Общее определение катода и анода
Чаще всего понятия «катод» и «анод» связывают с полюсами источников тока и других электрических устройств. В определенном смысле это верно, но на самом деле понятия положительного электрода и анода, так же как отрицательного электрода и катода, в физике синонимами не являются. Термин «анод» восходит к греческому слову, означающему «движение вверх», а катод – к слову, которое можно перевести, как «возвращение». Глобально эти понятия означают:
- анод – вывод, из которого истекают электроны;
- катод – вывод, в который втекают электроны.
Как будет показано дальше, полярность электродов слабо связана с понятиями анод и катод.
Роль в электролизе и гальванических элементах
В химии (в частности, в электрохимии) анодом называется электрод, на котором происходят реакции окисления – здесь отрицательно заряженные ионы отдают электроны. Связано это с недостатком носителей заряда на данном полюсе, и это значит, что он заряжен положительно.
На катоде, наоборот, имеется избыток электронов, он заряжен отрицательно. Здесь идут восстановительные реакции – ионы, заряженные положительно, ионы получают недостающие носители отрицательного заряда.
Схема электролиза растворов поваренной соли (слева) и соляной кислоты (справа)
Во время электролиза в раствор опускаются два электрода. К одному из них под действием электрического поля приближаются анионы – ионы с избытком электронов. Здесь они отдают излишний электрод и окисляются. К противоположному электроду приближаются ионы с недостатком электронов, получают недостающий носитель отрицательного заряда и восстанавливаются до атомов.
Чтобы запомнить процессы, происходящие на различных полюсах в процессе электролиза, можно запомнить мнемоническое правило – «на Аноде Анионы Окисляются, на Катоде Катионы Восстанавливаются». В первой части все существительные начинаются на гласную букву, во второй – все на согласную.
В гальваническом элементе химическая энергия преобразуется в электрическую. При этом окислительные и восстановительные реакции разнесены в пространстве и происходят на двух выводах:
- на аноде окислительная реакция;
- на катоде – восстановительная.
В итоге на аноде появляется избыток электронов, а на катоде – них недостаток, за счет этого возникает ЭДС. При подключении нагрузки, электроны начинают двигаться от анода к катоду, а ток направлен наоборот – от катода к аноду. Таким образом, катодом будет минусовой вывод, а анодом – минусовой (хотя интуитивно кажется, что наоборот).
Гальванический элемент как источник питанияМнение экспертаСтановой АлексейИнженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой. Задать вопрос Существует определенная путаница из-за определения катода и анода в различных областях физики, но в электрохимии название электрода регулирует ГОСТ 15596-82, а в нем определено, что у химических источников тока плюс на катоде, а минус – на аноде.
Если рассмотреть не одноразовый, а перезаряжаемый химический источник тока (аккумулятор), то в нем во время подзаряда реакции пойдут в обратном порядке (как показано на схеме):
- на плюсовом выводе начнется реакция окисления;
- на минусовом выводе – реакция восстановления.
Таким образом, во время подзаряда катод и анод поменяются местами.
Изменение направления реакции при зарядке аккумулятора
Применение в электрических цепях и устройствах
В электротехнике исторически сложилось, что за направление течения электрического тока принято направление, обратное движению электронов. Поэтому под анодом подразумевается полюс, или точка замкнутой цепи, откуда ток вытекает, а под катодом полюс, куда ток втекает.
Если рассмотреть вакуумный прибор (например, простой вакуумный диод), то окажется, что он состоит из двух электродов (не считая цепей подогрева, которые бывают не у каждого диода).
Что называют плюсом и минусом
В быту и технике анодом часто называют положительный вывод источника напряжения (сетевого блока питания, электрохимического источника и т.п.), который обозначается знаком «+». Катодом же называют отрицательный вывод – обозначается знаком «минус».
Существует мнемоническое правило и для этого случая – с его помощью можно запомнить полярность катода и анода. В слове «плюс» 4 буквы – столько же, сколько в слове «анод». В слове «минус» и «катод» по пять букв, и это тоже легко запомнить
Применение
Электроды в качестве анода и катода наиболее часто применяются:
- в электрохимии;
- вакуумных электронных приборах;
- полупроводниковых элементах.
Рассмотрим в общих чертах сферы применения анодов и катодов.
В электрохимии
В данной сфере анод и катод являются ключевыми понятиями, в процессе прохождения электрохимических реакций, используемых в основном для восстановления металлов. Такие реакции называют электролизом. Использование процессов электролиза позволяет получать чистые металлы, так как на катоде образуются атомы только того металла, положительные ионы которого содержатся в растворе электролита.
