Un cátodo es el electrodo desde el cual sale una corriente convencional de un dispositivo eléctrico polarizado. Esta definición se puede recuperar utilizando el mnemotécnico CCD para Cathode Current Departs . Una corriente convencional describe la dirección en la que se mueven las cargas positivas. Los electrones tienen 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 catódica mnemotécnica 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 dependiendo de cómo se esté operando el dispositivo. Dentro de un dispositivo o de una celda, los cationes cargados positivamente siempre se mueven hacia el cátodo y los aniones cargados negativamente 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 al recargar una batería) o polarizado positivamente (como una batería en uso), el cátodo atraerá electrones desde el exterior, así como también atraerá cationes cargados positivamente desde el interior.
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 al cátodo positivo (la energía química es responsable de este movimiento "cuesta arriba"). Continúa externamente mediante electrones que ingresan a la batería, lo que constituye una corriente positiva que fluye hacia afuera. Por ejemplo, el electrodo de cobre de la celda galvánica 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, del 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 [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 la flecha, por donde la corriente 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 diodos Zener o 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 donde los electrones ingresan al dispositivo desde el circuito externo y avanzan hacia el casi vacío del tubo, constituyendo una corriente positiva que fluye fuera del dispositivo.
La palabra fue acuñada en 1834 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 recién descubierto proceso de electrólisis. En ese artículo Faraday explicaba que cuando una celda electrolítica se orienta de manera 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 por donde la corriente sale del electrolito, en el lado oeste: " kata hacia abajo, `odos a way; el camino por el que se pone el sol". [3]
El uso de 'Oeste' para referirse a la dirección 'fuera' (en realidad 'fuera' → 'Oeste' → 'puesta de sol' → 'abajo', es decir, 'fuera de 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 a algo que significara "el electrodo Oeste" (otros candidatos habían sido "westodo", "occiodo" y "disiodo") 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 utilizó para este efecto fue la dirección del campo magnético terrestre , que en aquella época se creía invariante. Fundamentalmente definió su orientación arbitraria para la celda como aquella en la que la corriente interna correría paralela y en la misma dirección que un hipotético bucle de corriente magnetizante alrededor de la línea local de latitud que induciría un campo dipolar magnético orientado como el de la Tierra. Esto hizo 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 de Oeste a Este, de modo que el electrodo Oeste ya no habría sido la "salida". Por lo tanto, "éxodo" habría resultado inapropiado, mientras que "cátodo", que significa "electrodo occidental", habría seguido siendo correcto con respecto a la dirección invariable del fenómeno real subyacente a la corriente, entonces desconocida pero, según él, definida inequívocamente por la referencia magnética. . En retrospectiva, el cambio de nombre fue desafortunado, no sólo porque las raíces griegas por sí solas ya no revelan la función del cátodo, sino más importantemente porque, como ahora sabemos, la dirección del campo magnético de la Tierra en el que se basa el término "cátodo" está sujeta a reversiones, mientras que la actual convención de dirección en la que se basó el término "éxodo" no tiene motivos para cambiar en el futuro.
Desde el posterior descubrimiento del electrón , se ha sugerido una etimología más fácil de recordar y técnicamente más duraderamente correcta (aunque históricamente falsa): cátodo, del griego kathodos , 'camino hacia abajo', 'el camino (hacia abajo) hacia la célula'. (u otro dispositivo) para 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 se utilizan reacciones químicas 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 repele los cationes cargados positivamente; esto se debe al potencial relativo del electrodo ). a que la solución de electrolito sea 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 catódica 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 para generar las especies más reductoras 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 desprende electrones, estos regresan del circuito a la celda a través del cátodo.
Cuando los iones metálicos se reducen de una solución iónica, forman una superficie de metal puro en el cátodo. Los elementos que se van a recubrir con metal puro se unen al cátodo y pasan a formar parte del mismo en la solución electrolítica.
En un tubo de vacío o sistema de vacío electrónico, 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 llama función de trabajo del metal. [4] Los cátodos son inducidos a emitir electrones mediante 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 lo atraviesa. 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 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: [4]
Para mejorar la emisión de electrones, los cátodos se tratan con productos químicos, normalmente compuestos de metales con una función de trabajo baja . Los cátodos tratados requieren menos superficie, temperaturas más bajas y menos energía para suministrar la misma corriente catódica. 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 recubiertos modernos producen muchos más electrones. a una temperatura determinada, por lo que solo deben calentarse a 425–600 °C (~800–1100 °F) () [4] [9] [10] Hay dos tipos principales de cátodos tratados: [4] [8 ]
Este es un cátodo que no se calienta con 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 en las luces de neón , las lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) utilizadas como retroiluminación en las computadoras portátiles, los tubos tiratrón y los tubos Crookes . No necesariamente funcionan a temperatura ambiente; en algunos dispositivos, el cátodo se calienta mediante la corriente de electrones que fluye a través de él 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, la corriente calienta lo suficiente los electrodos como para seguir emitiendo electrones para sostener la descarga.
Los cátodos fríos también pueden emitir electrones mediante emisión fotoeléctrica . A menudo se les llama fotocátodos y se usan en fototubos utilizados en instrumentos científicos y tubos intensificadores de imagen utilizados en gafas de visión nocturna.
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 han sido ionizados térmicamente. En el ánodo ocurre 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 se crean capas dopadas con P y N adyacentes entre sí, la difusión asegura que los electrones fluyan desde áreas de alta a baja densidad: es decir, del lado N al P. Dejan atrás los dopantes fijos con carga positiva cerca de la unión. De manera similar, los agujeros se difunden de P a N dejando dopantes ionizados negativos fijos cerca de la unión. Estas capas de cargas fijas positivas y negativas se conocen colectivamente como capa de agotamiento porque están agotadas de electrones y huecos libres. 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 polarización inversa aplicada, lo que aumenta el campo de la capa de agotamiento interno. Por el contrario, lo permiten en el sesgo aplicado hacia adelante donde el sesgo aplicado reduce la barrera potencial incorporada.
Los electrones que 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 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 del cátodo al ánodo y se recombinan, y agujeros que fluyen del ánodo al cátodo a través de la unión o capa de agotamiento. y recombinando.
Como 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".