Cátodo - Cathode
Um cátodo é o eletrodo do qual uma corrente convencional sai de um dispositivo elétrico polarizado. Esta definição pode ser recuperada usando o CCD mnemônico para partidas de corrente catódica . Uma corrente convencional descreve a direção em que as cargas positivas se movem. Os elétrons têm carga elétrica negativa, então o movimento dos elétrons é oposto ao do fluxo de corrente convencional. Consequentemente, a corrente catódica mnemônica se afasta também significa que os elétrons fluem para o catodo do dispositivo a partir do circuito externo.
O eletrodo através do qual a corrente convencional flui na direção oposta, para o dispositivo, é denominado ânodo .
Fluxo de carga
A corrente convencional flui do cátodo para o ânodo fora da célula ou dispositivo (com os elétrons se movendo na direção oposta), independentemente do tipo de célula ou dispositivo e modo de operação.
A polaridade do cátodo em relação ao ânodo pode ser positiva ou negativa, dependendo de como o dispositivo está sendo operado. Os cátions com carga positiva sempre se movem em direção ao cátodo e os ânions com carga negativa se movem em direção ao ânodo, embora a polaridade do cátodo dependa do tipo de dispositivo, podendo até variar de acordo com o modo de operação. Em um dispositivo que absorve energia de carga (como recarregar uma bateria), o cátodo é negativo (elétrons fluem para fora do cátodo e carga positiva flui para dentro dele) e em um dispositivo que fornece energia (como bateria em uso) , o cátodo é positivo (os elétrons fluem para dentro dele e a carga flui para fora): uma bateria ou célula galvânica em uso tem um cátodo que é o terminal positivo, pois é por onde a corrente flui para fora do dispositivo. Essa corrente de saída é transportada internamente por íons positivos que se movem do eletrólito para o cátodo positivo (a energia química é responsável por esse movimento "para cima"). É continuado externamente por elétrons movendo-se para dentro da bateria, que constitui uma corrente positiva fluindo para fora. Por exemplo, o eletrodo de cobre da célula galvânica de Daniell é o terminal positivo e o cátodo. Uma bateria que está recarregando ou uma célula eletrolítica realizando eletrólise tem seu cátodo como terminal negativo, de onde a corrente sai do dispositivo e retorna ao gerador externo quando a carga entra na bateria / célula. Por exemplo, inverter a direção da corrente em uma célula galvânica Daniell a converte em uma célula eletrolítica onde o eletrodo de cobre é o terminal positivo e também o ânodo . Em um diodo , o cátodo é o terminal negativo na extremidade pontiaguda do símbolo de seta, onde a corrente flui para fora do dispositivo. Nota: a nomenclatura dos eletrodos para diodos é sempre baseada na direção da corrente direta (aquela da seta, em que a corrente flui "mais facilmente"), mesmo para tipos como diodos Zener ou células solares onde a corrente de interesse é o corrente inversa. Em tubos de vácuo (incluindo tubos de raios catódicos ), é o terminal negativo onde os elétrons entram no dispositivo a partir do circuito externo e seguem para o quase vácuo do tubo, constituindo uma corrente positiva fluindo para fora do dispositivo.
Etimologia
A palavra foi cunhada em 1834 a partir do grego κάθοδος ( kathodos ), 'descida' ou 'caminho para baixo', por William Whewell , que havia sido consultado por Michael Faraday sobre alguns novos nomes necessários para completar um artigo sobre o recém-descoberto processo de eletrólise . Nesse artigo Faraday explicava que quando uma célula eletrolítica é orientada para que a corrente elétrica atravesse o "corpo em decomposição" (eletrólito) em uma direção "de Leste para Oeste, ou seja, o que fortalecerá esta ajuda à memória, aquela em que o sol parece se mover ", o cátodo é por onde a corrente sai do eletrólito, no lado oeste:" kata para baixo, `odos um caminho; o caminho que o sol se põe".
