Что такое электрод? Характеристика электродов

Электроды присутствуют практически во всех электрических и электронных устройствах – от простого фонарика до сложных научных приборов. Но что же на самом деле представляют собой эти незаменимые элементы электрических цепей и каково их устройство?

Что такое электрод

Электрод – это проводник, через который осуществляется ввод или вывод электрического тока из рабочей среды (жидкости, газа, вакуума, полупроводника). Иными словами, электрод соединяет металлическую и неметаллическую части электрической цепи.

Термин «электрод» ввел в обращение английский физик Майкл Фарадей в 1834 году. Он образован от древнегреческого слова hodos – «путь, дорога» и латинского electrum – «янтарь», откуда произошло название «электричество».

Основные функции электрода:

• Подвод тока к рабочей среде;
• Отвод тока от рабочей среды;
• Создание определенного электрического потенциала на границе раздела проводник-среда.

Без электродов невозможна работа источников тока, различных датчиков, сварочного оборудования, научной аппаратуры и многих других устройств.

Типы электродов

Существует множество разновидностей электродов, которые классифицируются по различным признакам.

По роли в электрической цепи

По роли в цепи выделяют два основных типа:

• Катод – электрод, на который подаются электроны. На катоде происходит реакция восстановления.
• Анод – электрод, с которого электроны уходят в цепь. На аноде происходит реакция окисления.

Катод имеет отрицательный потенциал, анод – положительный. В зависимости от направления тока в цепи роли электродов могут меняться.

По подвижности

По этому признаку выделяют:

• Стационарные электроды – неподвижно закреплены внутри устройства.
• Подвижные электроды – могут перемещаться относительно рабочей среды или других электродов.

Пример стационарных электродов – обкладки конденсатора, подвижных – электроды в электролизере.

По материалу изготовления

Материал электрода определяет его свойства и область применения. Основные группы:

• Металлические – свинец, медь, алюминий, вольфрам.
• Неметаллические – графит, уголь, полупроводники.
• Смешанные – с металлической основой и неметаллическим покрытием.

По температуре плавления

По этому критерию электроды делят на:

• Плавкие – из металлов с относительно низкой температурой плавления.
• Тугоплавкие – на основе тугоплавких металлов и неметаллов.

Плавкие электроды часто используются как присадочный материал, тугоплавкие – только для подвода тока.

По форме рабочей поверхности

Форма электрода зависит от его назначения. Наиболее распространены:

• Пластины – плоские электроды большой площади.
• Стержни – стержневые электроды круглого или другого сечения.
• Сетки – электроды в виде металлической сетки.
• Шары – электроды шарообразной формы.

Например, в источниках тока часто используют пластины, в электролизерах – сетки или стержни, в лампах – спирали.

Таким образом, электроды представляют собой чрезвычайно разнообразный класс устройств, которые классифицируются по ряду признаков. Правильный выбор типа электрода критически важен для нормальной работы электрической системы.

Материалы для изготовления электродов

Выбор материала для электрода определяется условиями его работы и желаемыми свойствами. Рассмотрим основные группы материалов для изготовления электродов.

Металлы и сплавы

Наиболее распространенные металлические материалы:

• Медь – высокая электропроводность, пластичность. Используется в источниках тока, электролизере.
• Алюминий – легкий, пластичный. Применяется в химических источниках тока.
• Железо и сталь – прочность, низкая стоимость. Для конструкционных электродов.
• Свинец – высокая плотность, низкая температура плавления. Электроды в аккумуляторах.

Сплавы позволяют улучшить свойства металлов. Например, вольфрамовые сплавы обладают высокой температурой плавления и используются для тугоплавких электродов.

Полупроводниковые материалы

Полупроводники, такие как кремний и германий, широко применяются для изготовления электродов в твердотельной электронике. Их преимущества:

• Высокая чувствительность к внешним воздействиям.
• Возможность изменять электропроводность в широких пределах.
• Малые размеры и вес.

Полупроводниковые электроды используются в различных датчиках - температуры, давления, газовых сенсорах.

Углеродные материалы

Сюда относятся графит, стеклоуглерод, углеродные нанотрубки. Их достоинства:

• Высокая температура плавления.
• Химическая стойкость.
• Низкая стоимость.

Углерод широко используется в электрохимических источниках тока, например литий-ионных батареях.

Электроды в источниках тока

Рассмотрим некоторые примеры использования электродов в различных источниках электрической энергии.

Электроды в батареях и аккумуляторах

В химических источниках тока электроды участвуют в электрохимических реакциях, обеспечивая преобразование химической энергии в электрическую. Например, в свинцово-кислотных аккумуляторах используются свинцовые электроды, в литий-ионных батареях - электроды из лития и углерода.

Электроды в топливных элементах

Топливные элементы, или электрохимические генераторы, вырабатывают электроэнергию из химической энергии топлива. В них применяют электроды из платины, палладия, углерода.

Электроды в солнечных батареях

Фотоэлектрические преобразователи, или солнечные батареи, используют электроды из полупроводниковых материалов, чаще всего кремния. Они преобразуют световую энергию в электрическую.

Таким образом, в источниках тока различных типов применяются самые разные электродные материалы в соответствии с принципом работы устройства.

Электроды в электролизере

Рассмотрим использование электродов в электролизерах.

Назначение электролизера

Электролизер - электрохимическое устройство, в котором под действием электрического тока происходит разложение веществ, находящихся в растворе или расплаве. Электролиз широко используется в промышленности для получения ценных веществ.

Катод и анод в электролизере

В электролизере присутствуют два электрода с разными функциями:

• Катод - на нем происходит процесс восстановления катионов.
• Анод - на нем происходит процесс окисления анионов.

Материал электродов подбирается в зависимости от электролизуемого вещества. Например, для электролиза воды используют платиновые или никелевые электроды.

Примеры промышленных электролизеров

Некоторые примеры использования электролиза:

• Получение алюминия из оксида алюминия.
• Получение хлора из хлорида натрия.
• Получение водорода и кислорода из воды.
• Гальваностегия - нанесение металлических покрытий.

Для каждого процесса подбираются электроды с оптимальными свойствами - высокой проводимостью, стойкостью к коррозии, низким переходным сопротивлением.

Электроды в датчиках

Электроды широко используются в различных датчиках для регистрации физических, химических и биологических параметров.

Газовые сенсоры

Для определения состава и концентрации газов применяются газочувствительные электроды на основе полупроводников и твердых электролитов.

Датчики кислорода, pH и другие

Специальные электроды используются для измерения концентрации кислорода, водорода, величины pH и других параметров жидкостей и газов.

Биосенсоры

Для анализа биологических жидкостей применяют биосенсоры с электродами, чувствительными к ферментам, антителам, нуклеиновым кислотам.