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Articulo de referencia

Cátodo

Diagrama de un cátodo de cobre en una celda galvánica (por ejemplo, una batería). Los cationes con carga positiva se mueven hacia el cátodo, permitiendo que fluya una corriente ...

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Diagrama de un cátodo de cobre en una celda galvánica (por ejemplo, una batería). Los cationes con carga positiva se mueven hacia el cátodo, permitiendo que fluya una corriente positiva i desde el cátodo.

Un cátodo es el electrodo por donde sale la corriente convencional de un dispositivo eléctrico polarizado, como una batería de plomo-ácido . Esta definición se puede recordar usando la mnemotecnia CCD, que significa « Sale la corriente del cátodo» . La corriente convencional describe la dirección en la que se mueven las cargas positivas. Los electrones, que son los portadores de corriente en la mayoría de los sistemas eléctricos, tienen una carga eléctrica negativa, por lo que el movimiento de los electrones es opuesto al del flujo de corriente convencional: esto significa que los electrones fluyen hacia el cátodo del dispositivo desde el circuito externo. Por ejemplo, el extremo de una pila doméstica marcado con un + (más) es el cátodo.

El electrodo por el que fluye la corriente convencional en sentido contrario, hacia el dispositivo, se denomina ánodo .

flujo de carga

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 del funcionamiento del dispositivo. Dentro de un dispositivo o 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 al recargar una batería) como positivamente (como en una batería en uso), atraerá electrones del exterior y cationes con carga positiva del 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 de salida es transportada internamente por iones positivos que se mueven desde el electrolito hacia el cátodo positivo (la energía química es responsable de este movimiento ascendente). Externamente, continúa gracias a los electrones que entran en 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, por donde sale la corriente del dispositivo y regresa al generador externo a medida que la carga entra en la batería/celda. Por ejemplo, invertir la dirección de la corriente en una celda galvánica de 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 fluye la corriente hacia afuera del dispositivo. Nota: la nomenclatura de los electrodos en los diodos siempre se basa en la dirección de la corriente directa (la de la flecha, en la que la corriente fluye "con mayor facilidad"), incluso para tipos como los diodos Zener o las células solares, donde la corriente de interés es la inversa. En los tubos de vacío (incluidos los tubos de rayos catódicos ), es el terminal negativo por donde los electrones entran al dispositivo desde el circuito externo y se dirigen al casi vacío del tubo, constituyendo una corriente positiva que fluye hacia afuera del dispositivo.

Etimología

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 de electrólisis recientemente descubierto. 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 a la memoria, aquella en la que parece moverse el sol", el cátodo es donde la corriente sale del electrolito, en el lado oeste: " kata hacia abajo, ' odos un camino; el camino por donde se pone el sol". [ 3 ]

El uso de «Oeste» para referirse a la dirección de «salida» (en realidad «salida» → «Oeste» → «puesta de sol» → «abajo», es decir, «fuera de la vista») puede parecer innecesariamente rebuscado. Anteriormente, como se relata en la primera referencia citada, Faraday había utilizado el término más directo «éxodo» (la puerta por donde sale la corriente). Su motivación para cambiarlo a algo que significara «electrodo Oeste» (otras opciones habían sido «oestedo», «occiodo» y «disiodo») fue hacerlo inmune a un posible cambio posterior en la convención de dirección de la corriente , cuya naturaleza exacta se desconocía en ese momento. La referencia que utilizó para este efecto fue la dirección del campo magnético terrestre , que en ese momento se creía invariable. Definió fundamentalmente su orientación arbitraria para la célula 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 de latitud local, que induciría un campo dipolar magnético orientado como el de la Tierra. Esto hacía que la corriente interna fluyera de Este a Oeste, como se mencionó anteriormente, pero en caso de un cambio de convención posterior, habría pasado a fluir de Oeste a Este, de modo que el electrodo Oeste ya no habría sido la "salida". Por lo tanto, "éxodo" se habría vuelto inapropiado, mientras que "cátodo", que significa "electrodo Oeste", habría permanecido correcto con respecto a la dirección inalterada del fenómeno real subyacente a la corriente, entonces desconocido pero, según él, definido inequívocamente por la referencia magnética. En retrospectiva, el cambio de nombre fue desafortunado, no solo porque las raíces griegas por sí solas ya no revelan la función del cátodo, sino, lo que es más importante, porque, como ahora sabemos, la dirección del campo magnético terrestre 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 posterior descubrimiento del electrón , se ha sugerido una etimología más fácil de recordar y más duraderamente correcta desde el punto de vista técnico (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

En química , un cátodo es el electrodo de una celda electroquímica donde ocurre la reducción . El cátodo puede ser negativo, como cuando la celda es electrolítica (donde la energía eléctrica suministrada 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 con carga positiva 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 repeliera los cationes con carga positiva; esto se debe a que el potencial del electrodo con respecto a la solución electrolítica es diferente para los sistemas metal/electrolito del ánodo y del cátodo en una celda galvánica ).

