Электрохимия и гальваника

В электрохимии есть два основных раздела:

  1. Гальванические элементы – производство электричества за счет химической реакции. К таким элементам относятся батарейки и аккумуляторы. Их часто называют химическими источниками тока.
  2. Электролиз – воздействие на химическую реакцию электроэнергией, простыми словами – с помощью источника питания запускается какая-то реакция.

Рассмотрим окислительно-восстановительную реакцию в гальваническом элементе, тогда какие процессы протекают на его электродах?

  • Анод – электрод на котором наблюдается окислительная реакция, то есть он отдаёт электроны. Электрод, на котором происходит окислительная реакция – называется восстановителем.
  • Катод – электрод на котором протекает восстановительная реакция, то есть он принимает электроны. Электрод, на котором происходит восстановительная реакция – называется окислителем.

Отсюда возникает вопрос – где плюс, а где минус у батарейки? Исходя из определения, у гальванического элемента анод отдаёт электроны.

Важно! В ГОСТ 15596-82 дано официальное определение названий выводов химических источников тока, если кратко, то плюс на катоде, а минус на аноде.

В данном случае рассматривается протекание электрического тока по проводнику внешней цепи от окислителя (катода) к восстановителю (аноду). Так как электроны в цепи текут от минуса к плюсу, а электрический ток наоборот, тогда катод – это плюс, а анод – это минус.

Внимание: ток всегда втекает в анод!

Или то же самое на схеме:

Процесс электролиза или зарядки аккумулятора

Эти процессы похожи и обратны гальваническому элементу, поскольку здесь не энергия поступает за счет химической реакции, а наоборот – химическая реакция происходит за счет внешнего источника электричества.

В этом случае плюс источника питания всё также называется катодом, а минус анодом. Зато контакты заряжаемого гальванического элемента или электроды электролизера уже будут носить противоположные названия, давайте разберемся почему!

Важно! При разряде гальванического элемента анод – минус, катод – плюс, при зарядке наоборот.

Так как ток от плюсового вывода источника питания поступает на плюсовой вывод аккумулятора – последний уже не может быть катодом. Ссылаясь на вышесказанное можно сделать вывод, что в этом случае электроды аккумулятора при зарядке условно меняются местами.

Тогда через электрод заряжаемого гальванического элемента, в который втекает электрический ток, называют анодом. Получается, что при зарядке у аккумулятора плюс становится анодом, а минус катодом.

Гальванотехника

Процессы осаждения металлов в результате химической реакции под воздействием электрического тока (при электролизе) называют гальванотехникой. Таким образом мир получил посеребренные, золоченные, хромированные или покрытые другими металлами украшения и детали. Этот процесс используют как в декоративных, так и в прикладных целях – для улучшения стойкости к коррозии различных узлов и агрегатов механизмов.

Принцип действия установок для нанесения гальванического покрытия лежит в использовании растворов солей элементов, которыми будут покрывать деталь, в качестве электролита.

В гальванике анод также является электродом, к которому подключаются плюсовой вывод источника питания, соответственно катод в этом случае – это минус. При этом металл осаждается (восстанавливается) на минусовом электроде (реакция восстановления). То есть если вы хотите сделать позолоченное кольцо своими руками – подключите к нему минусовой вывод блока питания и поместите в ёмкость с соответствующим раствором.

В электронике

Электроды или ножки полупроводниковых и вакуумных электронных приборов тоже часто называют анодом и катодом. Рассмотрим условное графическое обозначение полупроводникового диода на схеме:

Как мы видим, анод у диода подключается к плюсу батареи. Он так называется по той же причине – в этот вывод у диода в любом случае втекает ток. На реальном элементе на катоде есть маркировка в виде полосы или точки.

У светодиода аналогично. На 5 мм светодиодах внутренности видны через колбу. Та половина, что больше — это катод.

Также обстоит ситуация и с тиристором, назначение выводов и «однополярное» применение этих трёхногих компонентов делают его управляемым диодом:

У вакуумного диода анод тоже подключается к плюсу, а катод к минусу, что изображено на схеме ниже. Хотя при приложении обратного напряжения – названия этих элементов не изменятся, несмотря на протекание электрического тока в обратном направлении, пусть и незначительного.

