Anoda i katoda – jak to działa?

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Czas czytania: 7 min.

Anoda i katoda to terminy, które zwykle pojawiają się przy opisie baterii, akumulatorów, ogniw, a także elementów półprzewodnikowych. Zanim przejdziemy do właściwego opisu anody i katody, trzeba wiedzieć czym jest elektroda -w fizykochemicznym znaczeniu jest to substancja, która wspomaga przewodzenie prądu elektrycznego w ośrodkach niemetalicznych, takich jak ogniwa elektrochemiczne – tj. zmniejsza rezystancję między słabo przewodzącymi elementami obwodu elektrycznego ogniwa. Zwykle elektroda złożona jest z dwóch głównych elementów, jakimi są anoda i katoda, za pomocą których można opisać kierunek przepływu prądu elektrycznego. W artykule przedstawiono zasadę działania anody i katody oraz ich zarys w praktycznym ujęciu.

Anoda i katoda – etymologia

W pierwszej kolejności przyjrzymy się pochodzeniu terminów anoda i katoda oraz ich znaczeniu. Zarówno anoda, jak i katoda w obwodzie są wyznaczane na podstawie kierunku przepływającego prądu. Termin anoda wywodzi się języka greckiego (anodos – wejście w górę) i podobnie “katoda” (káthodos – zejście w dół). Dlaczego podkreśliliśmy definicję z greckiego? Ponieważ najlepiej i najprościej oddaje znaczenie terminów – że anoda jest elektrodą, do której prąd wpływa, zaś katoda jest elektrodą, z której prąd wypływa.

Katoda – podstawowe własności

W reakcjach chemicznych katodę stanowi ta elektroda, w której zachodzi zjawisko redukcji. Występuje ono również w ogniwach elektrochemicznych i zwykle jest z nimi kojarzone. W tym przypadku katoda ma ujemną polaryzację w wyniku obecności ujemnego napięcia w ogniwach, co prowadzi do reakcji analizy (rozkładu) związków chemicznych. Napięcie to może mieć również przeciwny znak (dodatni), gdy zachodzi sytuacja odwrotna, w której reakcje chemiczne prowadzą do wytworzenia energii elektrycznej. Ponadto katoda może być określona jako katoda gorąca lub katoda zimna. Katoda, która jest podgrzewana w wyniku obecności materiału zdolnego do emisji elektronów jest katodą gorącą, zaś katoda, w której zachodzi zjawisko emisji terminowej, jest katodą zimną.

Anoda – podstawowe własności

W podstawowym ujęciu anoda w elektrochemii jest obszarem, w którym zachodzi reakcja utleniania. Zwykle w anodzie jony ujemne (aniony) z racji swojego ujemnego potencjału elektrycznego wykazują tendencje do reagowania przez odbieranie elektronów. Elektrony te przesuwają się w stronę źródła wymuszającego ich przepływ. W ogniwach galwanicznych anoda jest rzeczywistości biegunem o napięciu ujemnym, a elektrony poruszają się głównie w kierunku na zewnątrz obwodu. Natomiast w ogniwach elektrolitycznych (np. bateriach kwasowo-ołowiowych, które są bardzo popularne w samochodach) anoda ma potencjał dodatni. Ponadto anoda może mieć postać płyty lub drutu zawierającego nadwyżkę dodatniego ładunku elektrycznego.

Podstawowe różnice między anodą i katodą

AnodaKatoda
Do tej elektrody prąd wpływaZ tej elektrody prądy wypływa
Anoda ma zwykle potencjał dodatniKatoda ma zwykle potencjał ujemny
Zwykle zachowuje się jak nośnik elektronówZwykle zachowuje się jak akceptor elektronów
W ogniwie elektrolitycznym w reakcji utleniania zajmuje miejsce anodyW ogniwie elektrolitycznym w reakcji utleniania zajmuje miejsce katody
W ogniwie galwanicznym w reakcji utleniania zajmuje miejsce katodyW ogniwie galwanicznym w reakcji utleniania zajmuje miejsce anody

