Содержание
Катод и анод — единство и борьба противоположностей
Катод и анод – это две составляющие одного процесса: протекания электрического тока. Все материалы можно разделить на два типа – это проводники, в структуре которых большой избыток свободных электронов, и диэлектрики (в них свободных электронов практически нет).
Понятие электрического тока
Электрический ток – это упорядоченное перемещение заряженных элементарных частиц в структуре вещества под воздействием электромагнитного напряжения. Если приложить к проводнику постоянное напряжение, то свободные электроны, имеющие отрицательный заряд, начнут упорядоченно двигаться в сторону анода (положительно заряженного электрода) от катода (отрицательно заряженного электрода). Ток же, соответственно, будет течь в обратном направлении. А катод и анод – это два электрода, между которыми образовался перепад (разница) электромагнитного напряжения.
Проводники и диэлектрики
Проводники и диэлектрики могут быть твердыми, жидкими и газообразными веществами.
Это для протекания электрического тока совсем не принципиально. При длительном приложении электромагнитного напряжении к материалу на катоде будет образовываться избыток электронов, а на аноде – его недостача. Если напряжение прилагается достаточно долго, то из структуры материала, из которого сделан анод, будут вырываться связанные электроны вместе с атомами, а сам материал начнет вступать в химическую реакцию с химически активными веществами из окружающей среды. Такой процесс носит название электролиза.
Электролиз
Катод и анод в электрохимии являются двумя полюсами приложенного к солевым растворам или расплавам постоянного электромагнитного напряжения. При возникновении тока от избытка электронов анод начинает разрушаться, т.е. сами положительно заряженные атомы вещества будут попадать в соляной раствор (окружающую среду) и переноситься на катод, где оседать в очищенном виде. Этот процесс носит название гальванического. С помощью гальваники покрывают тонким слоем цинка, меди, золота, серебра и других металлов различные изделия.
Что такое катод и каковы задачи, которые он выполняет в электролизе? Это можно понять при выполнении следующих действий: если сделать анод из бронзы или олова, то на катоде получится печатная плата, покрытая тонким слоем меди или олова (используется в радиоэлектронной промышленности). Этим же способом получают позолоченные ювелирные украшения, омедненные и даже позолоченные алюминиевые наконечники для электротехники в целях повышения электропроводности.
Ответы на вопросы о том, что такое анод и катод, при электролизе очевидны: анод в результате протекания постоянного тока через соляной раствор разрушается, а катод принимает на себя анодный материал. Даже термин такой возник в среде гальваников – «анодирование катода». Физического смысла он не несет, но фактическую суть вопроса отображает прекрасно.
Полупроводники
Полупроводники представляют собой материалы, которые в структуре не имеют свободных электронов, а атомные держатся на своих местах плохо. Если такой материал в жидком или газообразном состоянии поместить в магнитное поле, а затем дать ему затвердеть, то получится электрически структурированный полупроводник, который будет пропускать ток только в одну сторону.
Из этого материала, используя вышеназванное свойство, делают диоды. Они бывают двух видов:
а) с «p-n-p» проводимостью;
б) с «n-p-n» проводимостью.
На практике эта тонкость структуры диодов значения не имеет. Важно правильно подключить в электрическую схему диод. Где анод, где катод – вопрос, которым многие озадачены. На диоде есть специальные обозначения: или А и К, или + и –. Можно подключить диод только двумя способами к электрической схеме постоянного тока. В одном случае исправный диод будет проводить ток, а в другом – не будет. Поэтому необходимо взять прибор, на котором заведомо известно, где катод, а где анод, и подключить его к диоду. Если устройство покажет наличие тока, то диод подключен правильно. Значит, катод прибора и катод диода, а также анод прибора и анод диода совпали. В противном случае нужно поменять соединения местами.
1. Если диод не пропускает ток в обе стороны, то он перегоревший, ремонту не подлежит.
2. Если наоборот, пропускает, то он пробитый. Его необходимо выбросить.
Проверяются диоды тестерами и пробниками. В диодах катод и анод жестко привязаны к их материальному исполнению в отличие от гальванических источников питания (аккумуляторов, батареек и т. п.).
Катодом в полупроводниковых элементах (диодах) электрической схемы является электрод (ножка), из которого выходит положительный (+) потенциал. Через схему он связан с отрицательным потенциалом источника питания. Значит, ток непосредственно в полупроводнике диода протекает по направлению от анода к катоду. На электрических схемах этот процесс символически так и обозначается.