С пассивными элементами, такими как конденсаторы и резисторы дело обстоит иначе. У резистора не выделяют отдельно катод и анод, ток в нём может протекать в любом направлении. Вы можете дать любые названия его выводам, в зависимости от ситуации и рассматриваемой схемы. У обычных неполярных конденсаторов также. Реже такое разделение по названиям контактов наблюдается в электролитических конденсаторах.

Заключение

Итак, подведем итоги, ответив на вопрос: как запомнить где плюс, где минус у катода с анодом? Есть удобное мнемоническое правило для электролиза, заряда аккумуляторов, гальваники и полупроводниковых приборов. У этих слов с аналогичными названиями одинаковое количество букв, что проиллюстрировано ниже:

Читайте также:  Тампонажный цемент гост 1581 96

Во всех перечисленных случаях ток вытекает из катода, а втекает в анод.

Пусть вас не собьёт с толку путаница: «почему у аккумулятора катод положительный, а когда его заряжают – он становится отрицательным?». Помните у всех элементов электроники, а также электролизеров и в гальванике – в общем у всех потребителей энергии анодом называют вывод, подключаемый к плюсу. На этом отличия заканчиваются, теперь вам проще разобраться что плюс, что минус между выводами элементов и устройств.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Теперь вы знаете, что такое анод и катод, а также как запомнить их достаточно быстро. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Чтобы создавать эффективные электронные схемы с диодами, требуется минимальный объем знаний об их устройстве и принципе работы. Перед началом пайки обязательно необходимо определить, где у этих элементов анод и где катод. Визуального осмотра бывает недостаточно, если электронные элементы приобретены без технической документации или выпаяны из старого оборудования. Для проверки обязательно требуется тестер с различными режимами работы и источник питания с напряжением 3-6 вольт.

Что такое диод

Диодами называют электронные элементы, сопротивление которых меняется в зависимости от направления тока. Если ток подается в одну сторону (плюс на плюс), он проходит легко (диод открыт) благодаря низкому сопротивлению. При изменении направления электротока (минус на плюс) диод закрывается, сопротивление многократно увеличивается, теряется мощность, элемент нагревается. Существуют полупроводниковые элементы, которые блокируют ток до критического значения, потом открываются. Их называют симисторами.

Виды диодов

Все диодные элементы можно разделить на 2 большие группы: неполупроводниковые и полупроводниковые. Первая группа состоит из 2-х видов: вакуумных (кенотронов) и наполненных газом (стабилитронов с тлеющим или коронным разрядом, игнитронов и газотронов).

Вакуумные диоды – лампы с двумя электродами, один из них выполнен в виде нити накаливания. При открытии электроны движутся от плюса к минусу. При изменении направления движения тока прибор почти полностью закрывается, движение электронов прекращается.

Из газонаполненных диодных элементов на данный момент используются лишь газотроны с дуговым разрядом (стабилитроны), наполненные инертным газом и паром ртути и оснащенные оксидными термокатодами. Основная особенность – способность выдать высокое напряжение на выходе и работать с токами в несколько десятков ампер.

Полупроводниковые диоды – это емкости небольшого размера, из которых удален воздух.

Внутри размещаются 2 электрода:

  • плюсовой (с электропроводностью p);
  • минусовой (с электропроводностью n).

Важно! Сопротивление в открытом состоянии зависит от величины прямого напряжения – чем оно выше, тем ниже сопротивление.

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.

Внимание! Продаются готовые диодные мосты (диодные сборки) в виде небольших коробочек с четырьмя ножками.

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).

Справка! Светодиоды, излучающие инфракрасный свет, называются инфракрасными. Их устанавливают в камеры видеонаблюдения, беспроводные системы связи, оборудование для дистанционного управления.

Катод и анод это плюс или минус

Анод (в переводе с древнегреческого – движение вверх) – электрод любого прибора, который присоединен к плюсу источника питания. Катод диода (в переводе с древнегреческого – нисхождение) – электрод любого прибора, который присоединен к минусу источника питания.

