Анод

Схема цинкового анода в гальваническом элементе . Обратите внимание, как электроны выходят из ячейки, а условный ток движется в нее в обратном направлении.

Анод — это электрод поляризованного электрического устройства, через который обычный ток в устройство поступает . Это контрастирует с катодом , электродом устройства, через который из устройства выходит обычный ток. Распространенная мнемоника — ACID, что означает «анодный ток в устройство». Направление обычного тока (потока положительных зарядов) в цепи противоположно направлению потока электронов , поэтому (отрицательно заряженные) электроны текут от анода гальванического элемента во внешнюю или внешнюю цепь, подключенную к элементу. Например, конец бытовой батареи, отмеченный знаком «+», является катодом (при разрядке).

Как в гальваническом элементе , так и в электролитическом элементе анод является электродом , на котором происходит реакция окисления . В гальваническом элементе анодом является проволока или пластина, имеющая избыточный отрицательный заряд в результате реакции окисления. В электролитической ячейке анодом является проволока или пластина , на которую наложен избыточный положительный заряд. В результате этого анионы будут стремиться двигаться к аноду, где они подвергаются окислению.

Исторически анод гальванического элемента также назывался цинкодом, поскольку он обычно состоял из цинка.

Поток заряда

Термины анод и катод определяются не полярностью напряжения на электродах, а направлением тока через электрод. Анод — это электрод устройства, через который в устройство поступает условный ток (положительный заряд) из внешней цепи, а катод — это электрод, через который условный ток вытекает из устройства. Если ток через электроды меняет направление, как это происходит, например, в аккумуляторной батарее во время ее зарядки, роли электродов как анода и катода меняются местами.

Условный ток зависит не только от направления движения носителей заряда носителей , но и от электрического заряда . Токи вне устройства обычно передаются электронами в металлическом проводнике. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, направление потока электронов противоположно направлению обычного тока. Следовательно, электроны покидают устройство через анод и попадают в устройство через катод.

Определение анода и катода различно для электрических устройств, таких как диоды и электронные лампы , где наименование электрода фиксировано и не зависит от фактического потока заряда (тока). Эти устройства обычно пропускают значительный ток в одном направлении и незначительный ток в другом направлении. Поэтому электроды названы в зависимости от направления этого «прямого» тока. В диоде анод — это клемма, через которую поступает ток, а катод — это клемма, через которую ток уходит, когда диод смещен в прямом направлении . Названия электродов не меняются в случаях, когда через прибор протекает обратный ток. Аналогично, в вакуумной трубке только один электрод может излучать электроны в вакуумированную трубку из-за нагрева нити накала, поэтому электроны могут попасть в устройство только из внешней цепи через нагретый электрод. Поэтому этот электрод постоянно называют катодом, а электрод, через который электроны выходят из трубки, называют анодом.

Примеры

Направление электрического тока и электронов аккумуляторной батареи при разряде и заряде.

Полярность напряжения на аноде относительно связанного с ним катода меняется в зависимости от типа устройства и режима его работы. В следующих примерах анод отрицательный в устройстве, обеспечивающем питание, и положительный в устройстве, потребляющем энергию:

В разряжающейся батарее или гальваническом элементе (схема слева) анодом является отрицательная клемма: именно здесь в элемент течет обычный ток. Этот внутренний ток переносится наружу электронами, движущимися наружу.

В перезаряжаемой батарее или электролитической ячейке анод — это положительная клемма, создаваемая внешним источником разности потенциалов. Ток через перезаряжаемую батарею противоположен направлению тока при разряде; другими словами, электрод, который был катодом во время разряда батареи, становится анодом во время ее перезарядки.

В аккумуляторной технике принято называть один электрод перезаряжаемой батареи анодом, а другой — катодом, в зависимости от роли, которую электроды играют при разрядке батареи. И это несмотря на то, что при зарядке аккумулятора роли меняются. Когда это будет сделано, «анод» просто обозначает отрицательную клемму батареи, а «катод» — положительную клемму.

В диоде анодом является клемма, представленная хвостом символа стрелки (плоская сторона треугольника), через которую в устройство течет обычный ток. Обратите внимание, что наименование электродов для диодов всегда основано на направлении прямого тока (направлении стрелки, в котором ток течет «легче»), даже для таких типов, как стабилитроны или солнечные элементы, где интересующий ток - это обратный ток.

В вакуумных или газонаполненных трубках анод — это клемма, через которую ток поступает в трубку.

