Cátodo - Cathode
Un cátodo es el electrodo del que sale una corriente convencional de un dispositivo eléctrico polarizado. Esta definición se puede recordar utilizando el CCD mnemónico para salidas de corriente de cátodo . Una corriente convencional describe la dirección en la que se mueven las cargas positivas. Los electrones tienen una carga eléctrica negativa, por lo que el movimiento de los electrones es opuesto al del flujo de corriente convencional. En consecuencia, la corriente del cátodo mnemónico también significa que los electrones fluyen hacia el cátodo del dispositivo desde el circuito externo.
El electrodo a través del cual la corriente convencional fluye en sentido contrario, hacia el dispositivo, se denomina ánodo .
Flujo de carga
La corriente convencional fluye desde el cátodo al ánodo fuera de la celda o dispositivo (con electrones moviéndose en la dirección opuesta), sin importar el tipo de celda o dispositivo y el modo de operación.
La polaridad del cátodo con respecto al ánodo puede ser positiva o negativa dependiendo de cómo se opere el dispositivo. Los cationes cargados positivamente siempre se mueven hacia el cátodo y los aniones cargados negativamente se mueven hacia el ánodo, aunque la polaridad del cátodo depende del tipo de dispositivo, e incluso puede variar según el modo de funcionamiento. En un dispositivo que absorbe energía de carga (como recargar una batería), el cátodo es negativo (los electrones fluyen fuera del cátodo y la carga positiva fluye hacia él) y en un dispositivo que proporciona energía (como una batería en uso) , el cátodo es positivo (los electrones fluyen hacia él y la carga fluye hacia afuera): una batería o celda galvánica en uso tiene un cátodo que es el terminal positivo ya que ahí es donde la corriente fluye hacia afuera del dispositivo. Esta corriente de salida es transportada internamente por iones positivos que se mueven desde el electrolito al cátodo positivo (la energía química es responsable de este movimiento "cuesta arriba"). Continúa externamente mediante electrones que se mueven hacia la batería, lo que constituye una corriente positiva que fluye hacia afuera. Por ejemplo, el electrodo de cobre de la celda galvánica Daniell es el terminal positivo y el cátodo. Una batería que se está recargando o una celda electrolítica que realiza la electrólisis tiene su cátodo como terminal negativo, desde el cual la corriente sale del dispositivo y regresa al generador externo cuando la carga ingresa a la batería / celda. Por ejemplo, invertir la dirección de la corriente en una celda galvánica Daniell la convierte en una celda electrolítica donde el electrodo de cobre es el terminal positivo y también el ánodo . En un diodo , el cátodo es el terminal negativo en el extremo puntiagudo del símbolo de flecha, donde la corriente fluye fuera del dispositivo. Nota: la denominación de electrodos para diodos siempre se basa en la dirección de la corriente directa (la de la flecha, en la que la corriente fluye "más fácilmente"), incluso para tipos como diodos Zener o células solares donde la corriente de interés es la corriente inversa. En los tubos de vacío (incluidos los tubos de rayos catódicos ), es el terminal negativo donde los electrones ingresan al dispositivo desde el circuito externo y avanzan hacia el casi vacío del tubo, lo que constituye una corriente positiva que fluye fuera del dispositivo.
Etimología
La palabra fue acuñada en 1834 del griego κάθοδος ( kathodos ), 'descenso' o 'camino hacia abajo', por William Whewell , a quien Michael Faraday había consultado sobre algunos nombres nuevos necesarios para completar un artículo sobre el proceso de electrólisis recientemente descubierto. . En ese trabajo Faraday explicó que cuando una celda electrolítica se orienta de manera que la corriente eléctrica atraviese el "cuerpo en descomposición" (electrolito) en una dirección "de Este a Oeste, o, lo que fortalecerá esta ayuda a la memoria, aquella en la que el sol parece moverse ", el cátodo es donde la corriente deja el electrolito, en el lado oeste:" kata hacia abajo, `odos un camino; el camino por el que se pone el sol".
