Kathode
Physik
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Eine Kathode ist eine Elektrode, an der Elektronen einem System zugeführt werden. Ein System kann ein Vakuum, eine Gasphase, ein Plasma oder ein Elektrolyt sein. Entsprechend der Definition können an dieser Elektrode Reduktionsreaktionen ablaufen, z. B. positive Ionen (Kationen) entladen werden.
Unterschied zur Anode
Die Kathode ist die Gegenelektrode zur Anode. Zwischen diesen Elektroden wandern Ionen oder freie Elektronen. Die Kationen wandern zur Kathode und die Anionen zur Anode.
Die Funktion ist entscheidend
Ob ein bestimmtes Teil eine Kathode ist, kann sich im Laufe des Geschehens ändern. Das Wort Kathode bezeichnet eher eine Funktion als ein Bauteil. Bei wiederaufladbaren Batterien (Akkumulatoren) arbeitet dieselbe Elektrode entweder als Anode oder Kathode, je nachdem, ob der Akkumulator geladen oder entladen wird.
Die Rolle des verwendete Materials.
Ziel einer Kathode ist es, dass Elektronen aus dem Material austreten und außerhalb des Materials verfügbar werden. Normalerweise sind Elektronen fest in ein Material (oft Metalle) eingebunden. Um sie aus dem Material zu lösen, muss dem Material eine Austrittsenergie zugeführt werden. Wie hoch diese Energie pro Elektron ist, ist materialabhängig. Für das Material Tungsten liegt
die nötige Austrittsenergie pro Elektron bei etwa 4,57 Elektronenvolt. Eine passende Legierung aus zum Beispiel Nickel, Barium und Strontium benötigt hingegen nur etwa 1 eV pro Elektron. Tungsten muss dazu auf etwa 2200° C aufgeheizt werden, die Legeriung auf nur 900° C.
Freisetzung über Hitze
Durch Hitze wird den Elektronen im Material kinetische Energie zugeführt. Ist diese ausreichend groß, können Elektronen das Material verlassen. Bei Tungsten sind dazu gut 2200° C nötig. Eine Kathode, die auf diesen Effekt setzt heißt Glühkathode ↗
Freisetzung über Photoeffekt
Viele Materialien setzten auch Elektronen frei, wenn sie mit Licht - und sonsteiner elektromagnetischen Strahlung - bestrahlt werden. Ultraviolettes Licht setzt Elektronen von Oberflächen mit geringer ist mäßiger nötiger Austrittsarbeit frei. Sichtbares Licht höchstens bis zu benötigten 3 eV pro Elektron. Infrarotstrahlung (sehr energiearm) funktioniert zum Beispiel mit Caesum oder Silberoxid. Siehe auch photoelektrischer Effekt ↗
Freisetzung über Feldemission
Bei der Feldemission werden durch ein ausreichend starkes elektrisches Feld (mehr als 109 V/m) Elektronen mit einer sehr geringen Energiebreite aus einer (negativ geladenen) Kathode gelöst. Klassisch betrachtet ist es für ein Teilchen mit einer bestimmten mittleren thermischen Energie, die kleiner ist als die Höhe der Austrittsarbeit, unmöglich, das Kathodenmaterial zu verlassen. Quantenmechanisch betrachtet gibt es jedoch eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Elektronen aus dem Festkörper austreten. Diese werden dann durch das hohe äußere Feld abgesaugt.
Die Kathode und Arten von Ionen
- Ein Anion ist ein negativ geladenes Ion.
- Ein Kation ist ein positiv geladenes Ion.
- Eine Kathode gibt freie Elektronen ab.
- Eine Anode nimmt freie Elektronen auf.
Fußnoten
- [1] 1858: "Elektrōde, nach Faradays Bezeichnung die in eine Flüssigkeit eingesenkten Polplatten einer galvanischen Säule, die Wege, auf denen der Strom in das Elektrolyt ein- u. austritt, u. zwar heißt die positive E. die Anode u. die negative die Kathode." Aus dem Artikel "Elektrode". In: Pierer's Universal-Lexikon, Band 5. Altenburg 1858, S. 621. Online: http://www.zeno.org/nid/20009849904
- [2] 1904: "Die Entladeplätze für die Kationen sind die Kathoden, die Entladeplätze für die Anionen sind die Anoden. An ersteren muß also für Aufrechterhaltung negativer Ladung gesorgt werden, um dauernd die positiven Ladungen der Kationen zu vernichten, während man an letzteren positive Ladungen erzeugen muß, soll die Ionenbewegung, also der elektrische Strom aufrechterhalten werden. Anderseits können dieselben Stoffe, die wir als Bestandteile der Elektrolyte kennen, aus ihrem Molekularzustände nur dann in den Ionenzustand übergehen, wenn sie eine volle elektrische Ladung aufzunehmen Gelegenheit finden." Aus dem Artikel "Elektrolyse". In: Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 3 Stuttgart, Leipzig 1906., S. 416-419. Online: http://www.zeno.org/nid/20006007880
- [3] 1905: "Kathōde (griech.), der negative Pol einer Elektrizitätsquelle (Gegensatz: Anode); s. Elektrolyse und Elektrische Entladung." In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 10. Leipzig 1907, S. 749. Online: http://www.zeno.org/nid/20006878679
- [4] 1911: "Elektrōden (grch.), die beiden Pole eines galvanischen Elements oder einer Batterie; der positive Pol heißt Anode, der negative die Kathode." In: Brockhaus' Kleines Konversations-Lexikon, fünfte Auflage, Band 1. Leipzig 1911., S. 502. Online: http://www.zeno.org/nid/20001075217
- [5] 1834, Kathode in der ursprünglichen Definition von Michael Faraday: "The anode is therefore that surface at which the electric current, according to our present expression, enters : it isthe negative extremity of the decomposing body; is where oxygen, chlorine, acids, &e.,are evolved; and is against or opposite the positive electrode. The cathode is thatsurface at which the current leaves the decomposing body, and is its positive extremity ; the combustible bodies, metals, alkalies, and bases, are evolved there, and it isin contact with the negative electrode." In: Faraday Michael: Experimental researches in electricity. Seventh SeriesPhil. Trans. R. Soc.12477–122. 1834VI. Online: http://doi.org/10.1098/rstl.1834.0008