Этимология

Это слово было придумано в 1834 году от греческого ἄνοδος ( anodos ), «восхождение», Уильямом Уэвеллом , с которым консультировались Майклом Фарадеем над некоторыми новыми именами, необходимыми для завершения статьи о недавно открытом процессе электролиза . В этой статье Фарадей объяснил, что когда электролитическая ячейка ориентирована так, что электрический ток проходит через «разлагающееся тело» (электролит) в направлении «с востока на запад», или, что усилит эту помощь памяти, то, в чем солнце кажется, что он движется», анод — это место, где ток входит в электролит, на восточной стороне: « ано вверх, идет по пути, по которому восходит солнце».

Использование слова «Восток» для обозначения направления «внутри» (на самом деле «внутри» → «Восток» → «восход солнца» → «вверх») может показаться надуманным. Ранее, как указано в первой ссылке, цитированной выше, Фарадей использовал более простой термин «эизод» (дверь, куда входит ток). Его мотивация изменить его на что-то, означающее «восточный электрод» (другими кандидатами были «истод», «ориод» и «анатолод»), заключалась в том, чтобы сделать его невосприимчивым к возможному более позднему изменению соглашения о направлении тока , чья истинная природа в то время не было известно. Для этого он использовал направление магнитного поля Земли, которое в то время считалось неизменным. По сути, он определил свою произвольную ориентацию ячейки как такую, при которой внутренний ток будет течь параллельно и в том же направлении, что и гипотетическая токовая петля намагничивания вокруг местной линии широты, которая будет индуцировать магнитное дипольное поле, ориентированное, как у Земли. Это сделало внутренний ток с Востока на Запад, как упоминалось ранее, но в случае более позднего изменения соглашения он стал бы с Запада на Восток, так что Восточный электрод больше не был бы «путем внутрь». Следовательно, «эизода» стала бы неуместной, тогда как «анод», означающий «восточный электрод», остался бы правильным по отношению к неизменному направлению фактического явления, лежащего в основе тока, тогда неизвестного, но, по его мнению, однозначно определяемого магнитной привязкой. . Оглядываясь назад, изменение названия было неудачным не только потому, что сами по себе греческие корни больше не раскрывают функцию анода, но, что более важно, потому что, как мы теперь знаем, направление магнитного поля Земли, на котором основан термин «анод», зависит от развороты, тогда как нынешнее соглашение о направлении, на котором был основан термин «эпизод», не имеет причин меняться в будущем.

Со времени более позднего открытия электрона , более легко запоминающегося и более надежно корректируемого с технической точки зрения, хотя и исторически неверного, была предложена этимология: анод, от греческого anodos , «путь вверх», «путь (вверх) из клетки (или другое устройство) для электронов».

Электролитический анод

В электрохимии анод — это место, где происходит окисление , и контакт положительной полярности в электролитической ячейке . На аноде анионы (отрицательные ионы) под действием электрического потенциала вступают в химическую реакцию и выделяют электроны (окисление), которые затем поднимаются вверх и попадают в цепь возбуждения. Мнемоника : LEO Red Cat (потеря электронов — это окисление, восстановление происходит на катоде), или AnOx Red Cat (анодное окисление, катодное восстановление), или OIL RIG (окисление — это потеря, восстановление — это прирост электронов), или римско-католический и Ортодоксальный (Восстановление – Катод, анод – Окисление), или Лев, лев говорит GER (Потеря электронов – это Окисление, Получение электронов – это Восстановление).

Этот процесс широко используется при рафинировании металлов. Например, при рафинировании меди медные аноды, промежуточный продукт из печей, подвергаются электролизу в соответствующем растворе (например, серной кислоте ) для получения катодов высокой чистоты (99,99%). Медные катоды, изготовленные этим методом, также называют электролитической медью .

Исторически сложилось так, что когда для электролиза требовались нереактивные аноды, выбирались графит (во времена Фарадея его называли свинцом) или платина. Было обнаружено, что они являются одними из наименее реакционноспособных материалов для анодов. Платина эродирует очень медленно по сравнению с другими материалами, а графит крошится и может выделять углекислый газ в водных растворах, но в остальном не участвует в реакции.

Анод батареи или гальванического элемента

Гальванический элемент

В батарее или гальваническом элементе анод — это отрицательный электрод, из которого электроны вытекают во внешнюю часть цепи. Внутри положительно заряженные катионы оттекают от анода (хотя он отрицательный и, следовательно, можно было бы ожидать их притяжения, это связано с тем, что потенциал электрода относительно раствора электролита различен для анодной и катодной систем металл/электролит); но за пределами ячейки в цепи электроны выталкиваются через отрицательный контакт и, следовательно, через цепь под действием потенциала напряжения, как и следовало ожидать.