En electroquímica , la corriente catódica es el flujo de electrones desde la interfaz del cátodo hacia una especie en solución. La corriente anódica es el flujo de electrones hacia el ánodo desde una especie en solución.

celda electrolítica

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 hidrógeno gaseoso o metal puro a partir de iones metálicos. Al analizar el poder reductor relativo de dos agentes redox, se dice que el par que genera la especie más reductora es más "catódico" con respecto al reactivo que se reduce más fácilmente.

Célula galvánica

En una pila galvánica , el cátodo es donde se conecta el polo positivo para que se complete el circuito: a medida que el ánodo de la pila galvánica emite electrones, estos regresan del circuito a la pila a través del cátodo.

Cátodo de metal para galvanoplastia (electrólisis)

Cuando los iones metálicos se reducen de una solución iónica, forman una superficie de metal puro en el cátodo. Los objetos que se van a recubrir con metal puro se adhieren al cátodo y pasan a formar parte de él en la solución electrolítica.

En electrónica

tubos de vacío

Resplandor proveniente del cátodo calentado directamente de un tubo tetrodo  de potencia de 1 kW en un transmisor de radio. El filamento del cátodo no es directamente visible.

En un tubo de vacío o sistema de vacío electrónico, el cátodo suele ser una superficie metálica con un recubrimiento de óxido que mejora mucho la emisión de electrones, [ 4 ] calentada por un filamento, que emite electrones libres al espacio evacuado. En algunos casos, el filamento desnudo actúa como cátodo. Dado que los electrones son atraídos por los núcleos positivos de los átomos del metal, normalmente permanecen dentro del metal y requieren energía para salir de él; esto se denomina función de trabajo del metal. [ 5 ] Los cátodos se inducen a emitir electrones mediante varios mecanismos: [ 5 ]

Los cátodos se pueden dividir en dos tipos:

cátodo caliente

Dos cátodos calentados indirectamente (tira calefactora naranja) en el tubo de doble triodo ECC83
Vista en sección de un tubo de vacío triodo con cátodo calentado indirectamente (tubo naranja) , que muestra el elemento calefactor en su interior.
Símbolo esquemático utilizado en diagramas de circuitos para tubos de vacío, que muestra el cátodo.

Un cátodo caliente es un cátodo que se calienta mediante un filamento para producir electrones por emisión termoiónica . [ 5 ] [ 9 ] El filamento es un hilo 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 de microondas, para producir los haces de electrones en televisores y monitores de computadora antiguos de tipo tubo de rayos catódicos (CRT), en generadores de rayos X , microscopios electrónicos y tubos fluorescentes .

Existen dos tipos de cátodos calientes: [ 5 ]

  • Cátodo de calentamiento directo : En este tipo, el filamento mismo actúa como cátodo y emite los electrones directamente. Los cátodos de calentamiento directo se utilizaron en los primeros tubos de vacío, pero hoy en día solo se emplean en tubos fluorescentes , algunos tubos de vacío transmisores de gran tamaño y todos los tubos de rayos X.
  • Cátodo de calentamiento indirecto : En este tipo, el filamento no es el cátodo, sino que calienta el cátodo, que luego emite electrones. Los cátodos de calentamiento indirecto se utilizan en la mayoría de los dispositivos actuales. Por ejemplo, en la mayoría de los tubos de vacío, el cátodo es un tubo de níquel con el filamento en su interior, y el calor del filamento hace que la superficie exterior del tubo emita electrones. [ 9 ] El filamento de un cátodo de calentamiento indirecto se suele llamar calentador . La razón principal para usar un cátodo de calentamiento indirecto es aislar el resto del tubo de vacío del potencial eléctrico a través del filamento. Muchos tubos de vacío usan corriente alterna para calentar el filamento. En un tubo en el que el propio filamento fuera el cátodo, el campo eléctrico alterno de la superficie del filamento afectaría el movimiento de los electrones e introduciría zumbido en la salida del tubo. También permite que los filamentos de todos los tubos de un dispositivo electrónico estén conectados entre sí y alimentados por la misma fuente de corriente, aunque los cátodos que calientan puedan estar a diferentes potenciales.

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 superficial, temperaturas más bajas y menos potencia 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 (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) [ 5 ] [ 10 ] [ 11 ] Hay dos tipos principales de cátodos tratados: [ 5 ] [ 9 ]    

Cátodo frío (electrodo izquierdo) en una lámpara de neón
  • Cátodo recubierto: En estos, el cátodo está recubierto con una capa de óxidos de metales alcalinos , a menudo óxido de bario y estroncio . Se utilizan en tubos de baja potencia.
  • Tungsteno toriado: En tubos de alta potencia, el bombardeo iónico puede destruir el recubrimiento de un cátodo revestido. En estos tubos se utiliza un cátodo de calentamiento directo que consiste en un filamento de tungsteno con una pequeña cantidad de torio . La capa de torio en la superficie, que reduce la función de trabajo del cátodo, se repone continuamente a medida que se pierde por difusión de torio desde el interior del metal. [ 12 ]

cátodo frío

Se trata de un cátodo que no se calienta mediante 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 de las luces de neón , las lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) utilizadas como retroiluminación en ordenadores 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 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; tras el inicio, los electrodos se calientan lo suficiente por la corriente para seguir emitiendo electrones y mantener la descarga. [ 13 ]

Los cátodos fríos también pueden emitir electrones por emisión fotoeléctrica . A menudo se les denomina fotocátodos y se utilizan en fototubos empleados en instrumentos científicos y en tubos intensificadores de imagen utilizados en gafas de visión nocturna.