Согласно ГОСТ 15596-82:

  • отрицательный электрод при разряде является анодом;
  • положительный электрод при разряде является катодом.

Внимание! При заряде все наоборот – катод – минус, анод – плюс.

Еще Фарадей говорил, что места, в которых в вещество входит и из вещества выходит ток, очень важные, их необходимо отличать от плюса и минуса.

Если движения тока нет, говорить об аноде и катоде бессмысленно.

Электрохимики, проводя электролиз металлов, анодом называют электрод, который окисляется, катодом – электрод, который восстанавливается. Для диодного элемента в открытом состоянии катодом называется вывод, подключенный к минусу, анодом – к плюсу.

Полярность светодиода как определить плюс и минус

При использовании светодиодов в создании различных схем их необходимо установить правильно. Пайка в большинстве случаев проблем не создает, определить полярность немного сложнее, если нет опыта работы с тестирующим оборудованием.

Читайте также:  Holder кронштейны официальный сайт

Как определить полярность тестером мультиметром

Проще всего проверить светодиод мультиметром. При подключении щипов в режиме «прозвонка» к электродам можно получить 2 результата: светодиод светится и выдает на экран число, зависящее от цвета излучения, или показывает очень большое число. При первом варианте можно сделать вывод, что источник света исправен и подключен к мультиметру правильно (плюс к плюсу, минус к минусу).

Второй метод использования мультиметра – переключение на проверку сопротивления. Если красный щуп касается плюса, черный – минуса, на экране появляется значение в пределах 1600–1800.

Внимание! Если светодиод пробит (пропускает напряжение в двух направлениях), на экране появляется цифра «1». При обрыве независимо от расположения щупов на экране появляются очень большое значение сопротивления.

Если у мультиметра есть отсек PNP, для определения полярности светодиода требуются отсеки E (эмиттер – «+») и C (коллектор – «-»). Источник света светится, если катод вставлен в «C», анод – в «E».

Если используется отсек мультиметра NPN, светодиод светиться, если ножки меняются местами.

По внешнему виду

В производстве светодиодов используются разные корпусы. Широко применяются DIP-элементы с цилиндрическим корпусом различного диаметра. Изготавливается множество SMD для поверхностного монтажа. Свехяркие источники света отличаются размерами корпусов и кристаллов. Опытный радиолюбитель определяет катод и анод по внешним признакам.

  • длиннее ножка анода;
  • силуэт в колбе меньше у анода, форма катода напоминает флажок;
  • у источника с мощностью более 1 Вт на ножке анода есть маркировка «+».

Внимание! Если DIP-светодиод уже был установлен в какой-то прибор и выпаян, размеры ножек могут меняться. Плюс и минус определяется по размерам кристалла в колбе или тестированием мультиметром.

  • катод обозначается срезом на корпусе;
  • теплоотвод на обратной стороне корпуса располагается ближе к аноду;
  • пиктограмма «П» к аноду обращена верхней полкой, верх пиктограммы «Т» обращен к катоду.

Некоторые производители наносят на корпуса SMD-светодиодов определенные символы, которые позволяют определить полярность.

Важно! Существуют SMD, изготовленные по другому принципу (некоторые производители не соблюдают стандарты). На сложных моделях всегда имеются обозначения «+» и «−».

Любая неполупроводниковая радиолампа (стабилитрон) состоит из анода, катода и сетки. Катодом всегда служит разогретый электрод, изготовленный в форме цилиндра. Электроны при термоэмиссии двигаются к аноду (коробочке или пластине) – вольфрамовому проводнику с большим сопротивлением.

Для определения работоспособности стабилитрона используется мультиметр в режиме прозвона. Если положительный щуп приложить к аноду, отрицательный – к катоду, стабилитрон откроется, на экране будет видно значение напряжения. Если поменять щупы местами, стабилитрон закроется, на экране появится цифра 1.

Путем подачи питания

Чтобы использовать тестирование с помощью подключения к питанию, требуется источник с напряжением 3-6 В и резистор с любой мощностью на 300–470 Ом. Резистор припаивается к одной ножке мультиметра. Затем нужно коснуться щупами выводов. Светодиод светится, если плюсовой щуп касается анода, минусовой – катода.

