Катод - Cathode

А катод это электрод откуда обычный ток оставляет поляризованное электрическое устройство. Это определение можно вспомнить, используя мнемонический CCD за Катодный ток отходит. Обычный ток описывает направление движения положительных зарядов. Электроны имеют отрицательный электрический заряд, поэтому движение электронов противоположно движению обычного электрического тока. Следовательно, мнемонический катодный ток уходит также означает, что поток электронов в катод устройства от внешней цепи.

Электрод, через который обычный ток течет в другую сторону, в устройство, называется электродом. анод.

Поток заряда

Схема медь катод в гальванический элемент (например, аккумулятор). Положительно заряженные катионы движутся к катоду, создавая положительный ток. я вытекать из катода.

Обычный ток течет от катода к аноду за пределами элемента или устройства (электроны движутся в противоположном направлении), независимо от типа элемента или устройства и режима работы.

Катод полярность с уважением к анод может быть положительным или отрицательным в зависимости от того, как работает устройство. Положительно заряженный катионы всегда двигаться к катоду и заряжен отрицательно анионы двигаться к аноду, хотя полярность катода зависит от типа устройства и даже может меняться в зависимости от режима работы. В устройстве, которое поглощает энергию заряда (например, при подзарядке аккумулятора), катод является отрицательным (электроны попадают в катод, а заряд вытекает из него), а в устройстве, которое обеспечивает энергию (например, при использовании батареи), катод положительный (в него поступают электроны и вытекает заряд): батарея или гальванический элемент при использовании имеет катод, который является положительным выводом, так как именно здесь ток выходит из устройства. Этот выходной ток переносится внутри положительными ионами, движущимися из электролит к положительному катоду (за это «восходящее» движение отвечает химическая энергия). Внешне он продолжается электронами, движущимися в батарею, что составляет положительный ток, текущий наружу. Например, Гальванический элемент Даниэля медный электрод - это положительный полюс и катод. Аккумулятор, который заряжается, или электролитическая ячейка при выполнении электролиза катод используется в качестве отрицательной клеммы, с которой ток выходит из устройства и возвращается к внешнему генератору по мере поступления заряда в батарею / элемент. Например, изменение текущего направления на противоположное. Гальванический элемент Даниэля превращает его в электролитическую ячейку[1] где медный электрод является положительной клеммой, а также анод.В диод, катод - это отрицательный вывод на заостренном конце символа стрелки, где ток течет из устройства. Примечание: обозначение электродов для диодов всегда основано на направлении прямого тока (направление, указанное стрелкой, в котором ток течет «наиболее легко»), даже для таких типов, как Стабилитроны или же солнечные батареи где интересующий ток - это обратный ток. вакуумные трубки (включая электронно-лучевые трубки ) это отрицательный вывод, через который электроны входят в устройство из внешней цепи и попадают в почти вакуум трубки, образуя положительный ток, вытекающий из устройства.

Этимология

Слово было придумано в 1834 г. Греческий κάθοδος (катодос), "спуск" или "путь вниз" Уильям Уэвелл, с которым консультировались[2] к Майкл Фарадей над некоторыми новыми именами, необходимыми для завершения статьи о недавно открытом процессе электролиза. В этой статье Фарадей объяснил, что, когда электролитическая ячейка ориентирована так, что электрический ток проходит через «разлагающееся тело» (электролит) в направлении «с востока на запад, или, что усиливает эту помощь памяти, то, в чем солнце кажется, что движется ", катод - это место, где ток покидает электролит, на западной стороне:"ката вниз, одос прочь ; путь, которым садится солнце ".[3]