Diodos

Símbolo electrónico de un diodo

En un diodo semiconductor , el cátodo es la capa dopada con nitrógeno de la unión p-n, que presenta 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 , ocurre lo contrario: presenta una alta densidad de "huecos" libres y, por consiguiente, dopantes negativos fijos que han capturado un electrón (de ahí el origen de los huecos).

Cuando se crean capas dopadas con P y N adyacentes, la difusión asegura que los electrones fluyan de 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 los dopantes fijos ionizados negativamente cerca de la unión. Estas capas de cargas positivas y negativas fijas se conocen colectivamente como capa de agotamiento, ya que carecen de electrones y huecos libres. La capa de agotamiento en la unión es el origen de las propiedades rectificadoras del diodo. Esto se debe al campo interno resultante y a la correspondiente barrera de potencial, que inhiben el flujo de corriente en polarización inversa aplicada, lo que aumenta el campo interno de la capa de agotamiento. Por el contrario, lo permiten en polarización directa aplicada, 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 los huecos, en una escala de tiempo característica del material, que es la vida útil de los portadores minoritarios 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 de electrones y huecos asistida térmicamente en direcciones opuestas a través de la capa de agotamiento garantiza una corriente neta cero, con los electrones fluyendo del cátodo al ánodo y recombinándose, y los huecos fluyendo del ánodo al cátodo a través de la unión o capa de agotamiento y recombinándose.

Al igual que un diodo típico, un diodo Zener tiene un ánodo y un cátodo fijos, pero conducirá corriente en sentido inverso (los electrones fluyen del ánodo al cátodo) si se supera su tensión de ruptura o "tensión Zener".

Véase también

Referencias

  1. ↑Archivada el 4 de junio de 2011 en Wayback Machine , la celda de Daniell se puede invertir para, técnicamente, producir una celda electrolítica.
  2. ↑ Ross, S (1 de noviembre de 1961). "Faraday consulta a los eruditos: los orígenes de los términos de la electroquímica". Notes and Records of the Royal Society of London . 16 (2): 187– 220. doi : 10.1098/rsnr.1961.0038 . S2CID 145600326 . 
  3. ↑ Faraday, Michael (1849). Investigaciones experimentales en electricidad . Vol. 1. Londres: Universidad de Londres. 
  4. ↑ "Construcción y desarrollo de válvulas: el cátodo" . Museo de válvulas . Consultado el 2 de febrero de 2025 .
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 Avadhanulu, MN; PG Kshirsagar (1992). Un libro de texto de física de ingeniería para BE, B.Sc. S. Chand. págs. 345–348 . ISBN  978-8121908177Archivado del original el 2 de enero de 2014 .
  6. ↑ "Emisión de campo" . Encyclopædia Britannica . 2014. Archivado del original el 2 de diciembre de 2013. Consultado el 15 de marzo de 2014 .
  7. 1 2 Poole, Charles P. Jr. (2004). Diccionario enciclopédico de física de la materia condensada, vol. 1. Academic Press. pág. 468. ISBN  978-0080545233Archivado del original el 24 de diciembre de 2017 .
  8. ↑ Flesch, Peter G. (2007). Luz y fuentes de luz: lámparas de descarga de alta intensidad . Springer. págs. 102–103 . ISBN  978-3540326854Archivado del original el 24 de diciembre de 2017 .
  9. 1 2 3 Ferris, Clifford «Fundamentos de los tubos electrónicos» en Whitaker, Jerry C. (2013). The Electronics Handbook, 2.ª ed . CRC Press. págs. 354–356 . ISBN  978-1420036664Archivado del original el 2 de enero de 2014 .
  10. ↑ Poole, Ian (2012). "Electrodos de tubo de vacío" . Tutorial de fundamentos de la teoría de tubos de vacío . Radio-Electronics.com, Adrio Communications. Archivado del original el 4 de noviembre de 2013. Recuperado el 3 de octubre de 2013 .
  11. ↑ Jones, Martin Hartley (1995). Introducción práctica a los circuitos electrónicos . Reino Unido: Cambridge Univ. Press. pág. 49. ISBN  978-0521478793Archivado del original el 2 de enero de 2014 .
  12. ↑ Sisodia, ML (2006). Dispositivos activos de microondas: vacío y estado sólido . New Age International. pág. 2.5. ISBN  978-8122414479Archivado del original el 2 de enero de 2014 .
  13. ↑ "2.2: La unión PN" . Engineering LibreTexts . 23 de junio de 2020. Consultado el 11 de mayo de 2026 .
  • El sitio del tubo de rayos catódicos
  • Cómo definir ánodo y cátodo. Archivado el 28 de marzo de 2006 en la Wayback Machine.