Cátodo

Diagrama de um cátodo de cobre em uma célula galvânica (por exemplo, uma bateria). As ciações positivamente carregadas movem-se para o cátodo permitindo uma corrente positiva Eu... para sair do cátodo.

Um cátodo é o eletrodo do qual uma corrente convencional sai de um dispositivo elétrico polarizado. Esta definição pode ser recuperada usando o mnemônico CCD para Cathode Current Departs. Uma corrente convencional descreve a direção na qual as cargas positivas se movem. Os elétrons têm uma carga elétrica negativa, então o movimento dos elétrons é oposto ao do fluxo de corrente convencional. Consequentemente, o mnemônico corrente do cátodo se afasta também significa que os elétrons fluem para dentro do cátodo do dispositivo a partir do circuito externo. Por exemplo, a extremidade de uma bateria doméstica marcada com + (mais) é o cátodo.

O eletrodo através do qual a corrente convencional flui na outra direção, para dentro do dispositivo, é chamado de 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. Dentro de um dispositivo ou célula, os cátions carregados positivamente sempre se movem em direção ao cátodo e os ânions carregados negativamente 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. Quer o cátodo seja polarizado negativamente (como recarregar uma bateria) ou polarizado positivamente (como uma bateria em uso), o cátodo atrairá elétrons de fora, bem como cátions carregados positivamente de dentro. Uma bateria ou célula galvânica em uso possui um cátodo que é o terminal positivo, pois é por onde a corrente convencional flui para fora do dispositivo. Essa corrente externa é transportada internamente por íons positivos que se movem do eletrólito para o cátodo positivo (a energia química é responsável por esse movimento "subida"). É continuado externamente por elétrons que se movem para dentro da bateria, o que constitui uma corrente positiva fluindo para fora. Por exemplo, o eletrodo de cobre da célula galvânica 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, por onde a corrente sai do aparelho e retorna para o gerador externo conforme 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 nomeação do eletrodo para diodos é sempre baseada na direção da corrente direta (aquela da seta, na qual a corrente flui "mais facilmente"), mesmo para tipos como diodos Zener ou células solares onde o corrente de interesse é a corrente reversa. Em tubos de vácuo (incluindo tubos de raios catódicos) é o terminal negativo onde os elétrons entram no dispositivo do circuito externo e seguem para o quase-vácuo do tubo, constituindo uma corrente positiva que flui para fora do dispositivo.

Etimologia

A palavra foi cunhada em 1834 a partir do grego κάθοδος (kathodos), 'descida' ou 'way down', por William Whewell, que havia sido consultado por Michael Faraday sobre alguns novos nomes necessários para concluir um artigo sobre o processo de eletrólise recentemente descoberto. Nesse artigo, Faraday explicou que quando uma célula eletrolítica é orientada de modo que a corrente elétrica atravesse o "corpo em decomposição" (eletrólito) em uma direção "de leste a oeste, ou, o que fortalecerá essa ajuda à memória, aquela em que o sol parece se mover", o cátodo é onde a corrente sai do eletrólito, na Lado oeste: "kata para baixo, `odos um caminho; a maneira como o sol se põe.

O uso de 'Oeste' para significar o 'fora' direção (na verdade, 'fora' → 'Oeste' → 'pôr do sol' → 'para baixo', ou seja, 'fora de vista') pode parecer desnecessariamente artificial. Anteriormente, conforme relatado na primeira referência citada acima, Faraday havia usado o termo mais direto "exodo" (a porta por onde sai a corrente). Sua motivação para mudá-lo para algo que significa 'o eletrodo oeste' (outros candidatos foram "westode", "occiode" e "dysiode") foi torná-lo imune a uma possível mudança posterior na convenção de direção da corrente, cujo natureza exata não era conhecida na época. A referência que ele usou para esse efeito foi a direção do campo magnético da Terra, que na época se acreditava ser invariante. 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 a Terra&# 39;s. Isso tornou a corrente interna leste para oeste como mencionado anteriormente, mas no caso de uma mudança de convenção posterior, ela se tornaria oeste para leste, de modo que o eletrodo oeste não teria sido a 'saída' não mais. Portanto, "exodo" teria se tornado inapropriado, enquanto "catodo" significando 'eletrodo oeste' teria permanecido correto em relação à direção inalterada do fenômeno real subjacente à corrente, então desconhecido, mas, pensou ele, inequivocamente definido pela referência magnética. Em retrospecto, a mudança de nome foi lamentável, não apenas porque as raízes gregas sozinhas não revelam mais a função do cátodo, mas mais importante porque, como sabemos agora, a direção do campo magnético da Terra na qual o cátodo "cátodo" termo é baseado está sujeito a reversões, enquanto a convenção de direção atual na qual o "exodo" termo foi baseado não tem motivos para mudar no futuro.

