Что такое анод и катод

Катод и анод – это ключевые понятия в области электрики, которые обозначают положительный и отрицательный электроды в электрической цепи или устройстве. Понимание этих терминов имеет критическое значение при работе с электроникой, поскольку оно непосредственно влияет как на эффективность функционирования устройств, так и на их безопасность при эксплуатации.

Диод

Дио́д (с греческого δις — два и ὁδός — путь) представляет собой двухэлектродное электронное устройство, обладающее различной проводимостью в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения. В контексте диода электроды названы анодом и катодом. У большинства диодов, таких как электровакуумные диоды и выпрямительные полупроводниковые диоды, при подаче прямого напряжения (когда анод имеет положительный потенциал относительно катода) происходит открытие диода: через него начинает течь прямой ток, а его электрическое сопротивление становится низким. В то время как при приложении обратного напряжения (когда катод имеет положительный потенциал относительно анода) диод оказывается закрытым: его электрическое сопротивление резко увеличивается, а обратный ток становится незначительным и фактически приближается к нулю.

Типы диодов

Существует несколько типов диодов, среди которых можно выделить электровакуумные, газонаполненные и полупроводниковые. На сегодняшний день подавляющее большинство применяемых диодов – это полупроводниковые диоды.

Электровакуумный диод представляет собой замкнутый сосуд (или баллон), внутри которого поддерживается высокий вакуум. В этом сосуде находятся два электрода: катод и анод. Наравне с катодом прямого накала, который является прямой или W-образной нитью, разогреваемой током накала, существует также катод косвенного накала — это длинный цилиндр или короб, в который помещена электрически изолированная спираль для подогрева.

История

В 1873 году английский учёный Фредерик Гатри впервые обратил внимание на интересный эффект: если поднести раскалённую до красного состояния металлическую пластину, заземлённую при этом, к положительно заряженному электроскопу (но не касаться его электрода), произойдет разряд электроскопа. Интересно, что ничего подобного не наблюдалось, когда электроскоп заряжался отрицательно.

В 1883 году Томас Эдисон заново открыл данный эффект. Работая над улучшением конструкции угольных нитей для ламп накаливания, он заметил, что внутренние стенки стеклянных ламп начинают постепенно темнеть. Накопленный угольный налет равномерно покрывал поверхность, за исключением узкой полосы, где находилась нить накала.

Эдисон провел эксперимент, разместив маленькую металлическую пластинку между двумя ножками, поддерживающими нить накала. При подключении этой пластинки к положительному полюсу источника питания, в цепи лампы начинал протекать небольшой электрический ток. Однако, если пластинку присоединяли к отрицательному полюсу, этого не наблюдалось.

1 — нить накала, 2 — катод, 3 — электронный ток, 4 — анод

Суть обнаруженного эффекта обусловлена тем, что концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока. Таким образом, при нагревании металла некоторые электроны получают достаточную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер на границе металла. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. С ростом температуры увеличивается число электронов, обладающих достаточной энергией для преодоления барьера, что приводит к образованию электронного облака у поверхности металла.

В опыте Эдисона положительно заряженная пластина притягивала электроны, тогда как отрицательно заряженная — отталкивала их. Данное явление легло в основу работы двухэлектродной вакуумной лампы, известной как термоэмиссионный диод или клапан Флеминга (англ. Fleming’s valve), которая была изобретена в 1904 году в качестве детектора для радиоприемников. Устройство получило название «вентиль» именно из-за своей способности пропускать электрический ток только в одном направлении. Основные компоненты этого устройства включали вакуумированную стеклянную колбу с двумя электродами: нагретую нить накала (катод) и анод. В ранних версиях вентиля анод выступал в роли плоской металлической пластины, находящейся рядом с катодом, в то время как более современные модели использовали анод в форме металлического цилиндра, окружающего катод, который теперь подогревался отдельной нитью накала.

Принцип действия

Нагрев катода приводит к тому, что электроны покидают его поверхность за счет термоэлектронной эмиссии. В ситуации, когда анод находится на нулевом напряжении по сравнению с катодом (например, при соединении анода и катода), уже начинает протекать небольшой поток электронов от катода к аноду, так как более быстрые электроны могут преодолеть потенциальную яму пространственного заряда и, следовательно, остаются притянутыми к аноду. В таком режиме отсечка тока возникает лишь при подаче на анод запирающего отрицательного напряжения приблизительно -1 В и даже ниже.

При подаче положительного напряжения на анод создается ускоряющее поле, что приводит к росту анодного тока. Как только анодный ток достигает значений, близких к пределу эмиссии катода, его дальнейшее увеличение замедляется, а затем вовсе прекращается.

