Kathode
Eine Kathode [kaˈtoːdə] (von altgriechisch κάθοδος káthodos „Rückweg“, wörtlich „Weg nach unten“), auch Katode, ist eine Elektrode, durch die Elektronen einem Raum, meist einem Bauteil, zugeführt werden. In dem Raum kann ein Vakuum (s. Elektronenröhre), ein Gas (s. Gasentladungsröhre), ein Plasma oder ein Elektrolyt vorliegen. Entsprechend der Definition können an einer Kathode Reduktionsreaktionen ablaufen, z. B. positive Ionen (Kationen) entladen werden. ⓘ
Die Kathode ist die Gegenelektrode zur Anode. Befinden sich Ionen oder freie Elektronen zwischen diesen Elektroden, wandern bei Stromdurchgang die Kationen zur Kathode, die Anionen zur Anode. ⓘ
Entsprechend der elektrischen Polarität zwischen den Elektroden wird einer Kathode entweder der Pluspol (+) oder der Minuspol (−) zugeordnet. Bei freiwillig ablaufenden Redoxreaktionen, wie dem Entladevorgang von Batterien, ist die Kathode die positive Elektrode. Bei einer durch angelegte Spannung erzwungenen Redoxreaktion, wie der Elektrolyse, ist die Kathode die negativ polarisierte Elektrode. ⓘ
Bei wiederaufladbaren Batterien (Akkumulatoren) arbeitet dieselbe Elektrode entweder als Anode oder Kathode, je nachdem, ob der Akkumulator geladen oder entladen wird. ⓘ
Eine Kathode ist die Elektrode, an der ein konventioneller Strom ein gepoltes elektrisches Gerät verlässt. Diese Definition kann mit der Eselsbrücke CCD für Cathode Current Departs in Erinnerung gerufen werden. Ein konventioneller Strom beschreibt die Richtung, in der sich positive Ladungen bewegen. Elektronen haben eine negative elektrische Ladung, so dass die Bewegung der Elektronen der des konventionellen Stromflusses entgegengesetzt ist. Folglich bedeutet die Redewendung Kathodenstrom fließt auch, dass Elektronen aus dem äußeren Stromkreis in die Kathode des Geräts fließen. ⓘ
Die Elektrode, durch die der herkömmliche Strom in die andere Richtung, also in das Gerät, fließt, wird als Anode bezeichnet. ⓘ
Ladungsfluss
Herkömmlicher Strom fließt außerhalb der Zelle oder des Geräts von der Kathode zur Anode (wobei sich die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung bewegen), unabhängig von der Art der Zelle oder des Geräts und der Betriebsart. ⓘ
Die Polarität der Kathode in Bezug auf die Anode kann positiv oder negativ sein, je nachdem, wie das Gerät betrieben wird. Positiv geladene Kationen bewegen sich immer in Richtung Kathode und negativ geladene Anionen bewegen sich in Richtung Anode, obwohl die Kathodenpolarität vom Gerätetyp abhängt und sogar je nach Betriebsmodus variieren kann. Unabhängig davon, ob die Kathode negativ gepolt ist (z. B. beim Aufladen einer Batterie) oder positiv gepolt (z. B. bei einer in Betrieb befindlichen Batterie), zieht die Kathode Elektronen an und zieht positiv geladene Kationen an. Eine Batterie oder galvanische Zelle im Betrieb hat eine Kathode, die der positive Pol ist, da dort der herkömmliche Strom aus dem Gerät fließt. Dieser nach außen fließende Strom wird intern durch positive Ionen transportiert, die sich vom Elektrolyten zur positiven Kathode bewegen (für diese "Aufwärtsbewegung" ist chemische Energie verantwortlich). Nach außen wird er durch Elektronen fortgesetzt, die sich in die Batterie hineinbewegen und einen positiven Strom bilden, der nach außen fließt. Die Kupferelektrode der galvanischen Daniell-Zelle ist beispielsweise der positive Pol und die Kathode. Bei einer Batterie, die aufgeladen wird, oder einer Elektrolysezelle, die eine Elektrolyse durchführt, ist die Kathode der negative Pol, von dem aus der Strom aus dem Gerät austritt und zum externen Generator zurückkehrt, während Ladung in die Batterie/Zelle gelangt. Die Umkehrung der Stromrichtung in einer galvanischen Daniell-Zelle beispielsweise verwandelt diese in eine elektrolytische Zelle, bei der die Kupferelektrode der