Что такое анод и катод: объясняю простыми словами

Электролиз расплавов

  При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.

Например: электролиз расплава хлорида натрия. На катоде восстанавли-ваются катионы натрия:

Катод (–): Na+ + ē → Na

На аноде окисляются анионы хлора:

Анод (+): 2Cl– – 2ē → Cl₂

Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2Na+Cl– →  2Na + Cl₂ 

Еще один пример: электролиз расплава гидроксида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:

Катод (–): Na+ + ē → Na

На аноде окисляются гидроксид-ионы:

Анод (+): 4OH– – 4ē → O₂ + 2H₂O

Суммарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия:

4Na+OH– →  4Na + O₂+ 2H₂O

Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.

Например, алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na₃[AlF₆] плавится при более низкой температуре (1100оС), чем оксид алюминия (2050оС). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.

В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

Al₂O₃ = Al3+ + AlO₃3-

На катоде восстанавливаются катионы алюминия:

Катод (–): Al3+ + 3ē → Al

На аноде окисляются алюминат-ионы:

Анод (+): 4AlO₃3– – 12ē → 2Al₂O₃ + 3O₂

 Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:

2Al₂О₃ = 4Al + 3О₂

В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:

C + О₂ = C+4O₂-2 

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.

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

2. Гальванический элемент

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

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.

Самые популярные аноды

В металлургии используется анод для гальваники для того, чтобы наносить на поверхность изделий слой металла электрохимическим способом или для электрорафинирования. При этом процессе металл с примесями полностью растворяется на аноде, а потом осаждается в чистом виде на катоде.

В основном распространены аноды из цинка, которые могут быть литыми, сферическими, катаными. Причем последние используются чаще всего. Кроме того, берут аноды из никеля, меди, олова, бронзы, кадмия, сплава сурьмы и свинца, серебра, платины и золота. А вот из кадмия аноды почти не используют, что обуславливается их экологической вредностью. Анод из драгоценных металлов используют для того, чтобы повысить коррозионную стойкость, улучшить эстетические свойства предметов, а также для других целей. Кроме того, они пригодятся и для того, чтобы повысить электропроводность изделий.

В вакуумных электронных приборах анод – это специальный электрод, который способен притягивать к себе любые летящие электроны, которые испущены катодом. В рентгеновских трубках и электронных лампах он имеет такую конструкцию, когда полностью поглощает все электроны. В электронно-лучевых трубках аноды являются элементами электронной пушки, которые поглощают только часть летящих электронов, формируя при этом электронный луч после себя. В полупроводниковых приборах электроды, которые подключаются к положительному источнику тока, когда прибор открыт, то есть он имеет небольшое сопротивление, называют анодом, а тот, что подключен к отрицательному полюсу, соответственно, – катодом.

Знак анода и катода

В специальной литературе часто можно встретить самое разное обозначение знака анода: «+» или «-». Это определяется особенностями рассматриваемых процессов. К примеру, в электрохимии считают, что катод – это электрод, на котором протекает процесс восстановления, а анод – это электрод, на котором протекает процесс окисления. При активной работе электролизера внешний источник тока обеспечивает на одном электроде избыток электронов и здесь происходит восстановление металла. Этот электрод является катодом. А на другом электроде, в свою очередь, обеспечивается недостаток электронов и происходит окисление металла, и его называют анодом.

При работе гальванического элемента, на одном из электродов избыток электронов обеспечивается уже не внешним источником тока, а именно реакцией окисления металла, то есть здесь отрицательным будет уже анод. Электроны, которые проходят через внешнюю цепь, будут расходоваться на протекание реакции восстановления, то есть катодом можно назвать положительный электрод.

Исходя из такого толкования, для аккумулятора аноды и катоды меняются местами в зависимости от того, как направлен ток внутри аккумулятора. В электротехнике анодом называют положительный электрод. Так электрический ток течет от анода к катоду, а электроны – наоборот.

Только в одном направлении. Когда-то давно применялись ламповые диоды . Но сейчас используются в основном полупроводниковые диоды. В отличие от ламповых они значительно меньше по размеру, не требуют цепей накала и их очень просто соединять различным образом.

Условное обозначение
диода на схеме

На рисунке показано условное обозначение диода на схеме. Буквами А и К соответственно обозначены анод диода и катод диода. Анод диода – это вывод, который подключается к положительному выводу , непосредственно или через элементы схемы. Катод диода – это вывод из которого выходит ток положительного потенциала и далее через элементы схемы попадает на отрицательный электрод источника тока. Т.е. ток через диод идёт от анода к катоду. А в обратном направлении диод ток не пропускает. Если каким-то из своих выводов диод подключается к , то на другом его выводе получается постоянное напряжение с полярностью, зависящей от того, как диод подключен. Если он подключен анодом к переменному напряжению, то с катода мы получим положительное напряжение. Если он подключен катодом, то с анода будет получено соответственно отрицательное напряжение.