Важно! Без резистора можно обойтись, если для тестирования используется батарейка на 3 В от настенных часов или системной платы компьютера. При токе до 30 мА батарейка вставляется между выводами диода. Полярность полупроводника определяется по свечению.

Технической документации

Большой объем информации (размеры, цоколевку, электрические параметры) о полупроводниковом источнике света предоставляют производители в технической документации. Она выдается при покупке больших партий электронных элементов вместе с другой сопроводительной документацией. Если покупать один или несколько светодиодов, продавец техдокументацию не предоставит.

Если известна марка изделия, данные можно найти в справочниках и сети интернет.

На схеме полупроводниковый источник света обозначается пиктограммой в форме треугольника, на вершине которого начерчена линия, перпендикулярная основанию. Вершина направлена на катод. Для обозначения светодиода используются 2 стрелки над изображением.

Основные выводы

То, что у любого диодного элемента есть анод и катод, знает большинство людей, показать их способны немногие. Зная все способы проверки, можно применять их по отдельности или комбинировать, так как ни один не идеален. Техническая документация и визуальный осмотр не позволяют определить работоспособность полупроводника. Тестер не всегда можно использовать для прозвона мощных источников света. Подключение к питанию дает самые точные результаты, но требует осторожности.

Чтобы лучше запомнить, как определить расположение диодного элемента по схеме, придуман простой способ:

Кроме букв на изображении можно увидеть стрелки, ток течет именно туда, куда они направлены.

Током называется движение частиц в определенном направлении. Какие это частицы (молекулы, атомы, электроны, ионы, дырки), неважно. Важно знать другое – ток всегда течет от плюса к минусу. Плюс – это много, минус – мало.

Если для тестирования используется батарейка, необходимо знать, как на ней обозначается плюс и минус. Плюс – длинная и тонкая «палочка», минус – кроткая и толстая.

Анод полупроводника подключается к выводу, обозначенному длинной толстой «палочкой», катод – к выводу с короткой толстой. В анод ток входит, из катода выходит и возвращается на минус источника питания. При обратном подключении тока почти нет.

Если один из выводов полупроводника подключается к источнику переменного напряжения, из другого выходит ток с постоянным напряжением. Полярность зависит от того, как полупроводниковый элемент подключен. Если напряжение на аноде положительное, на выходе будет такое же. При положительном напряжении на катоде на выходе оно отрицательное.

Читайте также:  Оформление дачного дома в собственность 2018 пошаговая

Часто возникает проблема определения, какой из электродов является катодом, а какой — анодом. Для начала нужно разобраться с терминами.

Понятие катода и анода — простое объяснение

В сложных веществах электроны между атомами в соединениях распределены неодинаково. В результате взаимодействия частицы перемещаются от атома одного вещества к атому другого. Реакция именуется окислительно-восстановительной. Потеря электронов называется окислением, элемент, отдающий электроны — восстановителем.

Присоединение электронов носит название восстановление, принимающий элемент в этом процессе — окислитель. Переход электронов от восстановителя к окислителю может протекать по внешней цепи, и тогда его можно использовать в качестве источника электрической энергии. Устройства, в которых энергия химической реакции превращается в электрическую энергию, называются гальваническими элементами.

Простейший классический пример гальванического элемента — две пластины, изготовленные из различного металла и погруженные в раствор электролита. В такой системе окисление происходит на одном металле, а восстановление — на другом.

ВАЖНО! Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. Электрод, на котором протекает восстановление — катодом.

Из школьных учебников химии известен пример медно-цинкового гальванического элемента, работающего за счет энергии реакции между цинком и сульфатом меди. В устройстве Якоби — Даниэля пластина из меди помещена в раствор сульфата меди (медный электрод), цинковая пластина погружена в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Цинковый электрод отдает катионы в раствор, создавая в нем избыточный положительный заряд, а у медного электрода раствор обедняется катионами, здесь раствор заряжен отрицательно.

Замыкание внешней цепи заставляет электроны перетекать от цинкового электрода к медному. Равновесные отношения на границах фаз прерываются. Идёт окислительно-восстановительная реакция.