positive Pol und gleichzeitig die Anode ist. Bei einer Diode ist die Kathode der negative Anschluss am spitzen Ende des Pfeilsymbols, wo der Strom aus dem Gerät fließt. Hinweis: Die Benennung der Elektroden bei Dioden richtet sich immer nach der Richtung des Vorwärtsstroms (die des Pfeils, in die der Strom "am leichtesten" fließt), auch bei Typen wie Zenerdioden oder Solarzellen, bei denen der Strom von Interesse ist, der umgekehrt fließt. Bei Vakuumröhren (einschließlich Kathodenstrahlröhren) ist es der Minuspol, an dem die Elektronen aus dem äußeren Stromkreis in das Beinahe-Vakuum der Röhre eindringen und einen positiven Strom erzeugen, der aus dem Gerät fließt. ⓘ
Etymologie
Das Wort wurde 1834 von William Whewell aus dem Griechischen κάθοδος (kathodos), "Abstieg" oder "Weg nach unten", geprägt, der von Michael Faraday wegen einiger neuer Namen konsultiert worden war, die für die Fertigstellung einer Arbeit über den kürzlich entdeckten Prozess der Elektrolyse benötigt wurden. In dieser Abhandlung erklärte Faraday, dass, wenn eine Elektrolysezelle so ausgerichtet ist, dass der elektrische Strom den "sich zersetzenden Körper" (Elektrolyt) in einer Richtung "von Osten nach Westen durchläuft, oder, was diese Gedächtnisstütze verstärken wird, in der Richtung, in der sich die Sonne zu bewegen scheint", die Kathode dort liegt, wo der Strom den Elektrolyt verlässt, auf der Westseite: "kata abwärts, `odos ein Weg; der Weg, den die Sonne untergeht". ⓘ
Die Verwendung von "West" als Bezeichnung für die Richtung "draußen" (eigentlich "draußen" → "Westen" → "Sonnenuntergang" → "unten", d. h. "außer Sichtweite") mag unnötig konstruiert erscheinen. Zuvor hatte Faraday, wie in der ersten oben zitierten Referenz erwähnt, den einfacheren Begriff "exode" (die Tür, durch die der Strom austritt) verwendet. Er änderte den Begriff in "West-Elektrode" (andere Kandidaten waren "Westode", "Occiode" und "Dysiode"), um gegen eine mögliche spätere Änderung der Stromrichtungskonvention gefeit zu sein, deren genaue Art damals noch nicht bekannt war. Als Bezugspunkt diente ihm dabei die Richtung des Erdmagnetfeldes, die damals als unveränderlich galt. Grundsätzlich definierte er seine willkürliche Ausrichtung der Zelle so, dass der innere Strom parallel und in der gleichen Richtung wie eine hypothetische magnetisierende Stromschleife um den lokalen Breitengrad verlaufen würde, die ein magnetisches Dipolfeld induzieren würde, das wie das der Erde ausgerichtet wäre. Damit wäre der interne Strom wie bereits erwähnt von Ost nach West verlaufen, aber im Falle einer späteren Änderung der Konvention wäre er von West nach Ost verlaufen, so dass die Westelektrode nicht mehr der "Ausweg" gewesen wäre. Daher wäre "Exode" unpassend geworden, während "Kathode" im Sinne von "Westelektrode" im Hinblick auf die unveränderte Richtung des dem Strom zugrundeliegenden Phänomens, das damals noch unbekannt, aber seiner Meinung nach durch den magnetischen Bezug eindeutig definiert war, korrekt geblieben wäre. Im Nachhinein betrachtet war die Namensänderung unglücklich, nicht nur, weil die griechischen Wurzeln allein die Funktion der Kathode nicht mehr erkennen lassen, sondern vor allem, weil, wie wir heute wissen, die Richtung des Erdmagnetfeldes, auf der der Begriff "Kathode" beruht, Umkehrungen unterworfen ist, während die Stromrichtungskonvention, auf der der Begriff "Exode" beruhte, keinen Grund hat, sich in Zukunft zu ändern. ⓘ
Seit der späteren Entdeckung des Elektrons wurde eine leichter zu merkende und technisch korrektere (wenn auch historisch falsche) Etymologie vorgeschlagen: Kathode, vom griechischen kathodos, 'Weg nach unten', 'der Weg (nach unten) in die Zelle (oder ein anderes Gerät) für Elektronen'. ⓘ
In der Chemie