Методом электролиза наносят очень тонкое цинковое покрытие стальных листов и деталей любой конфигурации. Гальваническое покрытие эффективно защищает металл от коррозии.
В вакуумных электронных приборах
Примером вакуумных приборов служат радиоэлектронные лампы, электронно-лучевые трубки, кинескопы телевизоров. Они работают по одному и тому же принципу: Разогретый катод испускает электроны, которые устремляются к аноду с высоким положительным электрическим потенциалом.
Образование электронов на раскаленном электроде называется термоэмиссией, а электрический ток, возникающий между катодом и анодом, называется термоэмиссионным. Ценность таких приборов в том, что они проводят ток только в одном направлении – от катода к аноду.
Добавление сетки между электродами позволяет регулировать параметры тока в широких пределах, путем изменения напряжения на сетке. Такие вакуумные лампы используются в качестве усилителей сигналов. В данное время вакуумные приборы используются довольно редко, так как их с успехом заменяют миниатюрные полупроводниковые диоды и транзисторы, часто выполненные на монокристалле в виде микросхемы.
В полупроводниковых приборах
Электронные детали на основе полупроводников ценятся малым потреблением тока и небольшими размерами. Они почти вытеснили вакуумные лампы из употребления. Выводы полупроводниковых приборов традиционно называют анодами и катодами.
При всех плюсах полупроводников, у этих приборов есть недостаток – они «шумят». В усилителях большой мощности эти шумы становятся заметными. В качественной усилительной аппаратуре по-прежнему применяются вакуумные лампы.
Электронно-лучевые кинескопы в современных телевизорах вытесняются экранами с LED подсветкой. Они более экономичны, отлично передают цветовую палитру, позволяют сделать приемник почти плоским.
Анод и катод: где плюс, а где минус?
Из сказанного выше следует, что ток всегда течет в направлении от анода к катоду. Вывод один – на анод поступает плюс, а катод подсоединяется к минусу. Придерживаясь этого правила можно безошибочно определить, где плюс, а где минус.
Вот так можно запомнить:)
В гальванотехнике на катоде происходит реакция восстановления. То есть положительные ионы из раствора оседают на катоде. По этому признаку определяем знак минус.
Как определить катод и анод радиодеталей мы рассмотрели выше. Если есть схема устройства то по ней довольно легко можно указать направление тока, и, соответственно, назначение электродов. При отсутствии схемы пользуйтесь признаками и метками на корпусах деталей.
Примечание: по отношению к стабилитрону некорректно применять термин катод и анод, так как он проводит ток в разных направлениях.
Отдельно заострю ваше внимание на элементах питания. Обычно «+» указывается на гальванических устройствах, а на аккумуляторах часто маркируются обе клеммы. В аккумуляторах автомобильного типа плюсовую клемму делают толще. По этому признаку также можно определить полярность полюсов.
В качестве выводов см. рисунок 6.
Рис. 6. Выводы
Цифрами обозначено:
- 1– анод;
- 2 – электролит;
- 3 – катод;
- 4 – источник тока.
Обозначения и определение катода и анода
Термины «катод» и «анод» применяют и к выводам полупроводниковых приборов. Анодом называется вывод, который подключается к источнику тока, а катодом – к приемнику. Обычно это относится к двухвыводным элементам (но не всегда).
Диоды
В первую очередь, к таким элементам относят полупроводниковые диоды. Чтобы он проводил ток, его катод должен быть подключен к точке цепи с относительным избытком электронов, а анод – с относительным недостатком. В этом случае электрическое поле будет направлено так, чтобы открыть диод. Если диод подключить в обратной полярности (анод к точке с недостатком электронов, а катод – с избытком), электрическое поле закроет диод.
Простой стенд для определения выводов диода
Проверить расположение выводов диод можно различными способами. Самый простой из них – по маркировке. Она бывает:
- Явной (в виде значка диода).
- Косвенной (в виде точки или кольца в районе соответствующего вывода).
Если маркировки нет, можно определить расположение анода и катода с помощью приборов:
- тестера;
- собрать схему проверки.
Простая схема проверки состоит из источника питания и лампочки (или любого другого индикатора тока, например, миллиамперметра). Если диод включен в правильной полярности, в цепи пойдет ток.