Если диод одной ножкой (электродом) подключить к переменному напряжению, то на втором электроде мы получим положительную или отрицательную полусинусоиду. Если соединить два диода в мост, то будем наблюдать выпрямленный электрический практически постоянный ток.
Гальванические источники постоянного тока – аккумуляторы (батареи)
Катод и анод в этих изделиях меняются местами в зависимости от направления протекания электрического тока, потому что в одном случае к ним напряжение не приходит, а они сами за счет химической реакции служат источниками постоянного тока.
Тут отрицательным электродом уже будет анод, а положительным – катод. В другом же случае в аккумуляторе происходит обычный процесс электролиза.
Когда аккумулятор разрядился и химическая реакция, которая служила источником электрического тока, прекратилась, его необходимо зарядить с помощью внешнего источника питания. Таким образом, мы запускаем процесс электролиза, т.е. восстановления первоначальных свойств гальванической батареи. На катод аккумулятора необходимо приложить уже отрицательный заряд, а на анод – положительный, тогда батарея будет заряжаться.
Таким образом, ответ на вопрос о том, как определить катод и анод в гальваническом элементе, зависит от того, заряжается он или служит источником питания электрическим током.
Вывод
Как суммирование всего вышесказанного, катод – это электрод, на котором появляется избыток электронов, а анод – это электрод, на котором появляется недостача электронов. Но плюс или минус на конкретном электроде элемента электрической схемы определяется направлением протекания электрического тока.
PN Junction Diodes — Знай все
Диод — это электрический компонент, позволяющий току течь только в одном определенном направлении. Диоды состоят из кремния и германия. Они используются для защиты цепи путем ограничения напряжения и преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Существует много типов диодов, и каждый диод имеет свой собственный набор применений.
Обозначение диода
Рисунок 1. Обозначение и внешний вид диода
Диод обозначается треугольником, примыкающим к линии. Он имеет два вывода: анод, который является положительным выводом, и катод, который является отрицательным выводом. Терминал, входящий в плоский край треугольника, является анодом, а другой конец — катодом. Стрелка на символе диода показывает направление условного тока, когда диод работает.
В диоде ток течет только от положительного вывода к отрицательному. Когда положительное напряжение на аноде выше, чем отрицательное напряжение на катоде, говорят, что он смещен в прямом направлении.
Он будет легко проводить при малых перепадах напряжения. В качестве альтернативы, если напряжение на катоде выше, чем напряжение на аноде, говорят, что оно смещено в обратном направлении.
Полупроводниковые материалы P-типа и N-типа изготавливаются путем технологического легирования. Это означает, что в структуру кремния вводится примесь для создания дисбаланса в молекулярной структуре материала за счет ионной связи. Это затем формирует собственные полупроводниковые материалы, известные как материалы P-типа и N-типа.
Материалы N-типа. Изображение предоставлено: https://toshiba.semicon-storage.com
Для производства полупроводникового материала N-типа кремниевый полупроводник легируется небольшим количеством мышьяка или фосфора. Оба этих элемента состоят из 5 электронов на внешней орбите. Поскольку у кремния только четыре электрона на внешней орбите, у пятого электрона нет пары для связи, и он может свободно перемещаться. Это позволяет формировать электрический ток через кремниевый полупроводник, тем самым формируя материал N-типа.
Материалы P-типа. Изображение предоставлено: https://toshiba.semicon-storage.com
Для p-типа кремний легирован элементами галлия или бора. Оба этих элемента имеют по три электрона на внешней орбите. Следовательно, когда они смешиваются со структурой кремния, они образуют дырку в валентной зоне атомов кремния. Эта подвижная дырка имеет положительный заряд и движется в направлении, противоположном направлению электронов, заряженных отрицательно. Из-за образования положительных отверстий в кристаллической решетке кремния эти материалы известны как материалы р-типа.
Наиболее часто используемыми полупроводниковыми диодами являются диоды с p-n переходом. Диоды с p-n переходом изготавливаются путем сплавления полупроводников p-типа и n-типа. Когда оба полупроводника сплавлены, на переходе создается напряжение потенциального барьера.
Рис. 3. Диод PN-перехода . Изображение предоставлено: https://toshiba.semicon-storage.com
Для этого типа диодов кремниевый полупроводник N-типа имеет дополнительный электрон, который требуется кремнию p-типа.
Следовательно, электроны мигрируют из материала n-типа в материал p-типа через переход в процессе диффузии. Точно так же материал p-типа имеет дополнительные отверстия, а атомы материала n-типа требуют отверстий, тогда отверстия будут диффундировать в материал n-типа через соединение. Этот процесс приводит к возникновению диффузионного тока, образующегося на переходе. Этот процесс повторяется непрерывно до тех пор, пока количество электронов, пересекших соединение, не будет иметь большой электрический заряд, чтобы либо оттолкнуть, либо позволить другим носителям заряда пройти через соединение.