El uso de 'Oeste' para referirse a la dirección 'afuera' (en realidad 'afuera' → 'Oeste' → 'atardecer' → 'abajo', es decir, 'fuera de la vista') puede parecer innecesariamente artificial. Anteriormente, como se relata en la primera referencia citada anteriormente, Faraday había utilizado el término más sencillo "exudado" (la puerta por donde sale la corriente). Su motivación para cambiarlo a algo que significara 'el electrodo de Oeste' (otros candidatos habían sido "westode", "occiode" y "dysiode") fue hacerlo inmune a un posible cambio posterior en la convención de dirección de la corriente , cuya naturaleza exacta no se conocía en ese momento. La referencia que usó a este efecto fue la dirección del campo magnético de la Tierra , que en ese momento se creía invariable. Fundamentalmente, definió su orientación arbitraria para la celda como aquella en la que la corriente interna correría paralela y en la misma dirección que un bucle de corriente magnetizante hipotético alrededor de la línea de latitud local que induciría un campo dipolo magnético orientado como el de la Tierra. Esto hizo que la corriente interna de Este a Oeste como se mencionó anteriormente, pero en el caso de un cambio de convención posterior se habría convertido de Oeste a Este, de modo que el electrodo de Oeste ya no habría sido la 'salida'. Por lo tanto, "exode" se habría vuelto inapropiado, mientras que "cátodo", que significa "electrodo oeste", habría permanecido correcto con respecto a la dirección sin cambios del fenómeno real subyacente a la corriente, entonces desconocido pero, pensó, definido sin ambigüedades por la referencia magnética. . En retrospectiva, el cambio de nombre fue desafortunado, no solo porque las raíces griegas por sí solas ya no revelan la función del cátodo, sino, lo que es más importante, porque, como sabemos ahora, la dirección del campo magnético de la Tierra en la que se basa el término "cátodo" está sujeta a a reversiones, mientras que la convención de dirección actual en la que se basó el término "exudado" no tiene ninguna razón para cambiar en el futuro.
Desde el descubrimiento posterior del electrón , una etimología más fácil de recordar y más duradera técnicamente correcta (aunque históricamente falsa), se ha sugerido: cátodo, del griego kathodos , 'camino hacia abajo', 'el camino (hacia abajo) hacia la célula (u otro dispositivo) para electrones '.
En Quimica
En química , un cátodo es el electrodo de una celda electroquímica en la que se produce la reducción ; un mnemónico útil para recordar esto es AnOx RedCat (Oxidación en el ánodo = Reducción en el cátodo). Otro mnemónico es notar que el cátodo tiene una 'c', al igual que la 'reducción'. Por tanto, reducción en el cátodo. Tal vez lo más útil sería recordar gato corresponde a Hode gato de iones (aceptor) y una oda corresponde a un ión (donante). El cátodo puede ser negativo, como cuando la celda es electrolítica (donde la energía eléctrica proporcionada a la celda se utiliza para descomponer compuestos químicos); o positivo como cuando la celda es galvánica (donde se utilizan reacciones químicas para generar energía eléctrica). El cátodo suministra electrones a los cationes cargados positivamente que fluyen hacia él desde el electrolito (incluso si la celda es galvánica, es decir, cuando el cátodo es positivo y, por lo tanto, se esperaría que repele los cationes cargados positivamente; esto se debe al potencial relativo del electrodo a que la solución de electrolito es diferente para los sistemas de ánodo y cátodo metal / electrolito en una celda galvánica ).
La corriente catódica , en electroquímica , es el flujo de electrones desde la interfaz del cátodo a una especie en solución. La corriente anódica es el flujo de electrones hacia el ánodo desde una especie en solución.
Celda electrolítica
En una celda electrolítica , el cátodo es donde se aplica la polaridad negativa para impulsar la celda. Los resultados comunes de la reducción en el cátodo son gas hidrógeno o metal puro a partir de iones metálicos. Cuando se habla del poder reductor relativo de dos agentes redox, se dice que el par para generar las especies más reductoras es más "catódico" con respecto al reactivo que se reduce más fácilmente.
Célula galvánica
En una celda galvánica , el cátodo es donde se conecta el polo positivo para permitir que se complete el circuito: a medida que el ánodo de la celda galvánica emite electrones, estos regresan del circuito a la celda a través del cátodo.
Cátodo metálico de galvanoplastia (electrólisis)
Cuando los iones metálicos se reducen de la solución iónica, forman una superficie de metal puro en el cátodo. Los elementos que se van a recubrir con metal puro se adhieren y pasan a formar parte del cátodo en la solución electrolítica.