Desde a descoberta posterior do elétron, uma etimologia mais fácil de lembrar e tecnicamente correta (embora historicamente falsa), tem sido sugerida: cátodo, do grego kathodos, ' caminho para baixo, 'o caminho (para baixo) na célula (ou outro dispositivo) para elétrons'.

Em química

Em química, um cátodo é o eletrodo de uma célula eletroquímica na qual ocorre a redução. O cátodo pode ser negativo como quando a célula é eletrolítica (onde a energia elétrica fornecida à célula está sendo usada para a decomposição de compostos químicos); ou positivo como quando a célula é galvânica (onde as 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 se deve ao potencial do eletrodo relativo para a solução eletrolítica ser diferente para os sistemas metal/eletrólito anodo e catodo 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 da redução no cátodo são gás hidrogênio ou metal puro a partir de íons metálicos. Ao discutir o poder redutor relativo de dois agentes redox, diz-se que o par para gerar as espécies mais redutoras é 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: à medida que o ânodo da célula galvânica libera elétrons, eles retornam do circuito para a célula através do cátodo.

Catodo de metal galvanizado (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 anexados e se tornam parte do cátodo na solução eletrolítica.

Em eletrônica

Tubos de vácuo

Arado do cátodo diretamente aquecido de um tubo de tetrodo de potência de 1 kW em um transmissor de rádio. O filamento de cátodo não é diretamente visível

Em um tubo de vácuo ou sistema de vácuo eletrônico, o cátodo é uma superfície de metal que emite elétrons livres no espaço evacuado. Como os elétrons são atraídos pelos núcleos positivos dos átomos do metal, eles normalmente ficam dentro do metal e precisam de energia para deixá-lo; 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 "knocks" elétrons fora da superfície, um efeito chamado de emissão termiônica. Esta técnica é usada na maioria dos tubos de vácuo.
• Elétron 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 catódeos frios em alguns microscópios elétrons, e na fabricação de microeletrônica,
• Emissão secundária: Um elétron, átomo ou molécula colidindo com a superfície do cátodo com energia suficiente pode derrubar elétrons da superfície. Estes elétrons são chamados elétrons secundários. Este mecanismo é usado em lâmpadas de descarga de gás, como lâmpadas de néon.
• Emissão fotoelétrica: Eletrons também podem ser emitidos a partir dos eletrodos de certos metais quando a luz de frequência maior do que a frequência de limiar cai sobre ele. Este efeito é chamado de emissão fotoelétrica, e os elétrons produzidos são chamados fotoelectrons. Este efeito é usado em tubos fotográficos e tubos de intensificador de imagem.

Os cátodos podem ser divididos em dois tipos:

Catodo quente

Duas catódeas indiretamente aquecidas (lata de aquecedor de laranja) no tubo de triode duplo ECC83

Vista cutaway de um tubo de vácuo triode com um catódeo indiretamente aquecido (tubulação de laranja), mostrando o elemento aquecedor dentro

Símbolo esquemático usado em diagramas de circuito para tubo de vácuo, mostrando cátodo

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 válvulas de cátodo quente. Hoje cátodos quentes são usados em tubos de vácuo em transmissores de rádio e fornos de microondas, para produzir os feixes de elétrons em televisores e monitores de computador do tipo tubo de raios catódicos (CRT) mais antigos, em geradores de raios-x, microscópios eletrônicos e tubos fluorescentes.

