Анод і катод - що це і як правильно визначити?

Про анод і катод джерела живлення необхідно знати тим, хто займається практичною електронікою. Що і як називають? Чому саме так? Буде поглиблене розгляд теми з точки зору не тільки радиолюбительства, але і хімії. Найбільш популярний пояснення звучить наступним чином: анод – це позитивний електрод, а катод – негативний. На жаль, це не завжди вірно і неповно. Щоб вміти визначити анод і катод, необхідно мати теоретичну базу і знати, що та як. Давайте розглянемо це в рамках статті.

Анод

Звернемося до ГОСТ 15596-82 який займається хімічними джерелами струму. Нас цікавить інформація, розміщена на третій сторінці. Згідно ГОСТу, негативним електродом хімічного джерела струму є саме анод. Ось так так! А чому саме так? Справа в тому, що саме через нього електричний струм входить з зовнішньої ланцюга в сам джерело. Як бачите, не все так легко, як здається на перший погляд. Можна порадити уважно розглядати представлені в статті картинки, якщо вміст здається занадто складним – вони допоможуть зрозуміти, що ж автор хоче донести.

Катод

Звертаємося до того ж ГОСТ 15596-82. Позитивним електродом хімічного джерела струму є той, при розряді з якого він виходить на зовнішній ланцюг. Як бачите, дані, що містяться в ГОСТ 15596-82 розглядають ситуацію з іншої позиції. Тому при консультуванні з іншими людьми щодо певних конструкцій необхідно бути дуже обережним.

Виникнення термінів

Їх ввів ще Фарадей в січні 1834 року, щоб уникнути неясності і домогтися більшої точності. Він пропонував свій варіант запам'ятовування на прикладі з Сонцем. Так, у нього анод – це схід. Сонце рухається вгору (струм входить). Катод – це захід. Сонце рухається вниз (струм виходить).

Приклад радіолампи і діода

Продовжуємо розбиратися, що для позначення чого використовується. Припустимо, один з даних споживачів енергії у нас є у відкритому стані (у прямому включенні). Так, з зовнішньої ланцюзі діода в елемент по анода входить електричний струм. Але не плутайтесь завдяки такому поясненню з напрямком електронів. Через катод в зовнішній ланцюг з використовуваного елемента виходить електричний струм. Та ситуація, що склалася зараз, нагадує випадки, коли люди дивляться на перевернуту картину. Якщо дані позначення складні – пам'ятайте, що розбиратися в них таким чином обов'язково виключно хімікам. А зараз давайте зробимо зворотне включення. Можна помітити, що напівпровідникові діоди практично не будуть проводити струм. Єдине можливе тут виняток – зворотний пробій елементів. А електровакуумні діоди (кенотроны, радіолампи) взагалі не будуть проводити зворотний струм. Тому і вважається (умовно), що він через них не йде. Тому формально висновки анод і катод у діода не виконують свої функції.

Чому існує плутанина?

Спеціально, щоб полегшити навчання і практичне застосування, було вирішено, що діодні елементи назви висновків не будуть змінювати залежно від своєї схеми включення, і вони будуть «прикріплені» до фізичних висновків. Але це не відноситься до акумуляторів. Так, у напівпровідникових діодів все залежить від типу провідності кристала. В електронних лампах це питання прив'язаний до електрода, який емітує електрони в місці розташування нитки розжарення. Звичайно, тут є певні нюанси: так, через такі напівпровідникові прилади, як супресор і стабілітрон, може трохи протікати зворотний струм, але тут існує специфіка, явно виходить за рамки статті.

Розбираємося з електричним акумулятором

Це по-справжньому класичний приклад хімічного джерела електричного струму, що є поновлюваним. Акумулятор перебуває в одному з двох режимів: заряд/розряд. В обох цих випадках буде різний напрям електричного струму. Але зверніть увагу, що полярність електродів при цьому не змінюватиметься. І вони можуть виступати у різних ролях:

Під час зарядки позитивний електрод приймає електричний струм і є анодом, а негативний його відпускає і називається катодом.

При відсутності руху про них розмову вести немає сенсу.