Использование слова «Запад» для обозначения направления «наружу» (на самом деле «наружу» → «запад» → «закат» → «вниз», т.е. «вне поля зрения») может показаться излишне надуманным. Ранее, как указано в первой ссылке, процитированной выше, Фарадей использовал более простой термин «исход» (вход, через который выходит ток). Его мотивация изменить его на что-то, означающее «западный электрод» (другими кандидатами были «вестод», «окциод» и «дизиод»), заключалась в том, чтобы сделать его невосприимчивым к возможному более позднему изменению в соглашении о направлении для Текущий, чья точная природа была неизвестна в то время. Ссылка, которую он использовал по этому поводу, была Магнитное поле Земли направление, которое в то время считалось инвариантным. Он фундаментально определил свою произвольную ориентацию ячейки как такую, при которой внутренний ток будет течь параллельно и в том же направлении, что и гипотетический токовая петля намагничивания вокруг местной линии широты, что вызовет магнитное диполь поле ориентировано как у Земли. Это сделало внутренний поток с востока на запад, как упоминалось ранее, но в случае более позднего изменения конвенции он стал бы с запада на восток, так что западный электрод больше не был бы «выходом». Следовательно, «exode» стало бы неуместным, тогда как «катод», означающий «западный электрод», остался бы правильным в отношении неизменного направления фактического явления, лежащего в основе тока, тогда неизвестного, но, как он думал, однозначно определяемого магнитным эталоном. . Оглядываясь назад, можно сказать, что смена названия была неудачной не только потому, что одни только греческие корни больше не раскрывают функции катода, но и, что более важно, потому что, как мы теперь знаем, направление магнитного поля Земли, на котором основан термин «катод», зависит от к развороты тогда как Текущий соглашение о направлении, на котором был основан термин "исход", не имеет причин для изменения в будущем.

После более позднего открытия электрон, более легкая для запоминания и более надежная технически правильная (хотя исторически неверная), была предложена этимология: катод, от греческого катодос, «путь вниз», «путь (вниз) в ячейку (или другое устройство) для электронов».

В химии

В химия, а катод это электрод из электрохимическая ячейка на котором снижение происходит; полезный мнемонический помните, что это AnOx RedCat (окисление на аноде = восстановление на катоде). Еще одна мнемоника Следует отметить, что у катода есть буква «с», как и у «редукции». Следовательно, уменьшение на катоде. Возможно, наиболее полезным было бы запомнить КотХод соответствует Котион (акцептор) и анода соответствует анион (донор). Катод может быть отрицательным, как если бы элемент был электролитическим (когда электрическая энергия, подаваемая в элемент, используется для разложения химических соединений); или положительный, как если бы элемент был гальваническим (где химические реакции используются для выработки электроэнергии). Катод подает электроны к положительно заряженным катионам, которые текут к нему из электролита (даже если ячейка гальваническая, то есть когда катод положительный и, следовательно, ожидается, что он отталкивает положительно заряженные катионы; это происходит из-за электродный потенциал относительно раствора электролита, различающегося для систем анодный и катодный металл / электролит в гальванический элемент ).

В катодный ток, в электрохимия, это поток электроны от поверхности катода до частиц в растворе. В анодный ток поток электронов в анод от частиц в растворе.

Электролитическая ячейка

В электролитическая ячейка, на катод подается отрицательная полярность для возбуждения ячейки. Обычными результатами восстановления на катоде являются газообразный водород или чистый металл из ионов металлов. При обсуждении относительной восстанавливающей способности двух окислительно-восстановительных агентов пара для образования большего количества восстанавливающих частиц считается более «катодной» по сравнению с более легко восстанавливаемым реагентом.

Гальванический элемент

В гальванический элемент, на катоде положительный столб подключается, чтобы обеспечить завершение цепи: когда анод гальванического элемента испускает электроны, они возвращаются из цепи в элемент через катод.

Гальваника металлического катода (электролиз)

Когда ионы металлов восстанавливаются из ионного раствора, они образуют чистую металлическую поверхность на катоде. Предметы, покрываемые чистым металлом, прикрепляются к катоду и становятся его частью в растворе электролита.

В электронике

Вакуумные трубки

Свечение от непосредственно нагреваемого катода мощностью 1 кВт тетрод трубка в радиопередатчике. Катодная нить не видна напрямую

В вакуумной лампе или электронной вакуумной системе катод представляет собой металлическую поверхность, которая испускает свободные электроны в вакуумированное пространство. Поскольку электроны притягиваются к положительным ядрам атомов металла, они обычно остаются внутри металла и требуют энергии, чтобы покинуть его; это называется рабочая функция металла.[4] Катоды вызывают испускание электронов с помощью нескольких механизмов:[4]

Катоды можно разделить на два типа:

Горячий катод

Основная статья: Горячий катод
Два катода косвенного нагрева (оранжевая полоса нагревателя) в двойной триодной лампе ECC83
Вид в разрезе триод вакуумная трубка с катодом непрямого нагрева (оранжевая трубка), показывая нагревательный элемент внутри
Схематический символ используется в принципиальные схемы для вакуумной лампы, показывая катод

Горячий катод - это катод, который нагревается нить производить электроны термоэлектронная эмиссия.[4][8] Нить представляет собой тонкую проволоку толщиной тугоплавкий металл подобно вольфрам нагревается докрасна проходящим через него электрическим током. До появления транзисторов в 1960-х практически во всем электронном оборудовании использовался горячий катод. вакуумные трубки. Сегодня горячие катоды используются в электронных лампах в радиопередатчиках и микроволновых печах, чтобы производить электронные пучки в старых. электронно-лучевая трубка (CRT) типа телевизоров и компьютерных мониторов, в рентгеновские генераторы, электронные микроскопы, и флуоресцентные трубки.