Przepływ ładunku elektrycznego między katodą a anodą

W najczęściej przyjmowanej konwencji przepływ prądu elektrycznego w obwodach prądu stałego odbywa się od katody do anody (przepływ elektronów w przeciwnym kierunku), niezależnie rodzaju ogniwa i jego trybu pracy (rozładowywania lub ładowania). Biegunowość katody, i odpowiednio anody, może być dodatnia lub ujemna w zależności od trybu pracy ogniwa. Dodatnio naładowane kationy będą zawsze podążać w kierunku anody, a ujemnie naładowane aniony, podobnie jak elektrony, będą podążały w kierunku katody, nawet pomimo tego, że biegunowość katody zależy od konstrukcji ogniwa i może ulec zmianie w zależności od trybu pracy. W ogniwach, w których zachodzi magazynowanie energii ładunku elektrycznego (np. w procesie ładowania baterii), katoda przyjmuje biegunowość ujemną (elektrony podążają w stronę katody, w której wypływa ładunek elektryczny), a kiedy zachodzi uwalnianie energii (np. zasilanie odbiornika z baterii, czyli jej rozładowywanie), katoda przyjmuje biegunowość dodatnią. Bateria lub ogniwo galwaniczne w procesie rozładowywania charakteryzuje się tym, że katoda jest przyjmowana jako biegun dodatni, ponieważ po zamknięciu obwodu z katody wypływa prąd. Wewnątrz ogniwa prąd jest przenoszony przez jony dodatnie z elektrolitu do katody (o dodatniej biegunowości) za sprawą energii wydzielanej w wyniku reakcji chemicznej. Ruch jonów jest kontynuowany na zewnątrz za sprawą wprowadzania elektronów do ogniwa (lub baterii), co w konsekwencji powoduje wypływanie prądu (gdy obwód jest zamknięty) o dodatniej wartości. Przykładowo w ogniwie galwanicznym Daniella miedziana elektroda jest katodą o biegunowości dodatniej. Bateria, która jest poddawana procesowi ładowania, lub ogniwo elektrolityczne, w którym zachodzi proces elektrolizy, charakteryzuje katoda o ujemnej biegunowości. Z katody, prąd wraca do źródła (np. prostownika samochodowego lub ładowarki USB) wskutek wprowadzania ładunku do ogniw.

Anoda i katoda w ogniwach elektrochemicznych

W elektrochemii katoda jest elektrodą ogniwa elektrochemicznego, na której zachodzi reakcja utleniania, i tym samym – reakcja redukcji na katodzie. Reakcje chemiczne, w wyniku których jednocześnie zachodzi utlenianie i redukcja, noszą nazwę reakcji redoks – red- od redukcji, -oks od od oksydacji (utleniania). W takich reakcjach katoda jest związana z kationami (akceptorami elektronów), a anoda z anionami (nośnikami elektronów). Katoda może przyjąć ujemną biegunowość, w przypadku ogniw elektrolitycznych (gdzie energia elektryczna jest dostarczana do ogniwa i jest używana w reakcjach rozkładu obecnych w nim substancji chemicznych), lub biegunowość dodatnią dla ogniw galwanicznych (gdzie reakcje chemiczne są przyczyną powstawania energii elektrycznej). Wówczas katoda dostarcza elektrony do kationów (które charakteryzuje ładunek dodatni) pochodzących z elektrolitu.

Anoda i katoda w akumulatorze samochodowym

Jednym ze szczególnych przypadków ogniw elektrochemicznych spotykanych na codzień są ogniwa tworzące akumulatory (baterie) do samochodów. Akumulator stanowi magazyn energii elektrycznej, z której mogą być zasilane podzespoły elektryczne pojazdu na czas postoju z wyłączonym silnikiem (np. radio czy światła pozycyjne), a przed rozruchem – układ zapłonowy (w silnikach z zapłonem samoczynnym – świece żarowe podgrzewania wstępnego), pompa paliwa oraz rozrusznik. Przy uruchomionym silniku akumulator jest „ładowany na bieżąco” z alternatora (napędzanego od silnika poprzez przez pasek klinowy) poprzez układ prostownikowy z komparatorem napięcia. Pierwszym ważnym elementem  jest fakt, że w przeciwieństwie do zwykłych baterii używanych do zasilania m.in. zegarów, pilotów czy zabawek (np. LR6 czy 6F22), struktura wewnętrzna akumulatora jest złożona z kilku (zwykle sześciu) ogniw połączonych szeregowo, co powoduje sumowanie się ze sobą napięć ogniw w taki sam sposób jak sumowanie rezystancji rezystorów łączonych szeregowo. W większości kwasowo-ołowiowych akumulatorów samochodowych napięcie wypadkowe wynosi 12V, przy czym rzeczywisty, prawidłowo eksploatowany akumulator, gdy nie jest obciążony, powinien podawać napięcie wynoszące ok. 13V. W przypadku pojazdów elektrycznych najczęściej korzysta się z baterii o napięciu 24V lub 36V, ale sposób łączenia ogniw i technologia wykonania jest identyczna, jak w akumulatorach o mniejszym od nich napięciu. W podstawowym ujęciu energia elektryczna z akumulatora zostaje uwolniona, kiedy do jego zacisków zostanie podłączone obciążenie. W skład uwalnianej energii wchodzi prąd elektryczny, czyli uporządkowany ruch elektronów – cząstek elementarnych o ładunku ujemnym, które odgrywają kluczową rolę w przenoszeniu energii elektrycznej.