En electrónica
Tubos de vacio
En un tubo de vacío o un sistema de vacío electrónico, el cátodo es una superficie metálica que emite electrones libres al espacio evacuado. Dado que los electrones son atraídos por los núcleos positivos de los átomos del metal, normalmente permanecen dentro del metal y requieren energía para salir de él; esto se llama función de trabajo del metal. Los cátodos son inducidos a emitir electrones por varios mecanismos:
- Emisión termoiónica : el cátodo se puede calentar. El aumento del movimiento térmico de los átomos metálicos "golpea" los electrones fuera de la superficie, un efecto llamado emisión termoiónica. Esta técnica se utiliza en la mayoría de los tubos de vacío.
- Emisión de electrones de campo :se puede aplicar un campo eléctrico fuertea la superficie colocando un electrodo con un voltaje positivo alto cerca del cátodo. El electrodo cargado positivamente atrae los electrones, lo que hace que algunos electrones abandonen la superficie del cátodo. Este proceso se utiliza en cátodos fríos en algunos microscopios electrónicos y en la fabricación de microelectrónica,
- Emisión secundaria : un electrón, átomo o molécula que choca con la superficie del cátodo con suficiente energía puede expulsar electrones de la superficie. Estos electrones se denominan electrones secundarios . Este mecanismo se utiliza en lámparas de descarga de gas como las lámparas de neón .
- Emisión fotoeléctrica : los electrones también pueden ser emitidos por los electrodos de ciertos metales cuandocae sobre ellosluz de frecuencia mayor que la frecuencia umbral. Este efecto se denomina emisión fotoeléctrica y los electrones producidos se denominan fotoelectrones . Este efecto se utiliza en fototubos ytubos intensificadores de imagen .
Los cátodos se pueden dividir en dos tipos:
Cátodo caliente
Un cátodo caliente es un cátodo que se calienta mediante un filamento para producir electrones por emisión termoiónica . El filamento es un alambre delgado de un metal refractario como el tungsteno calentado al rojo vivo por una corriente eléctrica que lo atraviesa. Antes de la llegada de los transistores en la década de 1960, prácticamente todos los equipos electrónicos utilizaban tubos de vacío de cátodo caliente . Hoy en día, los cátodos calientes se utilizan en tubos de vacío en transmisores de radio y hornos microondas, para producir los haces de electrones en televisores y monitores de computadora de tipo tubo de rayos catódicos (CRT) más antiguos , en generadores de rayos X , microscopios electrónicos y tubos fluorescentes .
Hay dos tipos de cátodos calientes:
- Cátodo calentado directamente : en este tipo, el filamento en sí es el cátodo y emite los electrones directamente. Los cátodos calentados directamente se usaron en los primeros tubos de vacío, pero hoy en día solo se usan en tubos fluorescentes , algunos tubos de vacío de transmisión grandes y todos los tubos de rayos X.
- Cátodo calentado indirectamente : en este tipo, el filamento no es el cátodo, sino que calienta el cátodo que luego emite electrones. Actualmente, en la mayoría de los dispositivos se utilizan cátodos calentados indirectamente. Por ejemplo, en la mayoría de los tubos de vacío, el cátodo es un tubo de níquel con el filamento en su interior, y el calor del filamento hace que la superficie exterior del tubo emita electrones. El filamento de un cátodo calentado indirectamente generalmente se llama calentador . La razón principal para usar un cátodo calentado indirectamente es aislar el resto del tubo de vacío del potencial eléctrico a través del filamento. Muchos tubos de vacío utilizan corriente alterna para calentar el filamento. En un tubo en el que el propio filamento era el cátodo, el campo eléctrico alterno de la superficie del filamento afectaría el movimiento de los electrones e introduciría zumbidos en la salida del tubo. También permite que los filamentos de todos los tubos de un dispositivo electrónico se unan y se suministren desde la misma fuente de corriente, aunque los cátodos que calientan pueden tener diferentes potenciales.