Положительный и отрицательный электрод по сравнению с анодом и катодом вторичной батареи

Производители аккумуляторов могут рассматривать отрицательный электрод как анод. особенно в их технической литературе. Хотя с электрохимической точки зрения это неверно, это решает проблему того, какой электрод является анодом во вторичной (или перезаряжаемой) ячейке. Используя традиционное определение, анод переключается между циклами зарядки и разрядки.

Анод вакуумной трубки

Схема триодной вакуумной лампы в разрезе, показывающая пластину (анод)

В электронных вакуумных устройствах, таких как электронно-лучевая трубка , анодом является коллектор положительно заряженных электронов. В трубке анод представляет собой заряженную положительную пластину, которая собирает электроны, испускаемые катодом, за счет электрического притяжения. Это также ускоряет поток этих электронов.

Диодный анод

В полупроводниковом диоде анодом является слой, легированный P, который первоначально доставляет дырки в переход. В области перехода дырки, подаваемые анодом, объединяются с электронами, подаваемыми из области, легированной N, создавая обедненную зону. Поскольку слой, легированный P, поставляет дырки в обедненную область, отрицательные ионы примеси остаются в слое, легированном P («P» для положительных ионов носителей заряда). Это создает базовый отрицательный заряд на аноде. Когда к аноду диода из схемы прикладывается положительное напряжение, больше дырок может быть перенесено в обедненную область, и это приводит к тому, что диод становится проводящим, позволяя току течь через цепь. Термины анод и катод не следует применять к стабилитрону , поскольку он допускает поток в любом направлении, в зависимости от полярности приложенного потенциала (т. е. напряжения).

Жертвенный анод

Основная статья: Жертвенный анод

Жертвенные аноды , монтируемые «на лету» для защиты металлоконструкции от коррозии.

При катодной защите металлический анод, который более реагирует на коррозионную среду, чем защищаемая металлическая система, электрически связан с защищаемой системой. В результате частично корродирует вместо металлической системы или растворяется металлический анод. Например, из железа или стали корпус корабля цинковым может быть защищен жертвенным анодом , который растворяется в морской воде и предотвращает коррозию корпуса. Жертвенные аноды особенно необходимы для систем, в которых статический заряд создается под действием текущих жидкостей, таких как трубопроводы и водные транспортные средства. Жертвенные аноды также обычно используются в водонагревателях резервуарного типа.

В 1824 году для уменьшения воздействия этого разрушительного электролитического воздействия на корпуса кораблей, их крепления и подводное оборудование учёный-инженер Хэмфри Дэви разработал первую и до сих пор наиболее широко используемую систему морской электролизной защиты. Дэви установил жертвенные аноды, изготовленные из более электрически реактивного (менее благородного) металла, прикрепленные к корпусу судна и электрически соединенные, чтобы сформировать цепь катодной защиты.

Менее очевидный пример такого типа защиты — процесс гальванизации железа. В ходе этого процесса железные конструкции (например, ограждения) покрываются слоем металлического цинка . Пока цинк остается неповрежденным, железо защищено от воздействия коррозии. Цинковое покрытие неизбежно нарушается либо в результате растрескивания, либо в результате физического повреждения. Как только это происходит, коррозионные элементы действуют как электролит, а комбинация цинка и железа — как электроды. Результирующий ток гарантирует, что цинковое покрытие будет уничтожено, но основное железо не подвергнется коррозии. Такое покрытие может защитить железную конструкцию на несколько десятилетий, но как только защитное покрытие изнашивается, железо быстро подвергается коррозии.

Если, наоборот, олово используется для покрытия стали, то нарушение покрытия фактически ускоряет окисление железа.

Подаваемый ток анода

Другая катодная защита применяется на аноде приложенного тока. Он изготовлен из титана и покрыт смешанным оксидом металлов . В отличие от жертвенного анодного стержня, анод с подаваемым током не жертвует своей структурой. Эта технология использует внешний ток, обеспечиваемый источником постоянного тока, для создания катодной защиты. Аноды нагруженного тока используются в более крупных конструкциях, таких как трубопроводы, лодки, городские водонапорные башни, водонагреватели и многое другое.

Родственный антоним

Противоположностью анода является катод . Когда ток через устройство меняется на противоположный, электроды переключают функции, поэтому анод становится катодом, а катод становится анодом, пока подается обратный ток. Исключением являются диоды, в которых обозначение электродов всегда основано на направлении прямого тока.

См. также

• Анодирование
• Гальванический анод
• Газонаполненная трубка
• Первичная ячейка
• Redox (восстановление-окисление)

Внешние ссылки

• Как определить анод и катод