Катод — электрод электролизёра или электронной лампы¶
Катод — электрод, по которому в электрической цепи или электрохимической системе ток (заряженные частицы) входит в рассматриваемый объект: проводник, полупроводник, вакуум, газ или раствор электролита. Вопрос «катод — это плюс или минус» не имеет однозначного ответа: в зависимости от направления протекания тока и природы процесса катод может быть как положительным, так и отрицательным электродом.
¶Определение и этимология
Термин «катод» ввёл в 1834 году английский физик и химик Майкл Фарадей. Слово образовано от греческих корней kata («вниз, по направлению») и odos («путь»), то есть дословно — «путь вниз». Фарадей предложил пару терминов «катод» и «анод» для обозначения электродов электролизёра, определив их не через знак заряда, а через направление движения электрического тока: катод — электрод, через который ток «входит» в электролит, анод — электрод, через который ток «выходит» из электролита.
¶Катод в гальванических элементах и электролизёрах
¶В гальваническом элементе (источнике тока)
В гальваническом элементе (батарее, аккумуляторе) катод — электрод, на котором происходит восстановление, то есть присоединение электронов к частицам вещества. Электроны по внешней цепи приходят на катод от анода, поэтому катод в источнике тока имеет отрицательный знак. Например, в щелочном элементе питания на катоде (оксид-гидроксиде никеля NiOOH) идёт реакция восстановления, а на аноде (сплаве цинка) — окисление.
Однако в источниках тока принято называть электроды по химической функции, а не по знаку, поскольку знак может меняться при зарядке аккумулятора: то, что было катодом при разрядке, становится анодом при зарядке.
¶В электролизёре
В электролизёре (устройстве, потребляющем ток для проведения необратимого химического превращения) катод — электрод, подключённый к отрицательному полюсу внешнего источника тока. На катоде электролизёра происходит восстановление катионов. Например, при электролизе расплавленного хлорида натрия на катоде выделяется металлический натрий:
2Na⁺ + 2e⁻ → 2Na
Здесь катод безусловно отрицателен.
¶Катод в электронных лампах и вакуумных приборах
В вакуумных электронных приборах — электронных лампах, кинескопах, электронно-лучевых трубках — катодом называется электрод, испускающий электроны (эмиттер). Для этого катод подогревается (термоэмиссия) или подвергается бомбардировке другими частицами.
В обычной электронной лампе катод подключён к отрицательному потенциалу относительно анода (сетки), так как электроны, заряженные отрицательно, должны отталкиваться от катода и устремляться к аноду. Однако в рентгеновской трубке, наоборот, катод отрицателен, а анод (мишень) подключается к положительному высокому потенциалу — электроны разгоняются к аноду, и рентгеновское излучение возникает на аноде.
В некоторых специализированных устройствах, например в масс-спектрометрах или электронных микроскопах, потенциалы электродов могут иметь иные соотношения, но направление движения электронов от катода к аноду остаётся определяющим признаком.
¶Катод в полупроводниковых приборах
В полупроводниковых приборах — диодах, транзисторах, светодиодах — катодом называют вывод p-n-перехода, через который электроны входят в устройство (или, что эквивалентно, через который ток выходит из устройства). В обычном диоде катод — это отрицательный вывод при прямом включении. На диодах и светодиодах катод принято обозначать полоской на корпусе или усечённым выводом.
¶Катодная защита
В электрохимии катодом может называться защищаемый металлический объект, подключённый к отрицательному полюсу источника тока. Катодная защита — метод предохранения металлических конструкций (трубопроводов, корпусов судов, подземных резервуаров) от коррозии, при котором защищаемый объект переводят в состояние катода, на котором коррозионное окисление подавлено. Метод широко применяется в России для защиты магистральных трубопроводов «Газпрома» и «Транснефти».
¶Общее правило
Итак, ответ на вопрос «катод — плюс или минус» сводится к следующему:
| Устройство / процесс | Катод |
|---|---|
| Гальванический элемент (батарея) | Отрицательный полюс |
| Электролизёр | Отрицательный полюс |
| Электронная лампа, рентгеновская трубка | Отрицательный полюс |
| Полупроводниковый диод при прямом включении | Отрицательный вывод |
| Защищаемый объект при катодной защите | Отрицательный полюс |
Во всех перечисленных случаях катод оказывается отрицательным электродом. Однако определение катода через знак заряда некорректно в общем виде: правильное определение — электрод, через который заряженные частицы входят в рассматриваемую систему. В редких случаях (например, в некоторых плазменных устройствах или при работе с дырками как носителями заряда) катод может оказаться и положительным электродом.
Источники:
- Фарадей М. Исследования по физике и химии. — М.: Наука, 1962.
- Гмелинский В. С. Физическая химия. — М.: Высшая школа, 1989.
- Дунаев Б. Ф. Электротехника. — М.: Высшая школа, 2008.
- Попов В. П. Основы электроники. — М.: Горячая линия — Телеком, 2018.
- Розенберг Г. Д. Электрохимия: учебное пособие. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010.