Un cátodo es el electrodo por el que sale una corriente convencional de un dispositivo eléctrico polarizado, como una batería de plomo-ácido . Esta definición se puede recordar utilizando el acrónimo CCD para Cathode Current Departs ( salida de corriente de cátodo ). 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, el acrónimo cathode current departs ( salida de corriente de cátodo) también significa que los electrones fluyen hacia el cátodo del dispositivo desde el circuito externo. Por ejemplo, el extremo de una batería doméstica marcado con un + (más) es el cátodo.
El electrodo a través del cual fluye la corriente convencional en sentido contrario, hacia el dispositivo, se denomina ánodo .
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 según el modo de funcionamiento del dispositivo. En el interior de un dispositivo o de una celda, los cationes con carga positiva siempre se desplazan hacia el cátodo y los aniones con carga negativa hacia el ánodo, aunque la polaridad del cátodo depende del tipo de dispositivo, e incluso puede variar según el modo de funcionamiento. Tanto si el cátodo está polarizado negativamente (como cuando se recarga una batería) como si está polarizado positivamente (como cuando se utiliza una batería), el cátodo atraerá electrones desde el exterior, así como cationes con carga positiva desde el interior.
Una batería o celda galvánica en uso tiene un cátodo que es el terminal positivo, ya que es por donde fluye la corriente convencional hacia afuera del dispositivo. Esta corriente hacia afuera es transportada internamente por iones positivos que se mueven desde el electrolito hasta el cátodo positivo (la energía química es responsable de este movimiento "cuesta arriba"). Se continúa externamente por electrones que se mueven hacia adentro de la batería, lo que constituye una corriente positiva que fluye hacia afuera. Por ejemplo, el electrodo de cobre de la celda galvánica de Daniell es el terminal positivo y el cátodo.
Una batería que se está recargando o una celda electrolítica que realiza electrólisis tiene su cátodo como terminal negativo, desde donde la corriente sale del dispositivo y regresa al generador externo a medida que la carga ingresa a la batería/celda. Por ejemplo, al invertir la dirección de la corriente en una celda galvánica de Daniell, se convierte en una celda electrolítica [1] 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 flecha, por donde fluye la corriente que sale del dispositivo. Nota: la denominación de los electrodos para los 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 los diodos Zener o las células 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 por donde los electrones ingresan al dispositivo desde el circuito externo y avanzan hacia el casi vacío del tubo, lo que constituye una corriente positiva que fluye fuera del dispositivo.
La palabra fue acuñada en 1834 a partir del griego κάθοδος ( kathodos ), 'descenso' o 'camino hacia abajo', por William Whewell , quien había sido consultado [2] por Michael Faraday sobre algunos nombres nuevos necesarios para completar un artículo sobre el proceso recientemente descubierto de la electrólisis. En ese artículo, Faraday explicó que cuando una celda electrolítica está orientada de manera que la corriente eléctrica atraviesa el "cuerpo en descomposición" (electrolito) en una dirección "de Este a Oeste, o, lo que reforzará esta ayuda para la memoria, aquella en la que el sol parece moverse", el cátodo es donde la corriente sale del electrolito, en el lado Oeste: " kata hacia abajo, 'odos un camino; el camino por el que se pone el sol". [3]
El uso de "Oeste" para significar la dirección "hacia afuera" (en realidad, "hacia afuera" → "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 utilizado el término más sencillo "éxodo" (la puerta por donde sale la corriente). Su motivación para cambiarlo por 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 conocía en ese momento. La referencia que utilizó a este efecto fue la dirección del campo magnético de la Tierra , que en ese momento se creía que era invariante. En esencia, definió su orientación arbitraria para la célula 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 de latitud local que induciría un campo magnético dipolar orientado como el de la Tierra. Esto hacía que la corriente interna fuera de Este a Oeste, como se mencionó anteriormente, pero en caso de un cambio de convención posterior se habría convertido en de Oeste a Este, de modo que el electrodo Oeste ya no habría sido la "salida". Por lo tanto, "éxodo" habría dejado de ser apropiado, mientras que "cátodo", que significa "electrodo Oeste", habría seguido siendo correcto con respecto a la dirección inalterada del fenómeno real subyacente a la corriente, entonces desconocido pero, pensó, definido inequívocamente por la referencia magnética. En retrospectiva, el cambio de nombre fue desafortunado, no sólo porque las raíces griegas por sí solas no revelan más la función del cátodo, sino más importante aún porque, como ahora sabemos, la dirección del campo magnético de la Tierra en la que se basa el término "cátodo" está sujeta a inversiones, mientras que la convención de dirección actual en la que se basaba el término "éxodo" no tiene motivos para cambiar en el futuro.