In der Chemie ist eine Kathode die Elektrode einer elektrochemischen Zelle, an der eine Reduktion stattfindet. Die Kathode kann negativ sein, wie bei einer elektrolytischen Zelle (bei der die der Zelle zugeführte elektrische Energie zur Zersetzung chemischer Verbindungen verwendet wird), oder positiv, wie bei einer galvanischen Zelle (bei der chemische Reaktionen zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden). Die Kathode liefert Elektronen an die positiv geladenen Kationen, die aus dem Elektrolyten zu ihr fließen (auch wenn die Zelle galvanisch ist, d. h. wenn die Kathode positiv ist und daher die positiv geladenen Kationen abstoßen sollte; dies ist darauf zurückzuführen, dass das Elektrodenpotenzial im Verhältnis zur Elektrolytlösung für das Anoden- und das Kathoden-Metall/Elektrolyt-System in einer galvanischen Zelle unterschiedlich ist). ⓘ
In der Elektrochemie ist der kathodische Strom der Fluss von Elektronen von der Kathodengrenzfläche zu einer Spezies in der Lösung. Der anodische Strom ist der Fluss von Elektronen aus einer Spezies in Lösung in die Anode. ⓘ
Beispiele für Kathodenreaktionen: Abscheidung von elementarem Kupfer als Teilreaktion in einem Daniell-Element:
- Cu2+ + 2 e− → Cu0 (s)
Freisetzung von gasförmigem Wasserstoff als Teilreaktion der Wasserelektrolyse:
- 2 H3O+ + 2 e− → H2 (g) + 2 H2O ⓘ
Elektrolytische Zelle
In einer elektrolytischen Zelle ist die Kathode der Ort, an dem die negative Polarität angelegt wird, um die Zelle anzutreiben. Übliche Ergebnisse der Reduktion an der Kathode sind Wasserstoffgas oder reines Metall aus Metallionen. Wenn es um die relative Reduktionskraft zweier Redoxmittel geht, wird das Paar, das die stärker reduzierende Spezies erzeugt, als "kathodischer" gegenüber dem leichter reduzierten Reagenz bezeichnet. ⓘ
Galvanische Zelle
In einer galvanischen Zelle ist die Kathode der Ort, an dem der Pluspol angeschlossen ist, damit der Stromkreis geschlossen werden kann: Wenn die Anode der galvanischen Zelle Elektronen abgibt, kehren diese aus dem Stromkreis über die Kathode in die Zelle zurück. ⓘ
Galvanische Metallkathode (Elektrolyse)
Wenn Metallionen aus einer ionischen Lösung reduziert werden, bilden sie an der Kathode eine reine Metalloberfläche. Gegenstände, die mit reinem Metall beschichtet werden sollen, werden in der elektrolytischen Lösung an der Kathode befestigt und werden Teil davon. ⓘ
In der Elektronik
Vakuumröhren
In einer Vakuumröhre oder einem elektronischen Vakuumsystem ist die Kathode eine Metalloberfläche, die freie Elektronen in den evakuierten Raum abgibt. Da die Elektronen von den positiven Kernen der Metallatome angezogen werden, bleiben sie normalerweise im Inneren des Metalls und benötigen Energie, um es zu verlassen; dies wird als Arbeitsfunktion des Metalls bezeichnet. Kathoden werden durch verschiedene Mechanismen zur Emission von Elektronen angeregt:
- Thermionische Emission: Die Kathode kann erhitzt werden. Die erhöhte thermische Bewegung der Metallatome "stößt" Elektronen aus der Oberfläche, ein Effekt, der als thermionische Emission bezeichnet wird. Diese Technik wird in den meisten Vakuumröhren verwendet.
- Feldelektronenemission: Ein starkes elektrisches Feld kann an die Oberfläche angelegt werden, indem eine Elektrode mit hoher positiver Spannung in der Nähe der Kathode platziert wird. Die positiv geladene Elektrode zieht die Elektronen an, so dass einige Elektronen die Oberfläche der Kathode verlassen. Dieses Verfahren wird bei Kaltkathoden in einigen Elektronenmikroskopen und bei der Herstellung von Mikroelektronik verwendet,
- Sekundäre Emission: Ein Elektron, Atom oder Molekül, das mit ausreichender Energie auf die Oberfläche der Kathode trifft, kann Elektronen aus der Oberfläche herausschlagen. Diese Elektronen werden als Sekundärelektronen bezeichnet. Dieser Mechanismus wird in Gasentladungslampen wie z. B. Neonlampen genutzt.
