الكاثود

الكاثود هو القطب الذي يخرج منه تيار تقليدي من جهاز كهربائي مستقطب مثل بطارية الرصاص الحمضية . يمكن تذكر هذا التعريف باستخدام CCD الاختصاري لـ Cathode Current Departs . يصف التيار التقليدي الاتجاه الذي تتحرك فيه الشحنات الموجبة. تحتوي الإلكترونات على شحنة كهربائية سالبة، لذا فإن حركة الإلكترونات تكون معاكسة لتدفق التيار التقليدي . وبالتالي، فإن المصطلح الاختصاري Cathode Current Departs يعني أيضًا أن الإلكترونات تتدفق إلى كاثود الجهاز من الدائرة الخارجية. على سبيل المثال، نهاية بطارية منزلية مميزة بعلامة + (زائد) هي الكاثود.

يُطلق على القطب الذي يتدفق من خلاله التيار التقليدي في الاتجاه الآخر، إلى داخل الجهاز، اسم الأنود .

يتدفق التيار التقليدي من الكاثود إلى الأنود خارج الخلية أو الجهاز (مع تحرك الإلكترونات في الاتجاه المعاكس)، بغض النظر عن نوع الخلية أو الجهاز ووضع التشغيل.

يمكن أن تكون قطبية الكاثود بالنسبة للأنود موجبة أو سالبة حسب كيفية تشغيل الجهاز. داخل الجهاز أو الخلية، تتحرك الكاتيونات المشحونة إيجابيا دائما نحو الكاثود وتتحرك الأنيونات المشحونة سلبًا نحو الأنود، على الرغم من أن قطبية الكاثود تعتمد على نوع الجهاز، ويمكن أن تختلف حتى وفقًا لطريقة التشغيل. سواء كان الكاثود مستقطبا سلبًا (مثل إعادة شحن البطارية) أو مستقطبا إيجابيا (مثل البطارية قيد الاستخدام)، فإن الكاثود سيجذب الإلكترونات إليه من الخارج، وكذلك يجذب الكاتيونات المشحونة إيجابيا من الداخل.

تحتوي البطارية أو الخلية الجلفانية المستخدمة على كاثود هو الطرف الموجب حيث أن هذا هو المكان الذي يتدفق منه التيار التقليدي خارج الجهاز. يتم حمل هذا التيار الخارجي داخليًا بواسطة أيونات موجبة تتحرك من الإلكتروليت إلى الكاثود الموجب (الطاقة الكيميائية مسؤولة عن هذه الحركة "الصاعدة"). يستمر التيار خارجيًا بواسطة الإلكترونات التي تتحرك إلى البطارية والتي تشكل تيارًا موجبًا يتدفق للخارج. على سبيل المثال، القطب النحاسي للخلية الجلفانية دانييل هو الطرف الموجب والكاثود.

البطارية التي يتم إعادة شحنها أو الخلية الكهروليتية التي تقوم بالتحليل الكهربائي يكون الكاثود هو الطرف السالب لها، والذي يخرج منه التيار من الجهاز ويعود إلى المولد الخارجي عندما تدخل الشحنة إلى البطارية/الخلية. على سبيل المثال، يؤدي عكس اتجاه التيار في خلية دانييل الجلفانية إلى تحويله إلى خلية كهروليتية ^[1] حيث يكون القطب النحاسي هو الطرف الموجب والأنود أيضًا .

في الصمام الثنائي ، يكون الكاثود هو الطرف السالب عند الطرف المدبب لرمز السهم، حيث يتدفق التيار خارج الجهاز. ملاحظة: تسمية الأقطاب الكهربائية للثنائيات تعتمد دائمًا على اتجاه التيار الأمامي (تيار السهم، حيث يتدفق التيار "بسهولة")، حتى بالنسبة للأنواع مثل الصمامات الثنائية زينر أو الخلايا الشمسية حيث يكون التيار محل الاهتمام هو التيار العكسي. في الأنابيب المفرغة (بما في ذلك أنابيب أشعة الكاثود )، يكون الطرف السالب هو حيث تدخل الإلكترونات الجهاز من الدائرة الخارجية وتستمر في الفراغ القريب للأنبوب، مما يشكل تيارًا موجبًا يتدفق خارج الجهاز.