Desde el descubrimiento posterior del electrón , se ha sugerido una etimología más fácil de recordar y técnicamente más correcta (aunque históricamente falsa): cátodo, del griego kathodos , 'camino hacia abajo', 'el camino (hacia abajo) hacia la celda (u otro dispositivo) para los electrones'.
En química , un cátodo es el electrodo de una celda electroquímica en el que se produce la reducción . 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 las reacciones químicas se utilizan para generar energía eléctrica). El cátodo suministra electrones a los cationes cargados positivamente 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 cargados positivamente; esto se debe a que el potencial del electrodo en relación con la solución electrolítica es diferente para los sistemas de metal/electrolito del ánodo y el cátodo en una celda galvánica ).
La corriente catódica , en electroquímica , es el flujo de electrones desde la interfaz del cátodo hasta una especie en solución. La corriente anódica es el flujo de electrones hacia el ánodo desde una especie en solución.
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 que genera la especie más reductora es más "catódica" con respecto al reactivo que se reduce más fácilmente.
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.
Cuando los iones metálicos se reducen a partir de una solución iónica, forman una superficie de metal puro en el cátodo. Los elementos que se van a recubrir con metal puro se adhieren al cátodo y pasan a formar parte de él en la solución electrolítica.
En un tubo de vacío o sistema electrónico de vacío, el cátodo es una superficie metálica que emite electrones libres al 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 de él; esto se denomina función de trabajo del metal. [4] Los cátodos son inducidos a emitir electrones por varios mecanismos: [4]
Los cátodos se pueden dividir en dos tipos:
Un cátodo caliente es un cátodo que se calienta mediante un filamento para producir electrones por emisión termoiónica . [4] [8] El filamento es un alambre delgado de un metal refractario como el tungsteno calentado al rojo vivo por una corriente eléctrica que pasa a través de él. Antes de la llegada de los transistores en la década de 1960, prácticamente todos los equipos electrónicos utilizaban tubos de vacío de cátodo caliente . Hoy en día, los cátodos calientes se utilizan en tubos de vacío en transmisores de radio y hornos microondas, para producir los 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: [4]
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 (2550 °F), al rojo vivo, para producir suficiente emisión termoiónica para su uso, mientras que los cátodos recubiertos modernos producen muchos más electrones a una temperatura dada, por lo que solo tienen que calentarse a 425–600 °C (797–1112 °F) [4] [9] [10] Hay dos tipos principales de cátodos tratados: [4] [8]
Se trata de un cátodo que no se calienta mediante un filamento. Pueden emitir electrones por emisión de electrones de campo y, en los tubos llenos de gas, por emisión secundaria . Algunos ejemplos son los electrodos de las luces de neón , las lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) que se utilizan como retroiluminación en los ordenadores portátiles, los tubos de tiratrón y los tubos de Crookes . No funcionan necesariamente a temperatura ambiente; en algunos dispositivos, el cátodo se calienta mediante la corriente de electrones que fluye a través de él hasta una temperatura en 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 iniciarse, los electrodos se calientan lo suficiente por la corriente para seguir emitiendo electrones y mantener la descarga. [ cita requerida ]
Los cátodos fríos también pueden emitir electrones por emisión fotoeléctrica . A menudo se los llama fotocátodos y se utilizan en fototubos que se utilizan en instrumentos científicos y en tubos intensificadores de imagen que se utilizan en gafas de visión nocturna. [ cita requerida ]
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 "huecos" libres y, en consecuencia, dopantes negativos fijos que han capturado un electrón (de ahí el origen de los huecos). [ cita requerida ]
Cuando se crean capas dopadas con P y N adyacentes entre sí, la difusión garantiza que los electrones fluyan desde áreas de alta a baja densidad: es decir, del lado N al lado P. Dejan atrás los dopantes fijos con carga positiva cerca de la unión. De manera similar, los huecos 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 están agotadas de electrones libres y huecos. La capa de agotamiento en la unión es el origen de las propiedades rectificadoras del diodo. Esto se debe al campo interno resultante y la barrera de potencial correspondiente que inhiben el flujo de corriente en polarización aplicada inversa, lo que aumenta el campo de la capa de agotamiento interna. Por el contrario, lo permiten en polarización aplicada directa donde la polarización aplicada reduce la barrera de potencial incorporada.
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 la vida útil del portador minoritario de tipo p. De manera similar, los huecos que se difunden hacia 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 agotamiento garantiza una corriente neta cero con electrones que fluyen desde el cátodo al ánodo y se recombinan, y huecos que fluyen desde el ánodo al cátodo a través de la unión o capa de agotamiento y se recombinan. [ cita requerida ]
Al igual que un diodo típico, hay un ánodo y un cátodo fijos en un diodo Zener, pero conducirá corriente en dirección inversa (los electrones fluyen del ánodo al cátodo) si se excede su voltaje de ruptura o "voltaje Zener". [ cita requerida ]