W akumulatorze, szczególnie ważne są bieguny, którymi jest on łączony z odbiornikami. Bieguny te są właśnie określane jako anoda i katoda. W normalnych warunkach pracy, w akumulatorze następuje proces przemiany energii reakcji chemicznych na energię elektryczną, który polega na uwalnianiu elektronów w wyniku utleniania anody (bieguna dodatniego). Prąd powraca do akumulatora poprzez katodę (biegun ujemny), która odbiera elektrony wyzwalane z anody. Kiedy akumulator jest ładowany, cały proces przebiega odwrotnie. Jeśli napięcie wyjściowe z baterii jest niedostatecznie niskie, wówczas powodem tego stanu rzeczy może być jego nadmierne rozładowanie oraz znaczący ubytek elektrolitu. W akumulatorze kwasowo-ołowiowym, katodę stanowią płyty wykonane z tlenku ołowiu (II), a katodę – płyty z czystego ołowiu. Rolę elektrolitu natomiast pełni 20%-40% roztwór kwasu siarkowego (VI) w wodzie zdemineralizowanej. Po zamknięciu obwodu z akumulatorem (podłączeniu do niego odbiorników), zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje siarczan (VI) ołowiu (II) oraz woda. W wyniku reakcji dochodzi do emisji elektronów, które formują się w prąd elektryczny dostarczany do odbiorników podłączonych do akumulatora. Reakcje te zachodzą w obie strony i dzięki temu akumulator może być wielokrotnie ładowany i rozładowywany.

Anoda i katoda w diodzie półprzewodnikowej

Dioda półprzewodnikowa to jeden z najpopularniejszych elementów elektronicznych, który może pełnić wiele pożytecznych funkcji w obwodach i układach elektronicznych, np. jako zabezpieczenie przed napięciem zasilającym o wstecznej biegunowości czy przekształcanie (prostowanie) napięcia sinusoidalnego na pulsujące jednokierunkowe. W diodach półprzewodnikowych, na złączu typu p-n, katodę stanowi warstwa domieszkowana typu n, która charakteryzuje się wysoką gęstością wolnych elektronów z powodu zastosowanego domieszkowania oraz jednorodną gęstością stałych ładunków dodatnich, które stanowią domieszkę termicznie zjonizowaną. W anodzie – warstwie typu n, występuje sytuacja odwrotna, gdzie złącze charakteryzuje się wysoką gęstością dziur elektronowych oraz stałych ładunków ujemnych przechwytujących elektrony. Kiedy warstwy domieszkowane P i N są tworzone obok siebie, dyfuzja zapewnia przepływ elektronów z obszarów o wysokiej gęstości do obszarów o niskiej gęstości, tj. od warstwy typu n do warstwy typu p. Wówczas ładunki stałe zostają przeniesione na każdej z warstw w pobliże bariery międzywarstwowej, tj. z warstwy typu p zostają uwolnione dziury elektronowe, a z warstwy typu n – nośniki, tworząc w ten sposób warstwę zubożoną, dzięki której dioda bardzo dobrze blokuje prądy wsteczne i przewodzi jednokierunkowo. Jest to spowodowane powstaniem bariery potencjału hamującej prądy o polaryzacji przeciwnej do polaryzacji złącza pn, która powoduje zagęszczenie warstwy zubożającej. Dyfuzja elektronów z katody do warstwy z domieszkowaniem typu p (anody) powoduje powstawanie nośników mniejszościowych, które przechodzą w proces rekombinacji wraz z nośnikami większościowymi (dziurami elektronowymi). Również dziury elektronowe stają się nośnikami mniejszościowymi w warstwie z domieszkowaniem typu n (katodzie). Dla równowagi, kiedy złącze diody nie jest spolaryzowane, termicznie wspomagana dyfuzja elektronów i dziur elektronowych w kierunku zaporowym wprowadza przepływ niewielkiego prądu przez warstwę zubożoną. Jednym ze szczególnych przypadków diod półprzewodnikowych jest dioda Zenera, która w normalnych warunkach pracy przewodzi prąd jednokierunkowo, a po przekroczeniu napięcia na jej wyprowadzeniach (zwanego napięciem Zenera), zaczyna przewodzić w przeciwnym kierunku. Natomiast w przypadku przekroczenia napięcia Zenera następuje przebicie lawinowe i wówczas złącze półprzewodnikowe zostaje trwale uszkodzone.