Что такое анод и катод?

Часто возникает вопрос о том, как правильно определить, какой из электродов является катодом, а какой — анодом. Начнем с основ понимания этих терминов.

В сложных химических соединениях электроны распределены между атомами неоднородно. В результате таких взаимодействий частицы могут перемещаться от одного атома к другому. Этот процесс называется окислительно-восстановительной реакцией. Потеря электронов рассматривается как окисление, а элемент, который отдает электроны, называется восстановителем.

Наделение электронами называется восстановлением, а принимающий элемент в этом процессе называется окислителем. Переход электронов от восстановителя к окислителю может происходить через внешнюю цепь, и это взаимодействие может использоваться в качестве источника электрической энергии. Устройства, в которых энергия химической реакции преобразуется в электрическую, называются гальваническими элементами.

Простым классическим примером гальванического элемента служит система, состоящая из двух пластин, изготовленных из различных металлов и помещенных в раствор электролита. В таком устройстве окисление происходит на одной пластине, тогда как восстановление — на другой.

ВАЖНО! Электрод, на котором происходит окисление, обозначается как анод. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом.

Из школьного курса химии известен пример медно-цинкового гальванического элемента, использующего энергию реакции между цинком и сульфатом меди. Устройство, известное как элемент Даниэля, включает медную пластину, погруженную в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковую пластину, находящуюся в растворе сульфата цинка (цинковый электрод). В этом элементе цинковый электрод отдает катионы в раствор, создавая в нем избыток положительного заряда, в то время как медный электрод обедняется катионами, приводя к образованию отрицательного заряда в данном растворе.

Закорачивание внешней цепи заставляет электроны перетекать от цинкового электрода к медному, в результате чего нарушаются равновесные условия на границах фаз. Это и активирует окислительно-восстановительную реакцию.

Энергия, высвобождающаяся в процессе самопроизольно протекающей химической реакции, преобразуется в электрическую.

Если же химическую реакцию провоцирует внешняя энергия из электрического тока, то наблюдается процесс, известный как электролиз. Процессы, происходящие при электролизе, являются противоположными тем, которые наблюдаются в работе гальванического элемента.

ВНИМАНИЕ! Электрод, на котором происходит восстановление, также называется катодом, но при электролизе он имеет отрицательный заряд, тогда как анод становится положительно заряженным.

Применение в электрохимии

Как аноды, так и катоды играют важную роль в различных химических реакциях:

• Электролиз;
• Электроэкстракция;
• Гальваностегия;
• Гальванопластика.

Электролиз расплавленных соединений и водных растворов используется для получения металлов, очистки их от примесей и извлечения ценных компонентов (электролитическое рафинирование). Для очистки металл, подлежащий обработке, отливается в виде пластин и помещается в качестве анода в электролизер. Под воздействием электрического тока металл начинает растворяться, его катионы переходят в раствор, а на катоде происходит восстановление, в результате чего образуется осадок чистого металла. Примеси, которые содержатся в исходной неочищенной металлической пластине, либо остаются нерастворимыми в виде анодного шлама, либо переходят в электролит, где затем удаляются. Электролитическому рафинированию подлежат такие металлы, как медь, никель, свинец, золото, серебро и олово.

Электроэкстракция — это процесс получения металла из раствора в ходе электролиза. Чтобы металл мог перейти в раствор, его предварительно обрабатывают специальными реагентами. В течении этого процесса на катоде происходит выделение металла, обладающего высокой чистотой. Таким образом получают, например, цинк, медь и кадмий.

С целью предотвращения коррозии, укрепления и для эстетического оформления изделий ещё один металл наносится на поверхность другого. Этот процесс называется гальваностегией.

Гальванопластика представляет собой процесс получения металлических копий объемных предметов путем электроосаждения металла.

Применение в вакуумных электронных приборах

Принцип работы катода и анода в вакуумном приборе можно продемонстрировать на примере электронной лампы. Эта лампа выглядит как герметично запаянный сосуд с металлическими компонентами внутри. Она используется для выпрямления, генерации и преобразования электрических сигналов. В зависимости от числа электродов устройства выделяют:

• диоды;
• триоды;
• тетроды;
• пентоды и другие.

Диод — это вакуумный прибор с двумя электродами: катодом и анодом. Катод подключен к отрицательному полюсу источника питания, анод — к положительному. Основная роль катода состоит в том, чтобы испускать электроны, нагреваясь током до определенной температуры. Через испущенные электроны возникает пространственный заряд между катодом и анодом. Самые быстрые электроны движутся к аноду, преодолевая отрицательный потенциальный барьер объема заряда. Анод улавливает эти частицы, и в результате образуется анодный ток во внешней цепи. Управлять электронным потоком можно с помощью дополнительных электродов, на которые подается электрический потенциал. В результате диоды преобразуют переменный ток в постоянный.