Знак катода:

В литературе встречается различное обозначение знака катода: «+» или «−», что определяется, в частности, особенностями рассматриваемых процессов.

В электрохимии принято считать, что катод — электрод, на котором происходит процесс восстановления, а анод – тот, где протекает окисление. При работе электролизера (например, при рафинировании меди, никеля, цинка) внешний источник тока обеспечивает на одном из электродов избыток электронов (отрицательный заряд), здесь происходит восстановление металла, это катод (т.е. имеет знак «−»). На другом электроде обеспечивается недостаток электронов (положительный заряд) и окисление металла, это анод (т.е. имеет знак «+»).

Наоборот,  при работе гальванического элемента (к примеру, медно-цинкового), избыток электронов (и отрицательный заряд) на одном из электродов обеспечивается не внешним источником тока, а собственно реакцией окисления металла (растворения цинка), то есть здесь отрицательным, если следовать приведённому определению, будет уже анод (знак «−»). Электроны, проходя через внешнюю цепь, расходуются на протекание реакции восстановления (меди), то есть катодом будет являться положительный электрод (знак «+»).

В соответствии с таким толкованием, для аккумулятора анод и катод меняются местами в зависимости от направления тока внутри аккумулятора.

Гальванический элемент – это химический источник тока, состоящий из электродов и электролита, заключенных в один сосуд, предназначенный для разового или многократного разряда. Гальваническая батарея, в свою очередь, – это химический источник тока, состоящий из двух или более гальванических элементов, соединенных между собой электрически для совместного производства электрической энергии.

Аккумулятор – это гальванический элемент, предназначенный для многократного разряда за счет восстановления емкости путем заряда электрическим током. Аккумуляторная батарея, в свою очередь, это электрически соединенные между собой аккумуляторы, оснащенные выводами и заключенные, как правило, в одном корпусе.

В соответствии с ГОСТ 15596-82 «Источники тока химические. Термины и определения (с Изменением № 1)» отрицательный электрод химического источника тока – это электрод, который при разряде химического источника тока является анодом (знак «−»); положительный электрод химического источника тока – это, который при разряде химического источника тока является катодом (знак «+»). Химический источник тока – это устройство, в котором химическая энергия заложенных в нем активных веществ непосредственно преобразуется в электрическую энергию при протекании электрохимических реакций.

В электротехнике катод – это отрицательный электрод (знак «−»), а анод – положительный электрод (знак «+»). В электротехнике за направление электрического тока принято считать направление движения положительных зарядов. Электрический ток течёт от анода к катоду, электроны, соответственно, наоборот, от «−» к «+».

Примечание:  Фото //www.pexels.com, //pixabay.com

карта сайта

Коэффициент востребованности
206

Цветное обозначение проводов «плюс» и «минус»

Во избежание короткого замыкания в сети провода, «плюс» и «минус» нельзя путать ни в коем случае.
Маркировка электропроводки необходима для быстроты и легкости определения напряжения. Это является одним из требований ПУЭ.

Для точного обозначения производители делают «минус» голубого или зеленого цвета, а «плюс» – коричневого, красного, черного или белого цвета. Если в кабеле 3 проводника и один желтый с продольными зелеными линиями, то это – заземление.

Маркировка проводов по цвету

Важно! Перед началом работы лучше проверить все провода на наличие напряжения, несмотря на маркировки по цвету, чтобы избежать опасности короткого замыкания или удара током. Прокладывать проводку мог неопытный электрик или человек, не имеющий представление о маркировке, и цвета могут не соответствовать

Существует два вида тока в электричестве. Постоянный ток не может быть передан на большое расстояние, поэтому в быту используют переменный ток. Постоянный ток используют в следующих направлениях:

• В промышленности, строительном оборудовании, строительстве, сельском хозяйстве;
• В городских транспортных средствах (трамваи, троллейбусы, метро, поезда);
• На электрических подстанциях, где он трансформируется в переменный ток, и его передают потребителю.

Важно! Только два проводника используется в сетях постоянного тока. Здесь не бывает фазы или ноля, только «плюс» и «минус»

В данном случае, используют «плюс» с красным цветом, а синим обозначают провод с «минусом».