O uso de 'Oeste' para significar a direção 'fora' (na verdade 'fora' → 'Oeste' → 'pôr do sol' → 'para baixo', ou seja, 'fora da vista') pode parecer desnecessariamente planejado. Anteriormente, conforme relatado na primeira referência citada acima, Faraday havia usado o termo mais direto "exode" (a porta por onde sai a corrente). Sua motivação para mudá-lo para algo que significasse 'o eletrodo oeste' (outros candidatos eram "westode", "occiode" e "disiode") foi torná-lo imune a uma possível mudança posterior na convenção de direção para a corrente , cuja natureza exata não era conhecido na época. A referência que ele usou para esse efeito foi a direção do campo magnético da Terra , que na época se acreditava ser invariável. Ele definiu fundamentalmente sua orientação arbitrária para a célula como sendo aquela em que a corrente interna correria paralela e na mesma direção que um hipotético loop de corrente magnetizante em torno da linha local de latitude que induziria um campo dipolo magnético orientado como o da Terra. Isso fez com que a corrente interna de Leste para Oeste, como mencionado anteriormente, mas no caso de uma alteração posterior da convenção, ela teria se tornado de Oeste para Leste, de modo que o eletrodo de Oeste não seria mais a "saída". Portanto, "exodo" teria se tornado inapropriado, enquanto "cátodo", significando 'eletrodo oeste', teria permanecido correto com relação à direção inalterada do fenômeno real subjacente à corrente, então desconhecido, mas, ele pensou, inequivocamente definido pela referência magnética . Em retrospecto, a mudança de nome foi lamentável, não apenas porque as raízes gregas por si só não revelam a função do cátodo, mas mais importante porque, como sabemos agora, a direção do campo magnético da Terra na qual o termo "cátodo" se baseia está sujeita para reversões, enquanto a convenção de direção atual na qual o termo "exode" foi baseado não tem razão para mudar no futuro.
Desde a descoberta posterior do elétron , uma etimologia mais fácil de lembrar e mais duramente tecnicamente correta (embora historicamente falsa), foi sugerida: cátodo, do grego kathodos , 'caminho para baixo', 'caminho (para baixo) dentro da célula (ou outro dispositivo) para elétrons '.
Em quimica
Em química , um cátodo é o eletrodo de uma célula eletroquímica na qual ocorre a redução ; um mnemônico útil para lembrar isso é AnOx RedCat (oxidação no ânodo = redução no cátodo). Outro mnemônico é notar que o cátodo tem um 'c', assim como a 'redução'. Conseqüentemente, redução no cátodo. Talvez o mais útil seja lembrar que cat hode corresponde a cat ion (aceitador) e uma ode corresponde a um íon (doador). O cátodo pode ser negativo como quando a célula é eletrolítica (onde a energia elétrica fornecida à célula está sendo usada para decompor compostos químicos); ou positivo como quando a célula é galvânica (onde reações químicas são usadas para gerar energia elétrica). O cátodo fornece elétrons para os cátions carregados positivamente que fluem para ele do eletrólito (mesmo se a célula for galvânica, ou seja, quando o cátodo é positivo e, portanto, seria esperado que repelisse os cátions carregados positivamente; isso é devido ao potencial relativo do eletrodo para a solução de eletrólito sendo diferente para os sistemas de ânodo e catodo metal / eletrólito em uma célula galvânica ).
A corrente catódica , em eletroquímica , é o fluxo de elétrons da interface do cátodo para uma espécie em solução. A corrente anódica é o fluxo de elétrons para o ânodo de uma espécie em solução.
Célula eletrolítica
Em uma célula eletrolítica , o cátodo é onde a polaridade negativa é aplicada para conduzir a célula. Os resultados comuns de redução no cátodo são gás hidrogênio ou metal puro de íons metálicos. Ao discutir o poder de redução relativo de dois agentes redox, o par para gerar as espécies mais redutoras é dito ser mais "catódico" em relação ao reagente mais facilmente reduzido.
Célula galvânica
Em uma célula galvânica , o cátodo é onde o pólo positivo é conectado para permitir que o circuito seja concluído: como o ânodo da célula galvânica emite elétrons, eles retornam do circuito para a célula através do cátodo.
Catodo de metal em galvanoplastia (eletrólise)
Quando os íons metálicos são reduzidos da solução iônica, eles formam uma superfície de metal puro no cátodo. Os itens a serem revestidos com metal puro são fixados e tornam-se parte do cátodo na solução eletrolítica.