Следовательно, создается состояние равновесия, создающее потенциальный барьер вокруг области соединения. Это связано с тем, что атомы-доноры теперь отталкивают дырки, а атомы-акцепторы теперь отталкивают электроны. Этот потенциальный барьер представляет собой область положительного и отрицательного заряда по обе стороны от соединения, также известную как обедненный слой. Слой истощения не имеет больше свободных носителей по сравнению с полупроводниковыми материалами N-типа и P-типа.
Для поддержания нейтрального заряда вокруг области соединения общий заряд полупроводников P- и N-типа должен быть равен и противоположен друг другу. Из диаграммы выше видно, что слой истощения имеет расстояние «D». Для поддержания нейтрального состояния обедненный слой должен был бы проникать в кремний на расстояние Dp с положительной стороны слоя и Dn с отрицательной стороны обедненного слоя. Это дает нам соотношение Dp*NA = Dn*ND. Поддерживая это соотношение, можно достичь состояния равновесия.
Диоды с P-N переходом имеют две области: P-типа и N-типа. Электроны будут перетекать с n-стороны на p-сторону только при увеличении напряжения. Точно так же отверстия со стороны p будут перемещаться на сторону n только при увеличении напряжения, приложенного к материалу P-типа. Проще говоря, для перемещения электронов или дырок с одной стороны на другую требуется толчок. Этот толчок создает градиент концентрации, который позволяет носителям заряда течь из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией посредством процесса диффузии.
Этот процесс позволяет току течь в цепи.
Три типа условий смещения могут быть получены для p-n переходов при приложении напряжения. К ним относятся:
- Нулевое смещение, при котором внешнее напряжение не подается.
- Прямое смещение
- Обратное смещение
Прямое смещение
тип материала. Анод положителен к катоду.
Рисунок 4. Прямое смещение в диодах . Зеленый цвет указывает на положительное напряжение, а красный — на отрицательное.
В условиях прямого смещения встроенное электрическое поле и внешнее приложенное электрическое поле противоположны друг другу. Когда оба электрических поля складываются вместе, результирующее электрическое поле намного меньше по величине по сравнению со встроенным электрическим полем. Это приводит к созданию менее реактивного слоя истощения, а также к уменьшению его размера.
Сопротивление обедненного слоя становится незначительным при приложении большого напряжения.
Если полупроводниковым материалом является кремний, приложенное напряжение 0,6 В может привести к тому, что общее сопротивление области обеднения станет совершенно незначительным. Это позволяет току свободно течь по цепи без каких-либо препятствий.
Обратное смещение
Говорят, что p-n-переход имеет обратное смещение, когда положительная клемма потенциала напряжения подключена к материалу n-типа, а отрицательная клемма подключена к материалу p-типа. Анод отрицателен к катоду.
Рисунок 5. Обратное смещение в диодах. Зеленый цвет указывает на положительное напряжение, а красный — на отрицательное.
В условиях обратного смещения встроенное электрическое поле и приложенное электрическое поле имеют одинаковое направление. Когда оба поля складываются, результирующее электрическое поле также имеет одинаковое направление и намного более массивное, чем встроенное электрическое поле, поэтому создается более резистивный, более толстый и больший обедненный слой.
По мере увеличения приложенного напряжения обедненный слой будет становиться более резистивным и толще.
Рис. 6. Характеристики VI диода с P-N-переходом
Характеристики VI диода с P-N-переходом обозначены кривой, показывающей зависимость между напряжением и током в цепи. На рис. 6 показаны характеристики VI диода с PN-переходом. Из этой кривой видно, что в диоде имеется три рабочих области. Это:
- Нулевое смещение
- Прямое смещение
- Обратное смещение
Как обсуждалось ранее, в условиях нулевого смещения цепь не подключена к какому-либо внешнему источнику напряжения, что означает, что потенциальный барьер на стыке не изменяется. поэтому ток через диод не течет.
В режиме прямого смещения на диод подается внешнее напряжение. Это позволяет току течь через него, поскольку потенциальный барьер уменьшается в размере и толщине. Для кремния приложенное напряжение должно быть около 0,7 В, а для германия — около 0,3 В.
Можно заметить, что при работе в режиме прямого смещения ток в цепи увеличивается, что приводит к нелинейной зависимости между током и напряжением. Это связано с тем, что напряжение, подаваемое на диод, преодолевает потенциальный барьер, позволяя току течь через переход. Как только диод преодолевает барьер, характеристики диода ведут себя нормально, давая линейный график.