Para mejorar la emisión de electrones, los cátodos se tratan con productos químicos, generalmente compuestos de metales con una función de trabajo baja . Los cátodos tratados requieren menos superficie, temperaturas más bajas y menos energía para suministrar la misma corriente catódica. Los filamentos de tungsteno sin tratar utilizados en los primeros tubos (llamados "emisores brillantes") tenían que calentarse a 1400 ° C (~ 2500 ° F), al rojo vivo, para producir suficiente emisión termoiónica para su uso, mientras que los cátodos revestidos modernos producen muchos más electrones. a una temperatura determinada, por lo que solo deben calentarse a 425–600 ° C (~ 800–1100 ° F) () Hay dos tipos principales de cátodos tratados:
- Cátodo recubierto: en estos, el cátodo está cubierto con una capa de óxidos de metales alcalinos , a menudo óxido de bario y estroncio . Se utilizan en válvulas de baja potencia.
- Tungsteno toriado: en los tubos de alta potencia, el bombardeo de iones puede destruir el recubrimiento de un cátodo recubierto. En estos tubos se utiliza un cátodo calentado directamente que consiste en un filamento hecho de tungsteno que incorpora una pequeña cantidad de torio . La capa de torio en la superficie que reduce la función de trabajo del cátodo se repone continuamente a medida que se pierde por difusión de torio desde el interior del metal.
Cátodo frío
Este es un cátodo que no se calienta con un filamento. Pueden emitir electrones por emisión de campo de electrones y en tubos llenos de gas por emisión secundaria . Algunos ejemplos son los electrodos en las luces de neón , las lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) que se utilizan como luces de fondo en las computadoras portátiles, los tubos de thyratron y los tubos de Crookes . No funcionan necesariamente a temperatura ambiente; en algunos dispositivos, el cátodo se calienta mediante la corriente de electrones que lo atraviesa hasta una temperatura a la que se produce la emisión termoiónica . Por ejemplo, en algunos tubos fluorescentes se aplica un alto voltaje momentáneo a los electrodos para iniciar la corriente a través del tubo; después de arrancar, los electrodos se calientan lo suficiente con la corriente para seguir emitiendo electrones para sostener la descarga.
Los cátodos fríos también pueden emitir electrones por emisión fotoeléctrica . Estos a menudo se denominan fotocátodos y se utilizan en fototubos utilizados en instrumentos científicos y tubos intensificadores de imagen utilizados en gafas de visión nocturna.
Diodos
En un diodo semiconductor , el cátodo es la capa N-dopada de la unión PN con una alta densidad de electrones libres debido al dopaje y una densidad igual de cargas positivas fijas, que son los dopantes que han sido ionizados térmicamente. En el ánodo, se aplica lo contrario: presenta una alta densidad de "agujeros" libres y, en consecuencia, dopantes negativos fijos que han capturado un electrón (de ahí el origen de los agujeros).
Cuando las capas dopadas con P y N se crean adyacentes entre sí, la difusión asegura que los electrones fluyan desde áreas de alta a baja densidad: es decir, desde el lado N hacia el P. Dejan atrás los dopantes fijos cargados positivamente cerca del cruce. De manera similar, los agujeros se difunden de P a N dejando dopantes ionizados negativos fijos cerca de la unión. Estas capas de cargas fijas positivas y negativas se conocen colectivamente como la capa de agotamiento porque están agotadas de electrones libres y huecos. La capa de agotamiento en la unión está en el origen de las propiedades rectificadoras del diodo. Esto se debe al campo interno resultante y la barrera de potencial correspondiente que inhibe el flujo de corriente en la polarización aplicada inversa que aumenta el campo de la capa de agotamiento interno. Por el contrario, lo permiten en el sesgo aplicado hacia adelante donde el sesgo aplicado reduce la barrera potencial incorporada.
Los elec- tipo de portador minoritario de por vida. De manera similar, los huecos que se difunden en la capa dopada con N se convierten en portadores minoritarios y tienden a recombinarse con electrones. En equilibrio, sin polarización aplicada, la difusión asistida térmicamente de electrones y agujeros en direcciones opuestas a través de la capa de agotamiento asegura una corriente neta cero con electrones fluyendo de cátodo a ánodo y recombinando, y agujeros fluyendo de ánodo a cátodo a través de la unión o capa de agotamiento. y recombinación.
Como un diodo típico, hay un ánodo y un cátodo fijos en un diodo Zener, pero conducirá la corriente en la dirección inversa (los electrones fluyen del ánodo al cátodo) si se excede su voltaje de ruptura o "voltaje Zener".