Применение в электронике

В современном мире основное применение находят полупроводниковые диоды.

В электронике широко используется свойство диодов пропускать ток только в одном направлении и блокировать его в обратном.

Разница между катодом и анодом

Катод и анод являются основными элементами многих электрических и электрохимических устройств, обеспечивая движение электрического тока. Их различия крайне важны для корректной работы с такими устройствами.

Происхождение тока

Анод — это электрод, через который ток входит в устройство, тогда как катод — электрод, из которого ток выходит.

Электрохимическая активность

В контексте электрохимических ячеек, таких как аккумуляторы или гальванические элементы, анод обычно является местом окисления, тогда как катод — местом редукции.

Подключение к питанию

В полупроводниковых устройствах, таких как диоды, анод чаще всего подключается к положительному полюсу источника питания, тогда как катод подключается к отрицательному.

Для эффективной и безопасной работы с электронными устройствами необходимо четко осознавать, где расположен анод, а где катод, и понимать их функции в различных приложениях.

Как правильно определить?

Определение катода и анода может варьироваться в зависимости от контекста использования. Ниже приведены несколько методов определения в различных ситуациях:

Гальваническая ячейка или аккумулятор

• Анод — это электрод, на котором происходит процесс окисления (то есть отдача электронов).
• Катод — это электрод, на котором происходит процесс редукции (то есть принятие электронов).

Диоды и полупроводники

Современные диоды часто имеют обозначения на корпусе, где катод обычно отмечен черной или серой полосой или кольцом:

1. Анод — это сторона без полосы.
2. Катод — это сторона с полосой.

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы имеют свою полярность:

• Анод — положительная ножка (обычно она длиннее).
• Катод — отрицательная ножка (как правило, она короче и может быть обозначена знаком минус или полосой на корпусе конденсатора).

Вакуумные трубки и катодно-лучевые трубки

1. Катод — это элемент, который испускает электроны.
2. Анод — это элемент, который принимает электроны.

При работе с новыми или неправильно известными устройствами рекомендуется ознакомиться с документацией или маркировкой устройства для корректного определения катода и анода.

Особенности функционирования

Диоды, при подаче на них напряжения, имеют свойство проводит ток только в одном направлении. При его обратном включении постоянный ток не может проходить через диод.

Чтобы избежать ошибок, впаивая двухполюсник в схему, необходимо знать, где у диода положительный, а где отрицательный полюс. Обычно это можно сделать по соответствующим маркировкам на корпусе. Однако часто на корпусах отсутствуют четкие признаки, обозначающие полюса. В таких случаях определять катод и анод нужно другими методами.

Способы определения полярности

Каждый метод определения положительного и отрицательного полюсов уникален и может использоваться в различных конкретных ситуациях. Можно условно разделить их на четыре группы:

1. С помощью тестера (мультиметра);
2. По внешнему виду устройства;
3. Включением в цепь с питающим напряжением;
4. По технической документации.

Как определить полярность тестером (мультиметром)

Один из самых простых и надежных способов определения полюсов – это использование мультиметра (тестера). Для этого вам необходимо:

• Переключить прибор в режим измерения сопротивления (омметра) или в режим проверки диодов;
• Подключить красный провод (положительный) к одному из выводов устройства;
• Подключить черный провод (отрицательный) ко второму выводу двухполюсника;
• Поменять порядок подключения проводов. Полярность считается правильной, если на дисплее появляется численное значение, в этом случае контакт с красным проводом будет анодом, а с черным — катодом.

При использовании режима проверки диодов, показания будут находиться в диапазоне 500-1200 мВ. А в режиме измерения они будут примерно равны, как показано на предыдущем рисунке, где единица на дисплее может указывать на предельное превышение или бесконечность.

Заметьте! Существует множество специальных двухполюсников, результаты измерений которых могут отличаться от стандартных. Например, это может быть характерно для стабилитронов, варикапов или диодов Шоттки.

Кроме того, с помощью тестера также можно определить полярность светодиодов в режиме Hfe. Для этого выполните следующие шаги:

1. Переведите тестер в соответствующий режим (Hfe);
2. Вставьте светодиод в соответствующий гнездо для транзисторов, подключая длинную ножку к контакту Е, а короткую — к контакту С.

Определение полярности в режиме Hfe.

Дополнительная информация. Способ Hfe также применим для проверки светодиодов в виде SMD: достаточно вставить в контакты E и C тонкие иголки и прикоснуться к ним держателями тестера.