تم صياغة الكلمة في عام 1834 من الكلمة اليونانية κάθοδος ( kathodos )، "النزول" أو "الطريق إلى الأسفل"، بواسطة ويليام ويويل ، الذي استشاره ^[2] مايكل فاراداي بشأن بعض الأسماء الجديدة اللازمة لإكمال ورقة بحثية حول عملية التحليل الكهربائي المكتشفة مؤخرًا. في تلك الورقة، أوضح فاراداي أنه عندما يتم توجيه خلية التحليل الكهربائي بحيث يعبر التيار الكهربائي "الجسم المتحلل" (الإلكتروليت) في اتجاه "من الشرق إلى الغرب، أو، مما سيعزز هذه المساعدة للذاكرة، ذلك الذي يبدو أن الشمس تتحرك فيه"، يكون الكاثود هو المكان الذي يترك فيه التيار الإلكتروليت، على الجانب الغربي: " kata إلى الأسفل، `odos a way؛ الطريق الذي تغرب فيه الشمس". ^[3]

قد يبدو استخدام كلمة "غرب" بمعنى اتجاه "الخارج" (في الواقع "خارج" → "غرب" → "غروب الشمس" → "أسفل"، أي "خارج الرؤية") مفتعلًا بشكل غير ضروري. في السابق، كما ورد في المرجع الأول المذكور أعلاه، استخدم فاراداي المصطلح الأكثر وضوحًا "exode" (المدخل الذي يخرج منه التيار). كان دافعه لتغييره إلى شيء يعني "القطب الغربي" (كانت المرشحات الأخرى هي "westode" و"occiode" و"dysiode") هو جعله محصنًا ضد أي تغيير لاحق محتمل في اتفاقية الاتجاه للتيار ، الذي لم تكن طبيعته الدقيقة معروفة في ذلك الوقت. كان المرجع الذي استخدمه لهذا التأثير هو اتجاه المجال المغناطيسي للأرض ، والذي كان يُعتقد في ذلك الوقت أنه ثابت. لقد حدد بشكل أساسي اتجاهه التعسفي للخلية على أنه ذلك الذي سيجري فيه التيار الداخلي بالتوازي مع وفي نفس اتجاه حلقة تيار مغناطيسية افتراضية حول خط العرض المحلي والتي من شأنها أن تحفز مجال ثنائي القطب المغناطيسي الموجه مثل الأرض. هذا جعل التيار الداخلي من الشرق إلى الغرب كما ذكرنا سابقًا، ولكن في حالة تغيير الاتفاقية لاحقًا، كان ليصبح من الغرب إلى الشرق، بحيث لم يعد القطب الغربي هو "المخرج" بعد الآن. لذلك، فإن "الخروج" سيصبح غير مناسب، في حين أن "الكاثود" بمعنى "القطب الغربي" سيظل صحيحًا فيما يتعلق بالاتجاه غير المتغير للظاهرة الفعلية التي تكمن وراء التيار، والتي لم تكن معروفة آنذاك ولكن، كما اعتقد، تم تعريفها بشكل لا لبس فيه من خلال المرجع المغناطيسي. وبالنظر إلى الماضي، كان تغيير الاسم مؤسفًا، ليس فقط لأن الجذور اليونانية وحدها لم تعد تكشف عن وظيفة الكاثود، ولكن الأهم من ذلك أنه، كما نعلم الآن، فإن اتجاه المجال المغناطيسي للأرض الذي يستند إليه مصطلح "الكاثود" عرضة للانعكاسات في حين أن اتفاقية الاتجاه الحالية التي يستند إليها مصطلح "الخروج" ليس لديها سبب للتغيير في المستقبل.

منذ اكتشاف الإلكترون لاحقًا ، تم اقتراح أصل الكلمة الأسهل للتذكر والأكثر صحة من الناحية الفنية (على الرغم من كونها خاطئة تاريخيًا): الكاثود، من الكلمة اليونانية kathodos ، "الطريق إلى الأسفل"، "الطريق (إلى الأسفل) إلى الخلية (أو أي جهاز آخر) للإلكترونات".

في الكيمياء ، الكاثود هو قطب الخلية الكهروكيميائية الذي يحدث عنده الاختزال . يمكن أن يكون الكاثود سالبًا كما هو الحال عندما تكون الخلية إلكتروليتية (حيث يتم استخدام الطاقة الكهربائية المقدمة للخلية لتحلل المركبات الكيميائية)؛ أو موجبًا كما هو الحال عندما تكون الخلية جلفانية (حيث يتم استخدام التفاعلات الكيميائية لتوليد الطاقة الكهربائية). يوفر الكاثود الإلكترونات للكاتيونات المشحونة إيجابيا والتي تتدفق إليه من الإلكتروليت (حتى لو كانت الخلية جلفانية، أي عندما يكون الكاثود موجبًا وبالتالي من المتوقع أن يتنافر مع الكاتيونات المشحونة إيجابيا؛ ويرجع هذا إلى أن جهد القطب بالنسبة لمحلول الإلكتروليت يختلف بالنسبة لأنظمة المعدن/الإلكتروليت في الأنود والكاثود في الخلية الجلفانية ).