- Photoelektrische Emission: Auch von den Elektroden bestimmter Metalle können Elektronen emittiert werden, wenn Licht mit einer Frequenz oberhalb der Schwellenfrequenz auf sie fällt. Dieser Effekt wird als photoelektrische Emission bezeichnet, und die erzeugten Elektronen werden als Photoelektronen bezeichnet. Dieser Effekt wird in Fotoröhren und Bildverstärkerröhren genutzt. ⓘ
Kathoden können in zwei Typen unterteilt werden: ⓘ
Glühkathode
Eine Glühkathode ist eine Kathode, die durch einen Glühfaden erhitzt wird, um Elektronen durch thermionische Emission zu erzeugen. Der Glühfaden ist ein dünner Draht aus einem hochschmelzenden Metall wie Wolfram, der durch einen elektrischen Strom rotglühend erhitzt wird. Vor dem Aufkommen der Transistoren in den 1960er Jahren wurden in praktisch allen elektronischen Geräten Glühkathodenröhren verwendet. Heute werden Glühkathoden in Vakuumröhren in Rundfunksendern und Mikrowellenherden, zur Erzeugung der Elektronenstrahlen in älteren Fernsehern und Computermonitoren vom Typ Kathodenstrahlröhre (CRT), in Röntgengeneratoren, Elektronenmikroskopen und Leuchtstoffröhren verwendet. ⓘ
Es gibt zwei Arten von Glühkathoden:
- Direkt beheizte Kathode: Bei diesem Typ ist der Glühfaden selbst die Kathode und strahlt die Elektronen direkt ab. Direkt beheizte Kathoden wurden in den ersten Vakuumröhren verwendet, aber heute werden sie nur noch in Leuchtstoffröhren, einigen großen, durchlässigen Vakuumröhren und allen Röntgenröhren eingesetzt.
- Indirekt beheizte Kathode: Bei diesem Typ ist der Glühfaden nicht die Kathode, sondern heizt die Kathode, die dann Elektronen aussendet. Indirekt beheizte Kathoden werden heute in den meisten Geräten verwendet. In den meisten Vakuumröhren beispielsweise ist die Kathode eine Nickelröhre, in der sich der Glühfaden befindet, und die Wärme des Glühfadens bewirkt, dass die Außenfläche der Röhre Elektronen aussendet. Der Glühfaden einer indirekt beheizten Kathode wird gewöhnlich als Heizer bezeichnet. Der Hauptgrund für die Verwendung einer indirekt beheizten Kathode besteht darin, den Rest der Vakuumröhre vom elektrischen Potenzial über dem Glühfaden zu isolieren. Viele Vakuumröhren verwenden Wechselstrom, um den Glühfaden zu heizen. In einer Röhre, in der der Glühfaden selbst die Kathode ist, würde das elektrische Wechselfeld von der Oberfläche des Glühfadens die Bewegung der Elektronen beeinflussen und ein Brummen in den Röhrenausgang bringen. Außerdem können die Glühfäden in allen Röhren eines elektronischen Geräts miteinander verbunden und von derselben Stromquelle gespeist werden, auch wenn die Kathoden, die sie beheizen, auf unterschiedlichen Potenzialen liegen. ⓘ
Um die Elektronenemission zu verbessern, werden Kathoden mit Chemikalien behandelt, in der Regel Verbindungen von Metallen mit einer niedrigen Arbeitsfunktion. Behandelte Kathoden benötigen eine geringere Oberfläche, niedrigere Temperaturen und weniger Strom, um den gleichen Kathodenstrom zu liefern. Die unbehandelten Wolframglühfäden, die in frühen Röhren verwendet wurden (so genannte "Bright Emitters"), mussten auf 1400 °C (~2500 °F), also weißglühend, erhitzt werden, um genügend thermionische Emission für die Verwendung zu erzeugen, während moderne beschichtete Kathoden bei einer gegebenen Temperatur viel mehr Elektronen erzeugen, so dass sie nur auf 425-600 °C (~800-1100 °F) erhitzt werden müssen () Es gibt zwei Haupttypen von behandelten Kathoden:
- Beschichtete Kathode - Bei diesen Kathoden ist die Kathode mit einer Beschichtung aus Alkalimetalloxiden, häufig Barium- und Strontiumoxid, versehen. Sie werden in Röhren mit geringer Leistung verwendet.