Existem dois tipos de cátodos quentes:

• Gatode diretamente aquecido: Neste tipo, o filamento em si é o cátodo e emite os elétrons diretamente. Os cathodes diretamente aquecidos foram usados nos primeiros tubos de vácuo, mas hoje eles são usados apenas em tubos fluorescentes, alguns grandes tubos de vácuo de transmissão, e todos os tubos de raios X.
• Gatodo indiretamente aquecido: Neste tipo, o filamento não é o cátodo, mas sim aquece o cátodo que emite elétrons. Os cathodes indiretamente aquecidos 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 emite elétrons. O filamento de uma catódea indiretamente aquecida é geralmente chamado de aquecedor. A principal razão para usar um cátodo indiretamente aquecido 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 em que o filamento em si era o cátodo, o campo elétrico alternando da superfície do filamento afetaria o movimento dos elétrons e introduziria o zumbido na saída do tubo. Ele também permite que os filamentos em todos os tubos em um dispositivo eletrônico sejam amarrados juntos e fornecidos a partir da mesma fonte atual, mesmo que os cátodos eles calor pode estar em diferentes potenciais.

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), em brasa, para produzir emissão termiônica suficiente para uso, enquanto os modernos revestidos os cátodos produzem muito mais elétrons a uma determinada temperatura, então eles só precisam ser aquecidos a 425–600 °C (~800–1100 °F) () Existem dois tipos principais de cátodos tratados:

Gato de frio (eletrodo esquerdo) em lâmpada de néon

• Gato revestido – Nestes o cátodo é coberto com um revestimento de óxidos metálicos alcalinos, muitas vezes barium e óxido de estônio. Estes são usados em tubos de baixa potência.
• tungstênio torcido – Em tubos de alta potência, o bombardeio de íons pode destruir o revestimento em um cátodo revestido. Nestes tubos um cátodo diretamente aquecido consiste em 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, pois é perdida por difusão de tório do interior do metal.

Catodo 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 neon, lâmpadas fluorescentes de cátodo frio (CCFLs) usadas como luz de fundo em laptops, tubos thyratron e tubos Crookes. Eles não operam necessariamente em 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 voltagem momentânea é aplicada aos eletrodos para iniciar a corrente através do tubo; depois de iniciar os eletrodos são aquecidos o suficiente pela corrente para continuar emitindo elétrons para sustentar a descarga.

Catodos frios também podem emitir elétrons por emissão fotoelétrica. Estes 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 N-dopada da junção PN com uma alta densidade de elétrons livres devido à dopagem e uma densidade igual de cargas positivas fixas, que são os dopantes que foram termicamente ionizados. No ânodo, o inverso se aplica: apresenta uma alta densidade de "buracos" e consequentemente 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 das áreas de alta para baixa densidade: isto é, do lado N para o lado P. Eles deixam para trás os dopantes carregados positivamente fixos 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 coletivamente conhecidas como camada de depleção porque são depletadas de elétrons livres e buracos. 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 de potencial correspondente que inibem o fluxo de corrente na polarização aplicada reversa, o que aumenta o campo interno da camada de depleção. Por outro lado, eles permitem a polarização aplicada para frente, onde a polarização aplicada reduz a barreira de potencial incorporada.

Os elétrons que se difundem do cátodo para a camada dopada com P, ou ânodo, tornam-se os chamados "portadores minoritários" e tendem a se recombinar com os portadores majoritários, que são buracos, em uma escala de tempo característica do material que é o tempo de vida dos portadores minoritários do tipo p. 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 viés aplicado, a difusão termicamente assistida de elétrons e buracos em direções opostas através da camada de depleção garante uma corrente líquida zero com elétrons fluindo do cátodo para o ânodo e se recombinando, e buracos fluindo do ânodo para o 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 a corrente na direção reversa (os elétrons fluem do ânodo para o cátodo) se sua tensão de ruptura ou "tensão Zener" é excedido.