Есть два типа горячих катодов:[4]

  • Катод с прямым нагревом: В этом типе нить накала является катодом и напрямую излучает электроны. Катоды с прямым нагревом использовались в первых электронных лампах, но сегодня они используются только в флуоресцентные трубки, несколько больших передающих вакуумных трубок и все рентгеновские трубки.
  • Катод с косвенным нагревом: В этом типе нить накала не является катодом, а скорее нагревает катод, который затем испускает электроны. Катоды с косвенным нагревом сегодня используются в большинстве устройств. Например, в большинстве электронных ламп катод представляет собой никелевую трубку с нитью накала внутри, а тепло от нити заставляет внешнюю поверхность трубки испускать электроны.[8] Нить накала катода с косвенным нагревом обычно называют обогреватель. Основная причина использования катода с косвенным нагревом - изолировать остальную часть вакуумной трубки от электрического потенциала на нити накала. Многие вакуумные лампы используют переменный ток нагреть нить. В трубке, в которой катодом являлась сама нить накала, переменный электрическое поле от поверхности нити накаливания повлияет на движение электронов и вызовет гул на выходе трубки. Это также позволяет связывать нити во всех трубках электронного устройства и питать их от одного источника тока, даже если катоды, которые они нагревают, могут иметь разные потенциалы.

Чтобы улучшить электронную эмиссию, катоды обрабатывают химическими веществами, обычно соединениями металлов с низким рабочая функция. Обработанным катодам требуется меньшая площадь поверхности, более низкие температуры и меньшая мощность для обеспечения того же катодного тока. Необработанные вольфрамовые нити, используемые в первых лампах (так называемые «яркие эмиттеры»), должны были быть нагреты до 1400 ° C (~ 2500 ° F), раскалены добела, чтобы произвести достаточную термоэлектронную эмиссию для использования, в то время как современные катоды с покрытием производят гораздо больше электронов. при заданной температуре, поэтому их нужно только нагреть до 425–600 ° C (~ 800–1100 ° F) ()[4][9][10] Есть два основных типа обработанных катодов:[4][8]

Холодный катод (левый электрод) в неоновая лампа
  • Катод с покрытием - в них катод покрыт покрытием из щелочной металл оксиды, часто барий и стронций окись. Они используются в лампах малой мощности.
  • Торированный вольфрам - в трубках большой мощности, ион бомбардировка может разрушить покрытие на покрытом катоде. В этих трубках катод с прямым нагревом, состоящий из нити накала из вольфрама, содержащей небольшое количество торий используется. Слой тория на поверхности, который снижает работу выхода катода, постоянно пополняется, поскольку он теряется в результате диффузии тория изнутри металла.[11]

Холодный катод

Основная статья: Холодный катод

Это катод, который не нагревается нитью накала. Они могут испускать электроны полевая электронная эмиссия, а в газонаполненных трубках - вторичная эмиссия. Некоторые примеры - электроды в неоновые лампы, люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL) используются в качестве подсветки в ноутбуках, тиратрон трубки и Трубки Крукса. Они не обязательно работают при комнатной температуре; в некоторых устройствах катод нагревается протекающим через него электронным током до температуры, при которой термоэлектронная эмиссия происходит. Например, в некоторых люминесцентных лампах на электроды подается кратковременное высокое напряжение, чтобы запустить ток через лампу; после запуска электроды достаточно нагреваются током, чтобы продолжать испускать электроны для поддержания разряда.

Холодные катоды могут также испускать электроны фотоэлектрическая эмиссия. Их часто называют фотокатоды и используются в фотоэлементы используется в научных инструментах и усилитель изображения трубки, используемые в очках ночного видения.

Диоды

Диод symbol.svg

В полупроводник диод, катод - это N-легированный слой PN переход с высокой плотностью свободных электронов из-за легирования и равной плотностью фиксированных положительных зарядов, которые являются термически ионизированными легирующими добавками. В аноде действует обратное: он имеет высокую плотность свободных «дырок» и, следовательно, фиксированные отрицательные примеси, захватившие электрон (отсюда происхождение дырок).