В условиях обратного смещения общая толщина потенциального барьера увеличивается. Наблюдается, что обратный ток насыщения течет из-за неосновных носителей, присутствующих в переходе. Когда приложенное напряжение увеличивается, неосновные носители получают кинетическую энергию, которая влияет на основные носители. Это может привести к выходу из строя диода или его полному разрушению.
Пробой диодов с P-N переходом происходит из-за двух явлений, а именно:
- Пробой Зенера
- Лавинный пробой
маленький. Пробой стабилитрона их не повреждает. Увеличение тока также очень незначительно и вызвано дрейфом электронов.
Лавинный пробой
Лавинный пробой происходит в не сильно легированном p-n переходе, имеет толстый переход и обедненный слой большей ширины. Лавинный пробой происходит при приложении к диоду высокого обратного напряжения. Электрическое поле на переходе будет увеличиваться по мере увеличения приложенного обратного напряжения. Лавинные прорывы обычно разрушительны.
Диоды с PN-переходом, как известно, являются основными строительными блоками большинства доступных полупроводниковых устройств, включая:
- Они также используются для выпрямления в электрических цепях. Процесс выпрямления заключается в преобразовании переменного тока в постоянный. Диод с p-n переходом пропускает ток, когда он находится в состоянии прямого смещения, и блокирует ток, когда он находится в состоянии обратного смещения. Эти условия позволяют использовать его в качестве выпрямителя.
- Диод также предназначен для восстановления постоянного тока в цепях фиксации.
- Также используется для формирования волны в схемах ограничения.
- Диоды используются в схемах демодуляции.
- Используются в умножителях напряжения.
- Диоды с соединением P-N также используются в качестве переключателей в цифровых логических схемах, которые используются в цепях.
- Широко используются для регулирования напряжения.
Резюме
Диод представляет собой полупроводниковый прибор, изготовленный сплавлением материалов р-типа и n-типа. Он позволяет току течь только в одном направлении. Когда его анод подключен к плюсу, а катод к минусу, говорят, что он смещен в прямом направлении и пропускает ток. Когда анод и катод соединены иначе, говорят, что они смещены в обратном направлении. Когда приложенное обратное напряжение смещения превышает определенный уровень, происходит лавинный пробой, и диод начинает проводить в состоянии обратного смещения.
Светодиодный анод и катод: что вам нужно знать
Если вы только начали изучать светодиоды и диоды в целом, вас могут смутить некоторые используемые термины.
Это вполне понятно, так как в этой области довольно много терминов, о которых вы, возможно, раньше не слышали. Будьте уверены, что полярность светодиодов, как и весь вопрос анод/катод, на самом деле довольно просты
Что такое светодиоды?
«СИД» в светодиодных светильниках означает «светоизлучающие диоды» — это лампочки, состоящие из множества крошечных диодов, через которые проходит электрический ток, заставляющий их излучать свет.
Эти светодиоды представляют собой разновидность стандартных диодов, которые применяются во многих других отраслях промышленности. Самое простое описание диода — это «электронный компонент с двумя выводами, который проводит ток в основном в одном направлении». Светоизлучающий диод — это обычный диод, который использует ток, проходящий через него, для излучения света.
Что такое полярность светодиода?
Термин «полярность светодиода» относится к вопросу о том, в каком направлении протекает электрический ток через диод? Поскольку диоды представляют собой односторонние токи, важно знать, с какой стороны ток входит и с какой выходит.
Идентификация полярности светодиода осуществляется с помощью различных обозначений, расположенных вокруг анодов и катодов диода.
Что такое аноды и катоды?
Анод и катод — это две клеммы на каждом диоде, через которые протекает электрический ток. Анод — это положительная сторона светодиода (где ток входит в диод), а катод — отрицательная сторона (где ток выходит из диода).
Знание того, какая клемма является анодом, а какая катодом, важно для маркировки полярности светодиодов, если вы хотите правильно подключить диод к светодиодной лампе или другому устройству.
Как отличить аноды от катодов?
Теперь, когда мы знаем, что анод положительный, а катод отрицательный, нам нужно знать, что есть что. В зависимости от типа и модели диода могут быть разные идентификаторы, позволяющие узнать, какая сторона светодиода положительная, а какая отрицательная. Вот некоторые вещи, на которые следует обратить внимание:
- Большинство диодов обычно имеют линию, проведенную рядом с выводом катода диода, которая соответствует вертикальной линии на символе схемы диода.