Виды

Установить жертвенный анод для бойлера, покрытого обычным металлом, нужно обязательно. Ведь такой материал без дополнительной защиты имеет небольшой срок службы. Даже если баки внутри покрыты слоем нержавейки, то это все равно не спасет водонагреватель. Поэтому нужно покупать дополнительные детали, чтобы потом не тратиться на ремонт. Любой производитель нагревателя выдвигает свои рекомендации по поводу того, как подобрать размер анода. В принципе аноды можно разделить на два вида – это магниевый и титановый.

Магниевый анод

Магниевый анод, как говорилось выше, сделан из обычного стержня или, другими словами, прута, внутри которого находится стальная шпилька с резьбой. Сами шпильки могут быть разных диаметров и разной длины

Стоит на это обратить внимание при покупке нового анода, ведь если его размер будет в разы больше, то он не влезет в отверстие бака. Однако существуют некоторые конструкции, где можно установить даже два анода

В напольных газовых или электрических конструкциях с большим объемом они меняются только сверху.

Анодный стержень имеет очень большой размер, его длина составляет приблизительно один метр. Поэтому его замена будет проблемной в помещениях с низким потолком. Так как сам водонагреватель имеет высоту до двух метров, плюс в него необходимо вставить еще и метровый прут. Для таких целей стали выпускать многосекционные защитные магниевые аноды.

Сделаны они из пластиковой трубки, имеющей микропоры. Внутрь этой трубки засыпают гранулы магния. Преимуществом такой новинки является то, что внутри не остается никаких осадков. К тому же магний можно добавлять в трубку по мере его выработки. Порошок магния продается отдельно.

Качественный алюминиевый водонагреватель не нуждается в таких дополнениях. Но при этом высокая цена делает его недоступным для простых обывателей. А вот обычный бойлер, дополненный магниевым анодом, будет по карману практически каждому. При этом по функциональности он не хуже. Принцип его работы заключается в том, что активные атомы магния покидают анод, и сами вырабатывают оксид. Атомы железа при этом остаются совсем нетронутыми.

Титановый анод

А вот анод с титановым покрытием работает немного по другому принципу. Он используется как измерительный и питающий электрод. В этом случае ток подается источником напряжения, расположенным снаружи, и регулируется он тоже внешним электроуправлением. Через некоторое время ток перестает подаваться и тогда титановый анод анализирует состояние внутренних частей конструкции. Он выявляет, какое нарушение произошло за данный период и тогда с большой точностью регулирует возможную силу подачи для восстановления разрушений.

Анод с титановым покрытием не подвержен разрушению, поэтому совсем не нуждается в замене. Он работает на протяжении всего срока эксплуатации данной конструкции. Наибольшим спросом пользуются нагреватели на 50 литров воды, дополненные таким анодом. Они не только компактны, но и удобны в использовании. Кстати, чтобы убедиться в том, что анод действительно титановый, можно благодаря использованию магнита. У этого материала слабое магнитное поле, поэтому он совсем не магнитится.

Назначение диода

Полупроводниковые диодные элементы присутствуют
практически во всех бытовых электроприборах. Светодиоды используются в
производстве осветительных приборов и LED-телевизоров.

Полупроводниковые диоды классифицируются
по:

• материалу
  кристалла (кремний, селен, фосфид индия, германий);
• размерам
  (микросплавные, точечные, плоские);
• технологии
  производства p-n перехода (диффузионные, сплавные, эпитаксиальные);
• частоте
  (низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, импульсивные);
• сфере
  использования (выпрямительные и специальные).

Диоды-выпрямители предназначены для
преобразования переменного напряжения в постоянное. В схему устанавливаются в
виде диодного моста, который можно использовать в радиоаппаратуре, блоке
питания, зарядном устройстве.

Выпрямители делятся на:

• слаботочные
  (до 0,3 ампер);
• средней
  мощности (0,3-10 ампер);
• силовые
  (10-100 000 А, до 6 кВ).

Полупроводниковые специальные диодные
элементы:

• варикапы (емкостные диоды);
• тиристоры (с дополнительным выводом для переключения в открытое состояние);
• симисторы (ток пропускают в 2-х направлениях);
• стабилитроны (стабилизируют напряжение от 2 вольт в состоянии пробоя, отдельный вид стабиисторы (нормисторы) для напряжения 0,7-2 вольт);
• диоды Шоттки (для низковольтных схем в паре со стабилитроном);
• туннельные диодные элементы (с низким отрицательным сопротивлением);
• динисторы (не содержат управляющих электродов, монтируются в переключатели);
• магнитодиоды (вольт-амперные характеристики меняются в магнитном поле, монтируются в датчики движения, контрольные приборы);
• фотодиоды (преобразуют энергию света в электрическую);
• светодиоды (превращают электрическую энергию в свет).

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.