Энергия самопроизвольно протекающей химической реакции превращается в электрическую.

Если химическую реакцию провоцирует внешняя энергия электрического тока, идёт процесс, называемый электролизом. Процессы, протекающие при электролизе, обратны процессам, протекающим при работе гальванического элемента.

ВНИМАНИЕ! Электрод, на котором происходит восстановление, также называется катодом, но при электролизе он заряжен отрицательно, а анод — положительно.

Применение в электрохимии

Аноды и катоды принимают участие во многих химических реакциях:

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

Электролизом расплавленных соединений и водных растворов получают металлы, производят очистку металлов от примесей и извлечение ценных компонентов (электролитическое рафинирование). Из металла, подлежащего очистке, отливают пластины. Они помещаются в качестве анодов в электролизер. Под воздействием электрического тока металл подвергается растворению. Его катионы переходят в раствор и разряжаются на катоде, образуя осадок чистого металла. Примеси, содержащиеся в первоначальной неочищенной металлической пластине, либо остаются нерастворимыми в виде анодного шлама, либо переходят в электролите, откуда удаляются. Электролитическому рафинированию подвергают медь, никель, свинец, золото, серебро, олово.

Электроэкстракция — процесс выделения металла из раствора в ходе электролиза. Для того чтобы металл перешёл в раствор, его обрабатывают специальными реагентами. В ходе процесса на катоде происходит выделение металла, характеризующегося высокой чистотой. Так получают цинк, медь, кадмий.

Чтобы избежать коррозии, придать прочность, украсить изделие поверхность одного металла покрывают слоем другого. Этот процесс называется гальваностегией.

Гальванопластика — процесс получения металлических копий с объёмных предметов электроосаждением металла.

Применение в вакуумных электронных приборах

Принцип действия катода и анода в вакуумном приборе может продемонстрировать электронная лампа. Она выглядит как герметически запаянный сосуд с металлическими деталями внутри. Прибор используется для выпрямления, генерирования и преобразования электрических сигналов. По числу электродов выделяют:

Диод — вакуумный прибор с двумя электродами, катодом и анодом. Катод подключен к отрицательному полюсу источника питания, анод — к положительному. Предназначение катода — испускать электроны под действием нагрева электрическим током до определенной температуры. Посредством испущенных электронов создается пространственный заряд между катодом и анодом. Самые быстрые электроны устремляются к аноду, преодолевая отрицательный потенциальный барьер объемного заряда. Анод принимает эти частицы. Создается анодный ток во внешней цепи. Электронным потоком управляют с помощью дополнительных электродов, подавая на них электрический потенциал. Посредством диодов переменный ток преобразуется в постоянный.

Применение в электронике

Сегодня используется полупроводниковые типы диодов.

В электронике широко используется свойство диодов пропускать ток в прямом направлении и не пропускать в обратном.

Работа светодиода основана на свойстве кристаллов полупроводников светиться при пропускании через p-n переход тока в прямом направлении.

Гальванические источники постоянного тока — аккумуляторы

Химические источники электрического тока, в которых протекают обратимые реакции, называются аккумуляторами: их перезаряжают и используют многократно.

При работе свинцового аккумулятора происходит окислительно-восстановительная реакция. Металлический свинец окисляется, отдает свои электроны, восстанавливая диоксид свинца, принимающего электроны. Металлический свинец в аккумуляторе — анод, он заряжен отрицательно. Диоксид свинца — катод и заряжен положительно.

По мере разряда аккумулятора расходуются вещества катода и анода и их электролита, серной кислоты. Чтобы зарядить аккумулятор, его подключают к источнику тока (плюсом к плюсу, минусом к минусу). Направление тока теперь обратное тому, какое было при разряде аккумулятора. Электрохимические процессы на электродах «обращаются». Теперь свинцовый электрод становится катодом, на нем проходит процесс восстановления, а диоксид свинца — анодом, с протекающей процедурой окисления. В аккумуляторе вновь создаются вещества, необходимые для его работы.

ПОДЕЛИТЬСЯ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here