التيار الكاثودي ، في الكيمياء الكهربية ، هو تدفق الإلكترونات من واجهة الكاثود إلى أحد الأنواع في المحلول. التيار الأنود هو تدفق الإلكترونات إلى الأنود من أحد الأنواع في المحلول.

في الخلية الكهربية ، يكون الكاثود هو المكان الذي يتم فيه تطبيق القطبية السالبة لتشغيل الخلية. النتائج الشائعة للاختزال عند الكاثود هي غاز الهيدروجين أو المعدن النقي من أيونات المعدن. عند مناقشة القدرة النسبية للاختزال لعاملَي الأكسدة والاختزال، يُقال إن الزوج لتوليد الأنواع الأكثر اختزالًا يكون "أكثر كاثودية" فيما يتعلق بالكاشف الذي يتم اختزاله بسهولة أكبر.

في الخلية الجلفانية ، يكون القطب الموجب متصلاً بالكاثود للسماح بإكمال الدائرة: عندما يطلق الأنود للخلية الجلفانية الإلكترونات، تعود من الدائرة إلى الخلية عبر الكاثود.

عندما يتم اختزال أيونات المعادن من المحلول الأيوني، فإنها تشكل سطحًا معدنيًا نقيًا على الكاثود. يتم ربط العناصر المراد طلائها بمعدن نقي بالكاثود وتصبح جزءًا منه في المحلول الكهربائي.

في الأنبوب المفرغ أو النظام الإلكتروني المفرغ، يكون الكاثود سطحًا معدنيًا ينبعث منه الإلكترونات الحرة إلى الفراغ المفرغ. نظرًا لأن الإلكترونات تنجذب إلى النوى الموجبة لذرات المعدن، فإنها تبقى عادةً داخل المعدن وتتطلب طاقة لمغادرتها؛ وهذا ما يسمى دالة عمل المعدن. ^[4] يتم تحريض الكاثودات على إصدار الإلكترونات من خلال عدة آليات: ^[4]

• الانبعاث الحراري : يمكن تسخين الكاثود. تؤدي الحركة الحرارية المتزايدة لذرات المعدن إلى "طرد" الإلكترونات من السطح، وهو التأثير الذي يسمى الانبعاث الحراري. تُستخدم هذه التقنية في معظم الأنابيب المفرغة.
• انبعاث الإلكترونات الميدانية : يمكن تطبيق مجال كهربائي قويعلى السطح عن طريق وضع قطب كهربائي بجهد موجب مرتفع بالقرب من الكاثود. يجذب القطب الكهربائي المشحون إيجابيا الإلكترونات، مما يتسبب في مغادرة بعض الإلكترونات لسطح الكاثود. ^[4] تُستخدم هذه العملية في الكاثودات الباردة في بعض المجاهر الإلكترونية ، ^{[5] [6] [7]} وفي تصنيع الإلكترونيات الدقيقة، ^[6]
• الانبعاث الثانوي : يمكن للإلكترون أو الذرة أو الجزيء الذي يصطدم بسطح الكاثود بطاقة كافية أن يطرد الإلكترونات من السطح. تسمى هذه الإلكترونات بالإلكترونات الثانوية . تُستخدم هذه الآلية في مصابيح التفريغ الغازي مثل مصابيح النيون .
• الانبعاث الكهروضوئي : يمكن أيضًا انبعاث الإلكترونات من أقطاب بعض المعادن عندما يسقط عليها ضوء بتردد أكبر من تردد العتبة. يسمى هذا التأثير الانبعاث الكهروضوئي، وتسمى الإلكترونات الناتجة بالإلكترونات الضوئية . ^[4] يستخدم هذا التأثير في الأنابيب الضوئية وأنابيب تكثيف الصورة .

يمكن تقسيم الكاثودات إلى نوعين:

الكاثود الساخن هو كاثود يتم تسخينه بواسطة خيط لإنتاج إلكترونات عن طريق الانبعاث الحراري . ^{[4] [8]} الخيط عبارة عن سلك رفيع من معدن مقاوم للحرارة مثل التنغستن يتم تسخينه حتى يصل إلى درجة السخونة الحمراء بواسطة تيار كهربائي يمر من خلاله. قبل ظهور الترانزستورات في ستينيات القرن العشرين، كانت جميع المعدات الإلكترونية تقريبًا تستخدم أنابيب التفريغ ذات الكاثود الساخن . اليوم، تُستخدم الكاثودات الساخنة في الأنابيب المفرغة في أجهزة إرسال الراديو وأفران الميكروويف، لإنتاج حزم الإلكترونات في أجهزة التلفزيون وشاشات الكمبيوتر القديمة ذات أنبوب أشعة الكاثود (CRT)، وفي مولدات الأشعة السينية ، والمجاهر الإلكترونية ، والأنابيب الفلورية .