- Thoriertes Wolfram - In Hochleistungsröhren kann der Ionenbeschuss die Beschichtung einer beschichteten Kathode zerstören. In diesen Röhren wird eine direkt beheizte Kathode verwendet, die aus einem Glühfaden aus Wolfram besteht, der eine geringe Menge Thorium enthält. Die Thoriumschicht auf der Oberfläche, die die Arbeitsfunktion der Kathode verringert, wird ständig erneuert, da sie durch Diffusion von Thorium aus dem Inneren des Metalls verloren geht. ⓘ
Kaltkathode
Dies ist eine Kathode, die nicht durch einen Glühfaden beheizt wird. Sie kann Elektronen durch Feldelektronenemission und in gasgefüllten Röhren durch Sekundäremission emittieren. Einige Beispiele sind Elektroden in Neonröhren, Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFLs), die als Hintergrundbeleuchtung in Laptops verwendet werden, Thyratron-Röhren und Crookes-Röhren. Sie arbeiten nicht unbedingt bei Raumtemperatur; in einigen Geräten wird die Kathode durch den durch sie fließenden Elektronenstrom auf eine Temperatur erhitzt, bei der thermionische Emission auftritt. In einigen Leuchtstoffröhren wird beispielsweise eine kurzzeitige Hochspannung an die Elektroden angelegt, um den Strom durch die Röhre zu starten; nach dem Start werden die Elektroden durch den Strom so stark erhitzt, dass sie weiterhin Elektronen emittieren, um die Entladung aufrechtzuerhalten. ⓘ
Kaltkathoden können auch Elektronen durch fotoelektrische Emission emittieren. Sie werden oft als Photokathoden bezeichnet und in Photoröhren für wissenschaftliche Instrumente und Bildverstärkerröhren für Nachtsichtgeräte verwendet. ⓘ
Dioden
Bei einer Halbleiterdiode ist die Kathode die N-dotierte Schicht des PN-Übergangs mit einer hohen Dichte an freien Elektronen aufgrund der Dotierung und einer gleich hohen Dichte an festen positiven Ladungen, die die thermisch ionisierten Dotierstoffe darstellen. Bei der Anode verhält es sich umgekehrt: Sie weist eine hohe Dichte an freien "Löchern" und folglich feste negative Dotierstoffe auf, die ein Elektron eingefangen haben (daher der Ursprung der Löcher). ⓘ
Wenn P- und N-dotierte Schichten nebeneinander entstehen, sorgt die Diffusion dafür, dass Elektronen von Bereichen mit hoher zu denen mit niedriger Dichte fließen: Das heißt, von der N- zur P-Seite. Dabei lassen sie die festen positiv geladenen Dotierstoffe in der Nähe des Übergangs zurück. In ähnlicher Weise diffundieren Löcher von der P- zur N-Seite und hinterlassen feste, negativ ionisierte Dotierstoffe in der Nähe der Sperrschicht. Diese Schichten mit festen positiven und negativen Ladungen werden als Verarmungsschicht bezeichnet, da sie an freien Elektronen und Löchern verarmt sind. Die Verarmungsschicht an der Sperrschicht ist der Grund für die gleichrichtenden Eigenschaften der Diode. Dies ist auf das daraus resultierende interne Feld und die entsprechende Potenzialbarriere zurückzuführen, die den Stromfluss bei einer in Sperrrichtung angelegten Vorspannung, die das interne Feld der Verarmungsschicht erhöht, hemmen. Umgekehrt lassen sie den Stromfluss zu, wenn eine Vorwärtsspannung angelegt wird, die die eingebaute Potenzialbarriere verringert. ⓘ
Elektronen, die von der Kathode in die P-dotierte Schicht oder Anode diffundieren, werden zu so genannten "Minoritätsträgern" und neigen dazu, dort mit den Majoritätsträgern, d. h. Löchern, zu rekombinieren, und zwar auf einer für das Material charakteristischen Zeitskala, nämlich der Lebensdauer der p-Minoritätsträger. In ähnlicher Weise werden Löcher, die in die N-dotierte Schicht diffundieren, zu Minoritätsträgern und neigen dazu, mit Elektronen zu rekombinieren. Im Gleichgewicht, ohne angelegte Vorspannung, sorgt die thermisch unterstützte Diffusion von Elektronen und Löchern in entgegengesetzter Richtung über die Verarmungsschicht für einen Nettostrom von Null, wobei Elektronen von der Kathode zur Anode fließen und rekombinieren und Löcher von der Anode zur Kathode über den Übergang oder die Verarmungsschicht fließen und rekombinieren. ⓘ
Wie bei einer typischen Diode gibt es bei einer Zener-Diode eine feste Anode und Kathode, aber sie leitet den Strom in umgekehrter Richtung (Elektronen fließen von der Anode zur Kathode), wenn ihre Durchbruchspannung oder "Zenerspannung" überschritten wird. ⓘ
Elektrotechnik
Weitere Anwendungen
Sehr aufwändige Kathoden findet man bei Anlagen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), zum Beispiel in Form von in der See verlegten riesigen Kupferringen wie bei der HGÜ Kontek zwischen Deutschland und Dänemark in der Ostsee nördlich von Rostock. Ebenso findet man sie in Galvanisierbetrieben oder auch in Akkumulatoren (z. B. Autobatterien) sowie im kathodischen Korrosionsschutz. ⓘ