Понятия анод и катод применяются во многих разделах физики и химии, эти термины введены давно и считаются устоявшимися. Однако в различных областях науки и техники под этими терминами понимаются несколько различные явления и устройства.
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.
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).
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.
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.
В видео рассказывается, как запомнить полярность анода и катода при помощи мнемоники.
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.
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.
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.
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.
Так как симистор имеет двухстороннюю проводимость, выводы его силовой цепи называются условным анодом и условным катодом. Различие между ними используется для формирования сигналов управления.
Стабилитроны
Устройство стабилитрона тоже не отличается от устройства обычного полупроводникового диода. Однако в схеме он чаще всего включается наоборот – анод к минусу, а катод к плюсу. Это связано с тем, что он должен работать в режиме лавинного пробоя, который возникает при приложении обратного напряжения. Характеристики стабилитрона в этом режиме нормированы.
Стабилитрон можно использовать в качестве обычного диода, включив его анодом к плюсу, а катодом к минусу. И наоборот, обычный диод может работать в качестве стабилитрона, если подключить его в обратной полярности, но напряжение стабилизации в этом случае заранее неизвестно.
Можно сделать вывод, что определенная неоднозначность, существующая из-за отсутствия кажущейся жесткой привязки полюсности к терминам, может вносить путаницу и непонимание между специалистами различных областей, привыкших называть катодом и анодом несколько отличающиеся по сути устройства. Разобравшись с терминами и процессами, можно это непонимание устранить.