هناك نوعان من الكاثودات الساخنة: ^[4]

• الكاثود المسخن مباشرة : في هذا النوع يكون الخيط نفسه هو الكاثود ويطلق الإلكترونات مباشرة. تم استخدام الكاثود المسخن مباشرة في الأنابيب المفرغة الأولى، ولكن اليوم يتم استخدامه فقط في الأنابيب الفلورية ، وبعض الأنابيب المفرغة الناقلة الكبيرة، وجميع أنابيب الأشعة السينية.
• الكاثود المسخن بشكل غير مباشر : في هذا النوع، لا يكون الخيط هو الكاثود ولكنه يسخن الكاثود الذي ينبعث منه الإلكترونات. تُستخدم الكاثودات المسخنة بشكل غير مباشر في معظم الأجهزة اليوم. على سبيل المثال، في معظم الأنابيب المفرغة، يكون الكاثود عبارة عن أنبوب من النيكل مع وجود الخيط بداخله، وتتسبب الحرارة المنبعثة من الخيط في انبعاث الإلكترونات من السطح الخارجي للأنبوب. ^[8] يُطلق على خيط الكاثود المسخن بشكل غير مباشر عادةً اسم السخان . والسبب الرئيسي لاستخدام الكاثود المسخن بشكل غير مباشر هو عزل بقية الأنبوب المفرغ عن الجهد الكهربي عبر الخيط. تستخدم العديد من الأنابيب المفرغة التيار المتناوب لتسخين الخيط. في الأنبوب الذي يكون فيه الخيط نفسه هو الكاثود، فإن المجال الكهربائي المتناوب من سطح الخيط سيؤثر على حركة الإلكترونات ويدخل همهمة إلى خرج الأنبوب. كما يسمح أيضًا بربط الخيوط في جميع الأنابيب الموجودة في جهاز إلكتروني معًا وتزويدها من نفس مصدر التيار، على الرغم من أن الكاثودات التي تسخنها قد تكون ذات إمكانات مختلفة.

لتحسين انبعاث الإلكترونات، تتم معالجة الكاثودات بالمواد الكيميائية، وعادة ما تكون مركبات من المعادن ذات دالة عمل منخفضة . تتطلب الكاثودات المعالجة مساحة سطح أقل ودرجات حرارة أقل وقوة أقل لتزويد نفس تيار الكاثود. كان لابد من تسخين خيوط التنغستن غير المعالجة المستخدمة في الأنابيب المبكرة (والتي تسمى "الباعثات الساطعة") إلى 1400 درجة مئوية (2550 درجة فهرنهايت)، وهي بيضاء ساخنة، لإنتاج انبعاث حراري كافٍ للاستخدام، بينما تنتج الكاثودات المطلية الحديثة إلكترونات أكثر بكثير عند درجة حرارة معينة بحيث لا يتعين تسخينها إلا إلى 425-600 درجة مئوية (797-1112 درجة فهرنهايت) ^{[4] [9] [10]} هناك نوعان رئيسيان من الكاثودات المعالجة: ^{[4] [8]}

• الكاثود المغطى – في هذه الكاثود يكون مغطى بطبقة من أكاسيد المعادن القلوية ، غالبًا أكسيد الباريوم والسترونشيوم . تستخدم هذه في الأنابيب منخفضة الطاقة.
• التنغستن المشبع بالثوريوم – في الأنابيب عالية القدرة، يمكن أن يؤدي القصف الأيوني إلى تدمير الطلاء على الكاثود المغطى. في هذه الأنابيب، يتم استخدام كاثود مسخن مباشرة يتكون من خيط مصنوع من التنغستن يحتوي على كمية صغيرة من الثوريوم . يتم تجديد طبقة الثوريوم على السطح والتي تقلل من وظيفة عمل الكاثود باستمرار حيث يتم فقدها عن طريق انتشار الثوريوم من داخل المعدن. ^[11]