Em eletronica
Tubos a vácuo
Em um tubo de vácuo ou sistema de vácuo eletrônico, o cátodo é uma superfície de metal que emite elétrons livres para o espaço evacuado. Como os elétrons são atraídos pelos núcleos positivos dos átomos do metal, eles normalmente ficam dentro do metal e requerem energia para sair; isso é chamado de função de trabalho do metal. Os cátodos são induzidos a emitir elétrons por vários mecanismos:
- Emissão termiônica : O cátodo pode ser aquecido. O aumento do movimento térmico dos átomos de metal "tira" os elétrons da superfície, um efeito denominado emissão termiônica. Esta técnica é usada na maioria dos tubos de vácuo.
- Emissão de elétrons de campo : Um forte campo elétrico pode ser aplicado à superfície colocando um eletrodo com uma alta tensão positiva perto do cátodo. O eletrodo carregado positivamente atrai os elétrons, fazendo com que alguns elétrons deixem a superfície do cátodo. Este processo é usado em cátodos frios em alguns microscópios eletrônicos e na fabricação de microeletrônica,
- Emissão secundária : Um elétron, átomo ou molécula colidindo com a superfície do cátodo com energia suficiente pode expulsar os elétrons da superfície. Esses elétrons são chamados de elétrons secundários . Esse mecanismo é usado em lâmpadas de descarga de gás , como lâmpadas de néon .
- Emissão fotoelétrica : elétrons também podem ser emitidos dos eletrodos de certos metais quando uma luz de frequência maior do que a frequência limite incide sobre eles. Esse efeito é chamado de emissão fotoelétrica e os elétrons produzidos são chamados de fotoelétrons . Este efeito é utilizado em fototubos etubos intensificadores de imagem .
Os cátodos podem ser divididos em dois tipos:
Cátodo quente
Um cátodo quente é um cátodo que é aquecido por um filamento para produzir elétrons por emissão termiônica . O filamento é um fio fino de um metal refratário como o tungstênio aquecido em brasa por uma corrente elétrica que passa por ele. Antes do advento dos transistores na década de 1960, praticamente todos os equipamentos eletrônicos usavam tubos a vácuo de cátodo quente . Hoje, os cátodos quentes são usados em tubos de vácuo em transmissores de rádio e fornos de micro-ondas, para produzir os feixes de elétrons em televisores e monitores de computador mais antigos do tipo tubo de raios catódicos (CRT), em geradores de raios-x , microscópios eletrônicos e tubos fluorescentes .
Existem dois tipos de cátodos quentes:
- Cátodo aquecido diretamente : neste tipo, o próprio filamento é o cátodo e emite os elétrons diretamente. Catodos aquecidos diretamente foram usados nos primeiros tubos de vácuo, mas hoje eles são usados apenas em tubos fluorescentes , alguns grandes tubos de transmissão de vácuo e todos os tubos de raios-X.
- Cátodo aquecido indiretamente : neste tipo, o filamento não é o cátodo, mas aquece o cátodo que então emite elétrons. Catodos aquecidos indiretamente são usados na maioria dos dispositivos hoje. Por exemplo, na maioria dos tubos de vácuo, o cátodo é um tubo de níquel com o filamento dentro dele, e o calor do filamento faz com que a superfície externa do tubo emita elétrons. O filamento de um cátodo aquecido indiretamente é geralmente chamado de aquecedor . A principal razão para usar um cátodo aquecido indiretamente é isolar o resto do tubo de vácuo do potencial elétrico através do filamento. Muitos tubos de vácuo usam corrente alternada para aquecer o filamento. Em um tubo no qual o próprio filamento era o cátodo, o campo elétrico alternado da superfície do filamento afetaria o movimento dos elétrons e introduziria hum na saída do tubo. Também permite que os filamentos em todos os tubos de um dispositivo eletrônico sejam amarrados e alimentados pela mesma fonte de corrente, mesmo que os cátodos que eles aquecem possam estar em potenciais diferentes.
Para melhorar a emissão de elétrons, os cátodos são tratados com produtos químicos, geralmente compostos de metais com baixa função de trabalho . Os cátodos tratados requerem menos área de superfície, temperaturas mais baixas e menos energia para fornecer a mesma corrente de cátodo. Os filamentos de tungstênio não tratados usados nos primeiros tubos (chamados de "emissores brilhantes") tiveram que ser aquecidos a 1400 ° C (~ 2500 ° F), branco-quente, para produzir emissão termiônica suficiente para uso, enquanto os cátodos revestidos modernos produzem muito mais elétrons a uma determinada temperatura, de modo que eles só precisam ser aquecidos a 425–600 ° C (~ 800–1100 ° F) (). Existem dois tipos principais de cátodos tratados:
- Cátodo revestido - Nestes, o cátodo é coberto com um revestimento de óxidos de metais alcalinos , frequentemente óxido de bário e estrôncio . Eles são usados em válvulas de baixa potência.