Під час розряду позитивний електрод відпускає електричний струм і є катодом, а негативний приймає і називається анодом.

Про електрохімії замовимо слово

Тут використовують дещо інші визначення. Так, анод розглядається як електрод, де протікають окислювальні процеси. І згадуючи шкільний курс хімії, можете відповісти, що відбувається в іншій частині? Електрод, на якому протікають відновні процеси, називається катодом. Але тут немає прив'язки до електронним приладам. Давайте розглянемо цінність окисно-відновних реакцій для нас:

Окислення. Відбувається процес віддачі часткою електрона. Нейтральна перетворюється в позитивний іон, а негативна нейтралізується.

Відновлення. Відбувається процес отримання часткою електрона. Позитивна перетворюється на нейтральний іон, а потім в негативний при повторенні.

Обидва процеси є взаємопов'язаними (так, кількість електронів, що віддані, дорівнює приєднаному їх числа).

Також Фарадеєм для позначення були введені назви для елементів, що беруть участь у хімічних реакціях:

Катіони. Так називаються позитивно заряджені іони, що рухаються в розчині електроліту в бік негативного полюса (катода).

Аніони. Так називаються негативно заряджені іони, що рухаються в розчині електроліту в бік позитивного полюса (анода).

Як відбуваються хімічні реакції?

Окиснювальна і відновна полуреакции є розділеними в просторі. Перехід електронів між катодом і анодом здійснюється не безпосередньо, а завдяки провіднику зовнішньої ланцюга, на якому створюється електричний струм. Тут можна спостерігати взаємне перетворення електричної і хімічної форм енергії. Тому для утворення зовнішньої ланцюга системи з провідників різного роду (якими є електроди в електроліті) і необхідно користуватися металом. Бачте, напруга між анодом і катодом існує, як і один нюанс. І якщо б не було елемента, що заважає їм безпосередньо провести необхідний процес, то цінність джерел хімічного струму була б вельми низька. А так, завдяки тому, що заряду необхідно пройтися по тій схемі, була зібрана і працює техніка.

Що є що: крок 1

Тепер давайте будемо визначати, що є що. Візьмемо гальванічний елемент Якобі-Даніеля. З одного боку він складається з цинкового електрода, який опущений в розчин сульфату цинку. Потім йде пориста перегородка. І з іншого боку є мідний електрод, який розташований в розчині сульфату міді. Вони стикаються між собою, але хімічні особливості та перегородка не дають змішатися.

Крок 2: Процес

Відбувається окислення цинку, і електрони по зовнішньому ланцюгу рухаються до міді. Так виходить, що гальванічний елемент має анод, заряджений негативно, і катод - позитивний. Причому цей процес може протікати тільки в тих випадках, коли електронам є куди йти». Справа в тому, що потрапити безпосередньо від електрода до іншого заважає наявність «ізоляції».

Крок 3: Електроліз

Давайте розглянемо процес електролізу. Установка для його проходження є посудиною, в якому є розчин або розплав електроліту. У нього випустили два електрода. Вони підключені до джерела постійного струму. Анод в цьому випадку – це електрод, підключений до позитивного полюса. Тут відбувається окислення. Негативно заряджений електрод – це катод. Тут протікає реакція відновлення.

Крок 4: Наостанок

Тому при оперуванні даними поняттями завжди необхідно враховувати, що анод не в 100% випадків використовується для позначення негативного електрода. Також катод періодично може позбавлятися свого позитивного заряду. Все залежить від того, який процес на електроді протікає: відновлювальний або окислювальний.

Висновок

Ось так все і є – не дуже складно, але не скажеш, що і просто. Ми розглянули гальванічний елемент, анод і катод з точки зору схеми, і зараз проблем із з'єднанням джерел живлення з напрацюваннями у вас бути не повинно. І наостанок потрібно залишити ще трохи цінної для вас інформації. Завжди доводиться враховувати різницю, яку має потенціал катода/потенціал анода. Справа в тому, що перший завжди буде трохи більшим. Це з-за того, що коефіцієнт корисної дії не працює з показником у 100 % і частина зарядів розсіюється. Саме з-за цього можна побачити, що акумулятори мають обмеження на кількість разів заряду і розряду.