в рамках его законов электролиза. Фарадей установил, что количество вещества, выделяющегося на катоде, пропорционально количеству прошедшего электричества.

Типы катодов

По принципу эмиссии электронов (в вакуумных и газоразрядных приборах)

• Термокатоды (термоэлектронные катоды) — нагреваются до высокой температуры (обычно 800–2500 °C) для обеспечения эмиссии электронов. Изготавливаются из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) или их сплавов с оксидами щелочноземельных металлов (оксидные катоды). Используются в электронных лампах, кинескопах, рентгеновских трубках.
• Холодные катоды — работают за счёт автоэлектронной эмиссии (вырывания электронов сильным электрическим полем) или вторичной эмиссии (бомбардировки ионами). Не требуют нагрева. Применяются в газоразрядных приборах (неоновые лампы, тиратроны), некоторых типах вакуумных микроэлектронных устройств.
• Фотокатоды — испускают электроны под действием света (фотоэмиссия). Используются в фотоэлектронных умножителях, вакуумных фотоэлементах, телевизионных передающих трубках (видиконы, суперортиконы).
• Плазменные катоды — эмиссия электронов происходит из плазмы, создаваемой в специальном разряде. Применяются в мощных электронных пушках и ускорителях.

По химическому составу и конструкции (в электрохимии)

• Металлические катоды — изготавливаются из меди, никеля, стали, платины, титана. Используются в электролизёрах для получения металлов (например, меди, цинка, алюминия), в гальваностегии (нанесение покрытий).
• Катоды из углеродных материалов — графит, углеродные волокна. Применяются в алюминиевых электролизёрах, в литий-ионных аккумуляторах (в качестве токоотвода).
• Катоды для литий-ионных аккумуляторов — сложные композиционные материалы на основе литированных оксидов переходных металлов (LiCoO₂, LiFePO₄, LiNiMnCoO₂), которые обеспечивают обратимое интеркалирование ионов лития.
• Катоды для топливных элементов — пористые электроды, содержащие катализаторы (обычно платина или её сплавы), на которых восстанавливается кислород.

Применение катодов

В электронике и электротехнике

• Электронные лампы (диоды, триоды, пентоды) — катод является источником электронов, управляющих током через лампу.
• Электронно-лучевые трубки (кинескопы, осциллографические трубки) — катод формирует электронный луч, который создаёт изображение на экране.
• Рентгеновские трубки — катод испускает электроны, которые при торможении на аноде генерируют рентгеновское излучение.
• Газоразрядные лампы и индикаторы — катод участвует в создании газового разряда, вызывающего свечение.
• Полупроводниковые диоды и тиристоры — катод является одним из основных электродов, определяющих направление тока.

В электрохимии и металлургии

• Электролиз — катод используется для восстановления металлов из растворов (электролитическое рафинирование меди, получение алюминия, цинка, никеля).
• Гальванотехника — на катоде осаждаются защитные или декоративные покрытия (хромирование, никелирование, золочение).
• Химические источники тока (батареи, аккумуляторы) — катод является положительным электродом, на котором происходит восстановление активного материала.
• Топливные элементы — на катоде восстанавливается кислород воздуха, что обеспечивает протекание электрохимической реакции.

В научных исследованиях

• Электронные микроскопы — катод (обычно термоэмиссионный или автоэмиссионный) создаёт пучок электронов для формирования изображения.
• Ускорители частиц — катоды используются в электронных пушках для инжекции электронов в ускоряющие структуры.
• Масс-спектрометры — катод служит источником ионизирующих электронов.

Катод в быту и технике

Катоды присутствуют во многих устройствах повседневного использования:

• В люминесцентных лампах (в том числе компактных) — катоды представляют собой вольфрамовые спирали, покрытые оксидным слоем.
• В кинескопах старых телевизоров и мониторов — катод испускал электроны, формирующие изображение.
• В аккумуляторах (свинцово-кислотных, литий-ионных, никель-кадмиевых) — катод является важнейшим компонентом, определяющим ёмкость и напряжение.
• В электролизёрах для получения водорода и хлора — катод изготавливается из никеля или стали.

Интересные факты

• В электрохимии существует мнемоническое правило: «катод — это электрод, на котором происходит восстановление, а анод — окисление». В гальваническом элементе катод является положительным, в электролизёре — отрицательным.
• В вакуумных приборах катод часто является самым горячим элементом. Температура вольфрамового катода может достигать 2500 °C, что приводит к его постепенному испарению и ограничению срока службы лампы.
• Оксидные катоды, покрытые слоем оксидов бария, стронция и кальция, обеспечивают высокую эмиссию при относительно низкой температуре (около 800–900 °C), что позволило создать экономичные электронные лампы.
• В мощных электронных лампах (генераторных, модуляторных) катоды изготавливают из торированного вольфрама, что увеличивает эмиссию и снижает рабочую температуру.
• В электронно-лучевых трубках катод часто называют «электронной пушкой», так как он формирует узкий пучок электронов.
• В литий-ионных аккумуляторах катод является наиболее дорогим и сложным компонентом, так как содержит редкие и дорогие металлы (кобальт, никель, литий).

Источники

1. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. — М.: Издательство АН СССР, 1947.
2. Томсон Дж. Дж. Катодные лучи и электроны. — М.: Наука, 1967.
3. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1973.
4. Бронштейн И. М., Фрадкин Б. С. Вторичная электронная эмиссия. — М.: Наука, 1969.
5. Скундин А. М., Ефимов О. Н., Ярмоленко О. В. Современные литий-ионные аккумуляторы. — М.: Интеллект, 2012.
6. ГОСТ 15596-82. Термины и определения в области электрохимии. — М.: Издательство стандартов, 1982.
7. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988–1998. — Т. 2.