آند و کاتد

توضیحی کوتاه و ساده دربارهٔ اصلی که مشخص می‌کند کدام الکترود دستگاه آند و کدام دستگاه کاتد است.

آند و کاتد اصطلاحاتی هستند که در شیمی، فیزیک و الکترونیک استفاده می‌شوند. به نظر می‌رسد که در مورد پتانسیل‌های الکتریکی آند و کاتد برخی از سردرگمی‌ها وجود دارد. به عنوان مثال، در الکترونیک، معمولاً آند را “مثبت” و کاتد را به عنوان “منفی” می‌نامند. در فرآیندهای الکتروشیمیایی، “موضوع بستگی دارد”؛ به‌طور مثال، از دیدگاه تولیدکنندگان باتری، دقیقاً برعکس است، و در مورد باتری‌های قابل شارژ، بسته به این‌که در حال شارژ یا دشارژ است، متفاوت خواهد بود.

آنودوس به معنی صعود و رفتن به بالا و کاتودوس به معنی نزول و رفتن به پایین است.

 

پتانسیل الکتریکی آند «راه به سوی بالا» – مثبت‌تر می‌شود.
پتانسیل کاتد «راه به سوی پایین» – منفی‌تر می‌شود.

کلمات “آند”، “کاتد” و “یون” توسط ویلیام وِهول در همکاری با میکائیل فارادی به واژگان علمی معرفی شدند.

رایج‌ترین تعریف آند و کاتد از الکتروشیمی نشأت می‌گیرد و به صورت زیر بیان می‌شود:

آند الکترودی است که در آن واکنش اکسایش اتفاق می‌افتد.
کاتد الکترودی است که در آن واکنش کاهش رخ می دهد.

اکسیداسیون و کاهش

متأسفانه، بیشتر الکتریکی‌ها و علاقه‌مندان به الکترونیک نمی‌دانند (یا به یاد نمی‌آورند) که اکسیداسیون یا کاهش در شیمی به چه معناست. با ساده‌سازی، می‌توانیم این مفاهیم را به شکل زیر توضیح دهیم:

فرایند اکسیداسیون به از دست دادن الکترون‌ها توسط ماده‌ای که در حال اکسید شدن است، مربوط می‌شود. اگر ماده یک الکترود فلزی باشد که در حال “از دست دادن” الکترون‌هاست، آنگاه بار آن فلز مثبت‌تر می‌شود، به عبارت دیگر، “افزایش” می‌یابد. اکسیداسیون فلز، پتانسیل الکتریکی آن را افزایش می‌دهد (پتانسیل “بالا می‌رود”) و الکترود آن فلز را به آند تبدیل می‌کند.

فرایند کاهش به دریافت الکترون‌ها توسط ماده مربوط می‌شود. اگر الکترود فلزی الکترون‌ها دریافت کند، پتانسیل الکتریکی‌اش منفی‌تر می‌شود (به عنوان مثال، یک یون فلزی با بار مثبت به یک اتم با بار خنثی تبدیل می‌شود). بنابراین، پتانسیل الکتریکی الکترود فلزی “پایین می‌آید” و آن را به کاتد تبدیل می‌کند.

برای مهندسان الکترونیک

برای برقکاران و مهندسان الکترونیک، قانون زیر به یادآوری آسان‌تر خواهد بود:

آند:

آند الکترود دستگاهی است که الکترون‌ها را به مدار خارجی آزاد می‌کند. الکترون‌ها “از دستگاه از طریق آند خارج می‌شوند”، بنابراین به خاطر از دست رفتن الکترون‌ها، پتانسیل الکتریکی آند افزایش می‌یابد و بیشتر “مثبت” می‌شود.

 

 

 

کاتد:

کاتد الکترود دستگاهی است که الکترون‌ها را از مدار خارجی دریافت می‌کند. الکترون‌ها از طریق کاتد به داخل دستگاه “جریان می‌یابند”، بنابراین پتانسیل الکتریکی کاتد “بیشتر منفی” می شود.

آند و کاتد – نمونه‌ها

در زیر چند نمونه از دستگاه‌ها آمده است که در آن‌ها آند و کاتد دارای پتانسیل‌های الکتریکی متفاوتی هستند. آنچه همیشه ثابت می‌ماند، این اصل است که آند الکترون‌ها را از خود آزاد می‌کند (اکسیداسیون) و کاتد الکترون‌ها را دریافت می‌کند (کاهش). بنابراین، اصل تعریف به‌طور کامل محفوظ است.

سلول الکتروشیمیایی

سلول الکتروشیمیایی اصطلاحی عمومی برای دستگاهی است که شامل دو الکترود در یک الکترولیت غوطه‌ور است. سلول‌های الکتروشیمیایی به دو نوع سلول‌های گالوانی و سلول‌های الکترولیتی تقسیم می شوند.

سلول گالوانی

سلول گالوانی منبعی از انرژی الکتریکی است. این یک سلول باتری تنها است. همانطور که در شکل زیر دیده می‌شود، الکترون‌ها از ترمینال “منفی” سلول به سمت بار (بار مصرف‌کننده) جریان می‌یابند و سپس به ترمینال “مثبت” سلول وارد می‌شوند. الکترودی که الکترون‌ها را دریافت می‌کند، کاتد (+) نامیده می‌شود و الکترودی که الکترون‌ها را آزاد می‌کند، آند (-) نام دارد.