Как определить полярность по внешнему виду

Определить полярность можно также при визуальном осмотре устройства. Изготавливая двухполюсники, производители часто наносят на них особую маркировку, которая позволяет правильнее их идентифицировать.

Это могут быть:

• точки, кольцевые полоски, располагающиеся ближе к аноду;
• заостренная форма устройства со стороны плюса и плоская — со стороны минуса;
• символы плюс и минус на корпусе (в крупных приборах).

Для DIP-элементов внешний вид может помочь определить положительный и отрицательный полюсы по следующим признакам:

• Вывод анода длиннее, чем вывод катода;
• Размер анода меньше, а модель катода напоминет форму флажка;
• При мощности выше 1 Вт на выводе анода имеется маркировка +.

Заметьте! Если светодиод уже был использован в схеме, размеры ножек могут не соответствовать его изначальным параметрам.

Характеристики диода

Рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Для этого нам нужно найти его характеристики в интернет-ресурсах, введя в поисковую строку «даташит КД411АМ».

Для объяснения параметров диода также требуется его Вольтамперная характеристика (ВАХ).

1) Обратное максимальное напряжение U_обр — это напряжение, при котором диод может выдерживать подключение в обратном направлении; в этом случае через него будет существовать ток I_обр — сила тока при обратном подключении диода. При превышении уровня обратного напряжения в диоде произойдет лавинный пробой, что приводит к резкому увеличению тока, способному привести к его тепловому разрушению. В исследуемом диоде это значение составляет 700 вольт.

2) Максимальный прямой ток I_пр — это максимальный ток, который может протекать через диод в прямом направлении. Для КД411АМ это 2 ампера.

3) Максимальная частота F_d, при превышении которой устройство будет функционировать неправильно. В данном случае максимальная частота составляет 30 кГц.

Виды диодов

Стабилитроны

Стабилитроны фактически представляют собой те же самые диоды. Название говорит само за себя: стабилитроны стабилизируют напряжение. Однако, чтобы стабилитрон мог выполнять стабилизацию, существует одно условие: его следует подключать противоположно, чем обычные диоды — анод должен быть на минусе, а катод на плюсе.

Данный факт может показаться странным; чтобы понять, почему это происходит, рассмотрим Вольтамперную характеристику (ВАХ) диода: она используется в положительной ветви — в прямом направлении, в то время как стабилитрон функционирует в обратном направлении.

Ниже на графике представлен стабилитрон с напряжением 5 Вольт. Независимо от изменений силы тока, напряжение будет оставаться на уровне 5 Вольт. Это делает его крайне удобным в использовании. Однако имеются и недостатки: сила тока не должна превышать установленный предел, иначе из-за повышения температуры (закон Джоуля-Ленца) стабилитрон может выйти из строя. Ключевой параметр стабилитрона — это напряжение стабилизации (Uст), которое измеряется в вольтах. На графике видно, что стабилитрон с напряжением стабилизации 5 Вольт также имеет диапазон сила тока, при которых он будет функционировать — это минимальный и максимальный ток (I_min, I_max), измеряемый в амперах.

Визуально стабилитроны выглядят аналогично обычным диодам:

На схемах становятся видимыми в таком виде:

Светодиоды

Светодиоды — это особая группа диодов, которые способны излучать видимый и невидимый свет. Невидимый свет включает инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Тем не менее, в промышленности больше акцентируется на светодиодах, способных испускать видимый свет. Они находят широкое применение для индикации, оформления вывесок, освещения баннеров и зданий. Светодиоды имеют аналогичные параметры, как и другие диоды, хотя их максимальный ток часто значительно ниже.

Обратное предельное напряжение (U_обр) может достигать 10 Вольт, а максимальный ток (I_max) для простых светодиодов ограничивается в пределах 50 мА. Для более мощных светодиодов это значение значительно выше. Соответственно, при подключении обычных диодов следует параллельно поставить резистор. Резистор можно вычислить по простой формуле, однако лучше использовать переменный резистор, чтобы подобрать оптимальный уровень свечения, замерить его, а затем заменить на постоянный резистор с аналогичными характеристиками.

Осветительные лампы на основе светодиодов потребляют минимальные объемы электроэнергии и стоят недорого.

Светодиодные ленты, состоящие из множества SMD-светодиодов, пользуются огромным спросом и могут привнести эстетическую красоту в различные пространства.

На схемах светодиоды обозначаются следующим образом:

Не забывайте, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды имеют меньшую яркость и предназначены для сигнализации о различных процессах в электронной цепи. Обычно они работают на небольших значениях тока и обладают слабым светом.