Когда слои, легированные P и N, создаются рядом друг с другом, диффузия гарантирует, что электроны текут из областей с высокой плотностью в области с низкой плотностью, то есть со стороны N на сторону P. Они оставляют закрепленные положительно заряженные легирующие примеси возле перехода. Точно так же дырки диффундируют от P к N, оставляя фиксированные отрицательно ионизированные примеси около перехода. Эти слои фиксированных положительных и отрицательных зарядов вместе известны как слой обеднения, потому что они обеднены свободными электронами и дырками. Слой обеднения на переходе является источником выпрямляющих свойств диода. Это происходит из-за возникающего в результате внутреннего поля и соответствующего потенциального барьера, которые препятствуют протеканию тока при обратном приложенном смещении, которое увеличивает поле внутреннего обедненного слоя. И наоборот, они допускают прямое смещение, когда приложенное смещение снижает встроенный потенциальный барьер.

Электроны, которые диффундируют от катода в слой или анод, легированный P, становятся так называемыми «неосновными носителями» и стремятся там рекомбинировать с основными носителями, которые являются дырками, в масштабе времени, характерном для материала, который является p- Тип срок службы неосновных носителей. Точно так же дырки, диффундирующие в слой, легированный азотом, становятся неосновными носителями и стремятся рекомбинировать с электронами. В равновесии, без приложенного смещения, термическая диффузия электронов и дырок в противоположных направлениях через обедненный слой обеспечивает нулевой результирующий ток с электронами, протекающими от катода к аноду и рекомбинирующими, и дырками, протекающими от анода к катоду через переходный или обедненный слой. и рекомбинирование.

Как и в обычном диоде, в стабилитроне есть фиксированные анод и катод, но он будет проводить ток в обратном направлении (электроны текут от анода к катоду), если его напряжение пробоя или «напряжение стабилитрона» превышено.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ [1] В архиве 4 июня 2011 г. Wayback Machine Ячейку Даниэля технически можно превратить в электролитическую ячейку.
  2. ^ Росс, S (1 ноября 1961 г.). «Фарадей консультирует ученых: истоки терминов электрохимии». Примечания и отчеты Лондонского королевского общества. 16 (2): 187–220. Дои:10.1098 / рснр.1961.0038. S2CID  145600326.
  3. ^ Фарадей, Майкл (1849). Экспериментальные исследования в области электричества. 1. Лондон: Лондонский университет.
  4. ^ а б c d е ж грамм час Avadhanulu, M.N .; П.Г. Кширсагар (1992). Учебник инженерной физики для B.E., B.Sc.. С. Чанд. С. 345–348. ISBN  978-8121908177. В архиве из оригинала от 2 января 2014 г.
  5. ^ «Автоэмиссия». Британская энциклопедия онлайн. Энциклопедия Britannica, Inc. 2014. В архиве из оригинала 2 декабря 2013 г.. Получено 15 марта 2014.
  6. ^ а б Пул, Чарльз П. младший (2004). Энциклопедический словарь физики конденсированного состояния, т. 1. Академическая пресса. п. 468. ISBN  978-0080545233. В архиве с оригинала от 24 декабря 2017 года.
  7. ^ Флеш, Питер Г. (2007). Свет и источники света: газоразрядные лампы высокой интенсивности. Springer. С. 102–103. ISBN  978-3540326854. В архиве с оригинала от 24 декабря 2017 года.
  8. ^ а б c Феррис, Клиффорд "Основы электронных ламп" в Уитакер, Джерри С. (2013). Справочник по электронике, 2-е изд.. CRC Press. С. 354–356. ISBN  978-1420036664. В архиве из оригинала от 2 января 2014 г.
  9. ^ Пул, Ян (2012). «Электроды вакуумные». Учебное пособие по основам теории вакуумных трубок. Radio-Electronics.com, Adrio Communications. В архиве из оригинала от 4 ноября 2013 г.. Получено 3 октября 2013.
  10. ^ Джонс, Мартин Хартли (1995). Практическое введение в электронные схемы. Великобритания: Cambridge Univ. Нажмите. п. 49. ISBN  978-0521478793. В архиве из оригинала от 2 января 2014 г.
  11. ^ Сисодия, М. Л. (2006). Активные микроволновые устройства Вакуумные и твердотельные. New Age International. п. 2.5. ISBN  978-8122414479. В архиве из оригинала от 2 января 2014 г.

внешняя ссылка