Pytania i odpowiedzi podsumowujące

Z całego gruntownie rozbudowanego opisu mechanizmów przewodnictwa w chemicznych źródłach energii elektrycznej i elementach półprzewodnikowych opierających się na anodę i katodę, warto znać ich najważniejsze właściwości, które przedstawimy w formie pytań i odpowiedzi:

1. Jaką biegunowością charakteryzuje się anoda, a jaką katoda?

Anoda jest najczęściej traktowana jako ujemny biegun zasilania w ogniwie galwaniczym, a katoda jako biegun dodatni. Jest to prawidłowe rozumowanie, ponieważ anoda jest obszarem z którego pochodzą elektrony, zaś katoda jest elementem, który realizuje odbieranie elektronów z anody, powodując i przepływ w obwodzie.

2. Czy reakcja utleniania występuje w anodzie, czy w katodzie?

Anoda jest elementem, w którym zachodzi reakcja utleniania. Dzieje się tak, ponieważ z metalowej anody uwalniane są elektrony.

3. Jaki ładunek elektryczny ma anoda, a jaki katoda?

Utlenianie jest odpowiedzią anody na uwalnianie z niej elektronów. Stąd anoda jest naładowana ładunkiem ujemnym. W katodzie zachodzi zjawisko reakcja redukcji, w której dochodzi do przechwytywania (przyjmowania) elektronów z anody. Stąd anoda jest uboga w elektrony i naładowana ładunkiem dodatnim.

4. Czy kationy mają ładunek dodatni, czy ujemny?

Kation jest określany jako jon o dodatnim ładunku lub jako atom, który stracił pojedynczy elektron.

5. Z jakich materiałów najczęściej są wykonywane anoda i katoda?

Do wytwarzania anody i katody najczęściej używane są cynk, lit oraz miedź.

6. Jak zachowują się anoda i katoda kiedy korodują?

Żelazo obecne w anodzie ogniwa galwanicznego ma tendencje do korozji, wskutek czego wchodzi na drugi stopień utlenienia, natomiast na katodzie wskutek utleniania powstaje woda.

7. Czy reakcja redukcji zawsze zachodzi na katodzie?

Reakcja redukcji występuje zawsze na katodzie i również reakcja utleniania – zawsze występuje na anodzie. W wyniku uwalniania elektronów z anody przechodzą one w obszar redukcji, czyli w obszar katody.

8. Czy katoda w diodzie LED ma polaryzację dodatnią, czy ujemną?

Zwykle diody LED mają zaznaczone wyprowadzenie katody jako to krótsze względem drugiego z wyprowadzeń (anody). Anoda diody LED powinna być zawsze podłączana do punktu w obwodzie elektrycznym o wyższym potencjale niż jej katoda.

Share on facebook
Share on linkedin
Share on twitter
Tomek

Tomek

Zobacz więcej:

Elon Musk Neuralink Botland
Ciekawostki
Oskar Pacelt

Elon Musk zaskakuje świat po raz kolejny. Neuralink działa

Jeżeli jesteś fanem sztucznej inteligencji i nowatorstwa w dziedzinie kontaktu człowiek-maszyna, to ten artykuł jest dla Ciebie. Nie przegap wielkiego kroku na drodze postępu – Neuralink właśnie stał się faktem.

Dodaj komentarz