- Tungstênio de Thoriated - Em tubos de alta potência, o bombardeio de íons pode destruir o revestimento em um cátodo revestido. Nestes tubos, um cátodo aquecido diretamente consistindo de um filamento feito de tungstênio incorporando uma pequena quantidade de tório é usado. A camada de tório na superfície que reduz a função de trabalho do cátodo é continuamente reabastecida à medida que é perdida pela difusão do tório do interior do metal.
Cátodo frio
Este é um cátodo que não é aquecido por um filamento. Eles podem emitir elétrons por emissão de elétrons de campo e em tubos cheios de gás por emissão secundária . Alguns exemplos são eletrodos em luzes de néon , lâmpadas fluorescentes de cátodo frio (CCFLs) usadas como luz de fundo em laptops, tubos de tiratron e tubos de Crookes . Eles não funcionam necessariamente à temperatura ambiente; em alguns dispositivos, o cátodo é aquecido pela corrente de elétrons que flui através dele até uma temperatura na qual ocorre a emissão termiônica . Por exemplo, em alguns tubos fluorescentes, uma alta tensão momentânea é aplicada aos eletrodos para iniciar a corrente através do tubo; após o início, os eletrodos são aquecidos o suficiente pela corrente para continuar emitindo elétrons para sustentar a descarga.
Os cátodos frios também podem emitir elétrons por emissão fotoelétrica . Eles são freqüentemente chamados de fotocátodos e são usados em fototubos usados em instrumentos científicos e tubos intensificadores de imagem usados em óculos de visão noturna.
Diodos
Em um diodo semicondutor , o cátodo é a camada dopada com N da junção PN com uma alta densidade de elétrons livres devido ao dopagem e uma densidade igual de cargas positivas fixas, que são os dopantes que foram ionizados termicamente. No ânodo, o inverso se aplica: ele apresenta uma alta densidade de "buracos" livres e, conseqüentemente, dopantes negativos fixos que capturaram um elétron (daí a origem dos buracos).
Quando camadas dopadas com P e N são criadas adjacentes uma à outra, a difusão garante que os elétrons fluam de áreas de alta para baixa densidade: ou seja, do lado N para o lado P. Eles deixam para trás os dopantes fixos com carga positiva perto da junção. Da mesma forma, os buracos se difundem de P para N, deixando para trás dopantes ionizados negativos fixos perto da junção. Essas camadas de cargas fixas positivas e negativas são conhecidas coletivamente como a camada de depleção, porque estão sem elétrons livres e lacunas. A camada de depleção na junção está na origem das propriedades de retificação do diodo. Isso se deve ao campo interno resultante e à barreira potencial correspondente, que inibe o fluxo de corrente em polarização aplicada reversa, o que aumenta o campo da camada de depleção interna. Por outro lado, eles permitem polarização aplicada direta, onde a polarização aplicada reduz a barreira de potencial embutida.
Elétrons que se difundem do cátodo para a camada dopada com P, ou ânodo, tornam-se o que é denominado "portadores minoritários" e tendem a se recombinar com os portadores majoritários, que são orifícios, em uma escala de tempo característica do material que é o p- tipo de vida de portadora minoritária. Da mesma forma, os buracos que se difundem na camada dopada com N tornam-se portadores minoritários e tendem a se recombinar com os elétrons. Em equilíbrio, sem polarização aplicada, a difusão termicamente assistida de elétrons e buracos em direções opostas através da camada de depleção garante uma corrente líquida zero com elétrons fluindo de cátodo para ânodo e se recombinados, e buracos fluindo de ânodo para cátodo através da junção ou camada de depleção e recombinação.
Como um diodo típico, há um ânodo e um cátodo fixos em um diodo Zener, mas ele conduzirá corrente na direção reversa (fluxo de elétrons do ânodo para o cátodo) se sua tensão de ruptura ou "tensão Zener" for excedida.