Cátodo

Un cátodo es el electrodo del que sale una corriente convencional de un dispositivo eléctrico polarizado. Esta definición se puede recuperar usando el mnemotécnico CCD para Cathode Current Departs. 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 salida de la corriente del cátodo mnemotécnico 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 hacia el otro lado, hacia el dispositivo, se denomina ánodo.

Flujo de carga

La corriente convencional fluye del cátodo al ánodo fuera de la celda o dispositivo (con los electrones moviéndose en la dirección opuesta), independientemente del tipo de celda o dispositivo y del modo de funcionamiento.

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. Ya sea que el cátodo esté polarizado negativamente (como recargar una batería) o polarizado positivamente (como una batería en uso), el cátodo atraerá electrones hacia él y atraerá cationes cargados positivamente. Una batería o celda galvánica en uso tiene un cátodo que es el terminal positivo, ya que es por donde sale la corriente convencional del dispositivo. Esta corriente de salida es transportada internamente por iones positivos que se mueven desde el electrolito hasta el cátodo positivo (la energía química es la responsable de esto) 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. 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 la flecha, donde la corriente sale 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 celdas 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 pasan al vacío casi total del tubo, lo que constituye una corriente positiva que sale del dispositivo.

Etimología

La palabra fue acuñada en 1834 del griego κάθοδος (kathodos), 'descenso' o 'camino hacia abajo', por William Whewell, quien había sido consultado por Michael Faraday sobre algunos nombres nuevos necesarios para completar un artículo sobre el proceso de electrólisis recientemente descubierto.. En ese artículo, Faraday explicó que cuando se orienta una celda electrolítica de modo 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 a way; la forma en que se pone el sol".

El uso de 'Oeste' para referirse a la dirección 'fuera' (en realidad 'fuera' → 'Oeste' → 'puesta del sol' → 'abajo', es decir, 'fuera de la vista') puede parecer innecesariamente artificial. Anteriormente, como se relata en la primera referencia citada anteriormente, Faraday había usado el término más sencillo "éxodo" (la puerta por donde sale la corriente). Su motivación para cambiarlo a algo que significara 'el electrodo 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 sabía en ese momento. La referencia que usó para este efecto fue la dirección del campo magnético de la Tierra, que en ese momento se creía que era invariable. Básicamente, 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 local de latitud que induciría un campo de dipolo magnético orientado como el de la Tierra. Esto hizo que la corriente interna este a oeste como se mencionó anteriormente, pero en el caso de un cambio de convención posterior, se habría convertido en oeste a este, por lo que el electrodo oeste ya no habría sido la 'salida'. Por lo tanto, "exodo" se habría vuelto inapropiado, mientras que "cátodo", que significa "electrodo oeste", habría permanecido correcto con respecto a la dirección sin cambios del fenómeno real que subyace a la corriente, entonces desconocido pero, pensó, definido sin ambigüedades por la referencia magnética..

Desde el posterior descubrimiento del electrón, una etimología más fácil de recordar y técnicamente correcta (aunque históricamente falsa) más duradera, se ha sugerido: cátodo, del griego kathodos, 'camino hacia abajo', 'camino (hacia abajo) hacia la celda. (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 mnemotécnico es notar que el cátodo tiene una 'c', al igual que 'reducción'. Por lo tanto, reducción en el cátodo. Quizás lo más útil sería recordar que cat hode corresponde a cat ion (aceptor) y una oda corresponde a unión (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 con carga positiva 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 repela los cationes con carga positiva; esto se debe al potencial de electrodo relativo). a que la solución de electrolito es diferente para los sistemas de metal/electrolito de ánodo y cátodo 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 analiza el poder reductor relativo de dos agentes redox, se dice que la pareja para generar las especies más reductoras es más "catódica" 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 de metal galvánico (electrólisis)

Cuando los iones metálicos se reducen de la solución iónica, forman una superficie de metal puro en el cátodo. Los artículos que se van a recubrir con metal puro se unen y se vuelven parte del cátodo en la solución electrolítica.

En electronica

Tubos de vacio

En un tubo de vacío o sistema de vacío electrónico, el cátodo es una superficie metálica que emite electrones libres en el espacio evacuado. Dado que los electrones son atraídos por los núcleos positivos de los átomos metálicos, normalmente permanecen dentro del metal y requieren energía para salir; esto se llama la 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 de metal "saca" electrones 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 fuerte campo eléctrico a la superficie colocando un electrodo con un alto voltaje positivo cerca del cátodo. El electrodo con carga positiva 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 eliminar 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 electrodos de ciertos metales también pueden emitir electrones cuando incide sobre ellos una luz de frecuencia superior a la frecuencia umbral. Este efecto se llama emisión fotoeléctrica, y los electrones producidos se llaman fotoelectrones. Este efecto se utiliza en fototubos y tubos intensificadores de imagen.

Los cátodos se pueden dividir en dos tipos:

Cátodo caliente

Un cátodo caliente es un cátodo que es calentado por 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 usaban tubos de vacío de cátodo caliente. Hoy en día, los cátodos calientes se utilizan en tubos de vacío en transmisores de radio y hornos de microondas, para producir 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 propio filamento 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 transmisores 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. En la actualidad, la mayoría de los dispositivos 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 se suele llamar 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 filamento mismo fuera el cátodo, el campo eléctrico alterno de la superficie del filamento afectaría el movimiento de los electrones e introduciría un zumbido en la salida del tubo. También permite unir los filamentos de todos los tubos de un dispositivo electrónico y suministrarlos desde la misma fuente de corriente, aunque los cátodos que calientan puedan 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 área de superficie, temperaturas más bajas y menos energía para suministrar la misma corriente de cátodo. 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. Estos se utilizan en válvulas de baja potencia.
• Tungsteno toriado: en los tubos de alta potencia, el bombardeo de iones puede destruir el revestimiento de un cátodo revestido. En estos tubos se utiliza un cátodo de calentamiento directo que consiste en un filamento 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 es calentado por un filamento. Pueden emitir electrones por emisión de electrones de campo y en tubos llenos de gas por emisión secundaria. Algunos ejemplos son los electrodos de las luces de neón, las lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) utilizadas como retroiluminación en las computadoras portátiles, los tubos de tiratrón y los tubos de Crookes. No necesariamente operan a temperatura ambiente; en algunos dispositivos, la corriente de electrones que lo atraviesa calienta el cátodo 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 comenzar, los electrodos se calientan lo suficiente por 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 dopada con N 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 se han ionizado 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 al lado P. Dejan atrás los dopantes cargados positivamente fijos cerca de la unión. De manera similar, los agujeros se difunden de P a N dejando atrás dopantes ionizados negativos fijos cerca de la unión. Estas capas de cargas positivas y negativas fijas se conocen colectivamente como la capa de agotamiento porque carecen 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. En cambio,

Los electrones que se difunden desde el cátodo hacia la capa dopada con P, o ánodo, se convierten en lo que se denomina "portadores minoritarios" y tienden a recombinarse allí con los portadores mayoritarios, que son huecos, en una escala de tiempo característica del material que es el p- tipo 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 los electrones. En equilibrio, sin polarización aplicada, la difusión asistida térmicamente de electrones y huecos en direcciones opuestas a través de la capa de empobrecimiento garantiza una corriente neta cero con electrones que fluyen del cátodo al ánodo y se recombinan, y huecos que fluyen del ánodo al cátodo a través de la unión o la capa de empobrecimiento 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".