سلول الکترولیتی

سلول الکترولیتی یک گیرنده انرژی الکتریکی است. یک منبع تغذیه خارجی جریان را در این سلول به جریان می‌اندازد. در شکل زیر، الکترون‌ها از منبع قدرت (مانند باتری) به الکترود پایین (-) وارد می‌شوند و سپس از الکترود بالایی (+) به سمت پایانه مثبت منبع قدرت خارج می‌شوند. بنابراین، الکترود پایین “الکترون دریافت می‌کند” و منفی‌تر می‌شود (پتانسیل کاهش می‌یابد) و الکترود بالایی “الکترون آزاد می‌کند” و مثبت‌تر می‌شود (پتانسیل افزایش می‌یابد). بنابراین، الکترود بالایی (+) آند و الکترود پایینی (-) کاتد است.

سلول‌های الکترولیتی، به‌ویژه در فرایندهای الکتروپلاستیک، مورد استفاده قرار می‌گیرند. این روش به منظور ایجاد پوشش‌های خاص بر روی تماس‌های اتصالی به‌کار می‌رود تا ریسک خوردگی کاهش یابد. پوشش‌های گالوانیکی بسیار محبوب هستند و تقریباً در هر قطعه الکترونیکی به‌کار می‌روند.

باتری قابل شارژ

یک باتری قابل شارژ منبعی از انرژی الکتریکی است که مانند یک باتری استاندارد عمل می‌کند. تفاوت این است که باتری قابل شارژ نوعی سلول گالوانی است که قابل شارژ مجدد می‌باشد. با توجه به حالت عملکرد (شارژ یا تخلیه)، یک الکترود خاص از دستگاه، آند یا کاتد خواهد بود. شکل زیر ترمینال‌های دستگاه را در حین شارژ یا تخلیه نشان می‌دهد و مشخص می‌کند کدام ترمینال آند و کدام یک کاتد است.

 

دیود نیمه‌هادی

دیود نیمه‌هادی دارای دو ترمینال است: آند و کاتد. نماد الکتریکی آن در شکل زیر نشان داده شده است. کاتد الکترودی است که در حالت پیش‌رانش دیود، الکترون‌ها به آن جریان می‌یابند و آند الکترودی است که الکترون‌ها از آن خارج می‌شوند (در حالت پیش‌رانش). بنابراین، الکترود آند “مثبت” و الکترود کاتد “منفی” نامیده می‌شود.

لوله وکیوم

لوله‌های وکیوم حباب‌های شیشه‌ای هستند که الکترودهای فلزی درون آن‌ها وجود دارد. بسته به نوع لوله، ما دیودها (دو الکترود – آنود و کاتود)، تریودها (۳ الکترود)، تترویدها (۴ الکترود)، پنتودها (۵ الکترود) و غیره داریم. هر لوله یک کاتود و یک آنود دارد. الکترودهای اضافی که جریان الکترون‌ها را کنترل می‌کنند، شبکه نامیده می‌شوند. به طور معمول، کاتود ممکن است گرم شود (لوله دارای “فیلامنت” است). لوله وکیوم یک گیرنده است، بنابراین اصطلاحات آنود و کاتود همان معنای دیود نیمه‌رسانا را دارند..

لوله‌های وکیوم قبل از معرفی نیمه‌رساناها محبوب بودند. در حال حاضر، آن‌ها در برخی راه‌حل‌های حرفه‌ای، مانند آمپلی‌فایرهای صوتی با کیفیت بالا، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

لوله کاتد پرتو (CRT)

لوله کاتد پرتو (CRT) نوعی لوله خلا است که شامل یک یا چند لوله الکترونی (کاتد) می‌باشد. این لوله‌ها پرتوهای الکترونی را ساطع می‌کنند که برای تولید تصاویر بر روی یک صفحه فسفرسنت کنترل می‌شوند. آنود و کاتد در اینجا به همان شیوه‌ای که در لوله‌های خلا الکترونی معمولی درک می‌شوند، عمل می‌کنند.

خوردگی الکتروشیمیایی

خوردگی الکتروشیمیایی پدیده‌ای است که شامل جریان الکتریکی بین آند و کاتد در محیط الکترولیت می‌باشد. برای اطلاعات بیشتر در مورد این اثر، به مقاله: خوردگی اتصالات الکتریکی مراجعه کنید.

مهاجرت الکتروشیمیایی

مهاجرت الکتروشیمیایی یک پدیده است که شامل یک سلول الکترولیتی می‌باشد. مقاله “دندریت‌ها و خوردگی” اطلاعات بیشتری در این زمینه اراِئه می دهد.

نتیجه‌گیری

آند و کاتد ترمینال‌های دستگاه هستند که پتانسیل الکتریکی آن‌ها بسته به این که دستگاه منبع انرژی (سلول گالوانی) باشد یا گیرنده انرژی، می‌تواند “منفی” یا “مثبت” باشد. این جنبه ممکن است منجر به سوءتفاهم‌هایی شود که گاهی بسیار پرهزینه هستند.

باید از اصطلاحات آند و کاتد با احتیاط استفاده کرد، به ویژه در فرآیندهای الکتروشیمیایی. اگر در مورد نام‌گذاری الکترودها شک وجود داشته باشد، بهتر است از نشانه‌گذاری [+] و [-] استفاده شود یا اطمینان حاصل شود که کدام الکترود آند و کاتد است.