Проверка расположения выводов диода с помощью тестера
Светодиоды
Светодиод является разновидностью диода, поэтому тоже имеет выводы анода и катода. Определить их можно теми же методами, что и для обычного полупроводникового диода, но есть способ и проще. При правильном подключении светодиода он начинает светиться.
Светодиод светится при проверке мультиметром (не всегда)
Тиристоры
В класс управляемых диодов, называемых общим словом тиристоры, входят различные элементы с различным числом выводов:
- динисторы (диодные тиристоры);
- тринисторы (триодные тиристоры);
- симисторы (симметричные тиристоры);
- другие, менее распространенные элементы.
Динисторы, как и обычные диоды, имеют анод и катод, при этом направление движения тока и в этом случае происходит от анода к катоду. У тиристоров и симисторов имеется еще и управляющий электрод. В некоторых случаях он явно отличается по внешнему виду, но не всегда – в некоторых ситуациях расположение выводов придется определять по справочнику или с помощью приборов.
Тринистор Т122 (справа) имеет явно выраженный управляющий электрод и маркировку силовой цепи в явном виде нанесенную на корпус, а тринистор КУ101 маркировки выводов не имеет
Так как симистор имеет двухстороннюю проводимость, выводы его силовой цепи называются условным анодом и условным катодом. Различие между ними используется для формирования сигналов управления.
Как определить, где анод, а где катод?
При определении катода и анода необходимо в первую очередь ориентироваться на направление тока, а не на полярность источника питания. Несмотря на то, что эти понятия тесно связаны с полярностью тока, они больше обусловлены направлениями векторов электричества.
Например, в аккумуляторах, при перезарядке, происходит изменение ролей катода и анода. Это связано с тем, что во время зарядки изменяется направление электрического тока. Электрод, выполнявший роль электрода при работе аккумулятора в режиме источника питания во время зарядки выполняет функции катода и наоборот – катод превращается в анод.
На рис. 1, изображено процесс электролиза, при котором происходит перемещение анионов (отрицательных ионов) и катионов (положительных ионов). Анионы устремляются к аноду, а положительные катионы – в сторону катода.
Рис. 1. Электролиз
При электролизе перемещаются носители зарядов разных знаков, однако, по определению, анодом является тот электрод, в который втекает ток. На рисунке анод подсоединён к положительному полюсу источника тока, а значит, ток условно втекает в этот электрод.
Обратите внимание на рисунок 2, где изображена схема гальванического элемента.
Рис. 2. Гальванический элемент
Плюсовой вывод источника тока является катодом, а не анодом, как можно было бы ожидать. При внимательном изучении принципа работы гальванического элемента можно понять, почему анод является отрицательным полюсом.
Обратите внимание на рисунок строения гальванического источника тока. Стрелки (вверху) указывают направление движения электронов, однако направлением тока условно принято считать перемещение от плюса к минусу. То есть, при замыкании цепи, ток входит именно в отрицательный полюс, который и является анодом, на котором происходит реакция окисления. Иначе говоря, ток от положительного электрода через нагрузку попадает на анод, являющийся отрицательным полюсом гальванического элемента. При вдумчивом подходе все стает на свои места.
При определении позиций анода и катода в радиоэлектронных элементах пользуются справочными материалами.
На назначение электродов указывает:
- форма корпуса (рис. 3);
- длина выводов (для светодиодов) (рис. 4);
- метки на корпусах приборов или знака анода;
- различная толщина выводов диода.
Рис. 3. Диод
Рис. 4. Электроды светодиода
Определение назначений выводов у полупроводниковых диодов можно определить с помощью измерительных приборов. Например, все типы диодов (кроме стабилитронов) проводят ток только в одном направлении. Если вы подключили тестер или омметр к диоду, и он показал незначительное сопротивление, то к положительному щупу прибора подключен анод, а к отрицательному – катод.
Если известен тип проводимости транзистора, то с помощью того же тестера можно определить выводы эмиттера и коллектора. Между ними сопротивление бесконечно велико (тока нет), а между базой и каждым из них проводимость будет (только в одну сторону, как у диода). Зная тип проводимости, по аналогии с диодом, можно определить: где анод, а где катод, а значит определить выводы коллектора или эмиттера (см. рис. 5).
Рис. 5. Транзистор на схемах и его электроды
Что касается вакуумных диодов, то их невозможно проверить путем измерения обычными приборами. Поэтому их выводы расположены таким образом, чтобы исключить ошибки при подключении. В электронных лампах выводы точно совпадают с расположением контактов гнезда, предназначенного для этого радиоэлемента.