هذا هو الكاثود الذي لا يتم تسخينه بواسطة خيط. يمكن أن ينبعث منه الإلكترونات عن طريق انبعاث الإلكترونات الميدانية ، وفي الأنابيب المملوءة بالغاز عن طريق الانبعاث الثانوي . بعض الأمثلة هي الأقطاب الكهربائية في مصابيح النيون ، ومصابيح الفلورسنت ذات الكاثود البارد (CCFLs) المستخدمة كإضاءة خلفية في أجهزة الكمبيوتر المحمولة، وأنابيب الثايرترون ، وأنابيب كروكس . لا تعمل بالضرورة في درجة حرارة الغرفة؛ في بعض الأجهزة يتم تسخين الكاثود بواسطة تيار الإلكترون المتدفق من خلاله إلى درجة حرارة يحدث عندها انبعاث حراري . على سبيل المثال، في بعض الأنابيب الفلورية يتم تطبيق جهد عالي مؤقت على الأقطاب الكهربائية لبدء التيار عبر الأنبوب؛ بعد البدء يتم تسخين الأقطاب الكهربائية بدرجة كافية بواسطة التيار للحفاظ على انبعاث الإلكترونات للحفاظ على التفريغ. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يمكن أن تصدر الكاثودات الباردة أيضًا الإلكترونات عن طريق الانبعاث الكهروضوئي . غالبًا ما تسمى هذه الكاثودات الضوئية وتستخدم في الأنابيب الضوئية المستخدمة في الأجهزة العلمية وأنابيب تكثيف الصورة المستخدمة في نظارات الرؤية الليلية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في الصمام الثنائي شبه الموصل ، يكون الكاثود هو الطبقة المشوبة بـ N من الوصلة p-n ذات الكثافة العالية للإلكترونات الحرة بسبب التشويب، وكثافة متساوية من الشحنات الموجبة الثابتة، والتي هي الشوائب التي تم تأينها حرارياً. في الأنود، ينطبق العكس: يتميز بكثافة عالية من "الثقوب" الحرة وبالتالي الشوائب السالبة الثابتة التي استحوذت على إلكترون (ومن هنا أصل الثقوب). ^{[ بحاجة لمصدر ]}

عندما يتم إنشاء طبقات مشوبة بـ P و N متجاورة مع بعضها البعض، يضمن الانتشار تدفق الإلكترونات من المناطق ذات الكثافة العالية إلى المناطق ذات الكثافة المنخفضة: أي من الجانب N إلى الجانب P. وتترك وراءها شوائب مشحونة إيجابيا ثابتة بالقرب من الوصلة. وبالمثل، تنتشر الثقوب من P إلى N تاركة وراءها شوائب مؤينة سالبة ثابتة بالقرب من الوصلة. تُعرف هذه الطبقات من الشحنات الموجبة والسالبة الثابتة مجتمعة باسم طبقة الاستنزاف لأنها مستنفدة من الإلكترونات الحرة والثقوب. تقع طبقة الاستنزاف عند الوصلة في أصل خصائص تصحيح الصمام الثنائي. ويرجع هذا إلى المجال الداخلي الناتج والحاجز المحتمل المقابل الذي يمنع تدفق التيار في التحيز المطبق العكسي مما يزيد من مجال طبقة الاستنزاف الداخلية. وعلى العكس من ذلك، فإنها تسمح بذلك في التحيز المطبق الأمامي حيث يقلل التحيز المطبق من حاجز الجهد المدمج.

تصبح الإلكترونات التي تنتشر من الكاثود إلى الطبقة المضاف إليها الفسفور، أو الأنود، ما يسمى "حاملات الأقلية" وتميل إلى إعادة الاتحاد هناك مع حاملات الأغلبية، والتي هي فجوات، على مقياس زمني مميز للمادة وهو عمر حاملات الأقلية من النوع p. وبالمثل، تصبح الفجوات المنتشرة في الطبقة المضاف إليها الفسفور حاملات الأقلية وتميل إلى إعادة الاتحاد مع الإلكترونات. في حالة التوازن، مع عدم وجود تحيز مطبق، يضمن الانتشار بمساعدة حرارية للإلكترونات والفجوات في اتجاهات متعاكسة عبر طبقة الاستنفاد تيارًا صافيًا صفريًا مع تدفق الإلكترونات من الكاثود إلى الأنود وإعادة الاتحاد، وتدفق الفجوات من الأنود إلى الكاثود عبر الوصلة أو طبقة الاستنفاد وإعادة الاتحاد. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

مثل الصمام الثنائي النموذجي، يوجد أنود وكاثود ثابتان في الصمام الثنائي زينر، ولكنه سيقوم بتوصيل التيار في الاتجاه المعاكس (تتدفق الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود) إذا تم تجاوز جهد الانهيار أو "جهد زينر". ^{[ بحاجة لمصدر ]}

• موقع أنبوب أشعة الكاثود
• كيفية تعريف الأنود والكاثود