Anode und Kathode sind Begriffe, die üblicherweise bei der Beschreibung von Batterien, Akkus, Zellen und Halbleiterbauelementen verwendet werden. Bevor wir zu einer angemessenen Beschreibung der Anode und Kathode übergehen, muss man wissen, was eine Elektrode ist – im physikalisch-chemischen Sinne ist sie eine Substanz, die die Leitung des elektrischen Stroms in nichtmetallischen Materialien wie elektrochemischen Zellen unterstützt, d. h. sie verringert den Widerstand zwischen den schlecht leitenden Elementen des elektrischen Stromkreises der Zelle. In der Regel besteht eine Elektrode aus zwei Hauptelementen, der Anode und der Kathode, mit denen sich die Richtung des elektrischen Stromflusses beschreiben lässt. In diesem Artikel wird das Prinzip der Anode und der Kathode vorgestellt und in der Praxis erläutert.
Anode und Kathode – Etymologie
Zunächst werden wir uns mit dem Ursprung der Begriffe Anode und Kathode und ihrer Bedeutung befassen. Sowohl die Anode als auch die Kathode in einem Stromkreis werden durch die Richtung des Stromflusses bezeichnet. Der Begriff Anode kommt aus dem Griechischen (anodos – nach oben) und der Begriff Kathode (káthodos – nach unten). Warum haben wir die Definition aus dem Griechischen hervorgehoben? Weil sie die Bedeutung der Begriffe am besten und einfachsten wiedergibt – dass die Anode die Elektrode ist, in die der Strom hineinfließt, während die Kathode die Elektrode ist, aus der der Strom herausfließt.
Kathode – grundlegende Eigenschaften
Bei chemischen Reaktionen ist die Kathode die Elektrode, an der das Reduktionsphänomen stattfindet. Sie tritt auch in elektrochemischen Zellen auf und ist in der Regel mit diesen verbunden. In diesem Fall hatt die Kathode eine negative Polarität, da in den Zellen eine negative Spannung vorhanden ist, die zu chemischen Analysereaktionen (Zersetzung) führt. Diese Spannung kann auch das entgegengesetzte Vorzeichen (positiv) haben, wenn die umgekehrte Situation eintritt, in der chemische Reaktionen zur Erzeugung von Strom führen. Darüber hinaus kann die Kathode als Heißkathode oder Kaltkathode bezeichnet werden. Eine Kathode, die durch das Vorhandensein eines Materials, das Elektronen emittieren kann, erwärmt wird, ist eine Heißkathode, während eine Kathode, bei der eine Emission stattfindet, eine Kaltkathode ist.
Anode – grundlegende Eigenschaften
Grundsätzlich ist die Anode in der Elektrochemie der Bereich, in dem die Oxidationsreaktion stattfindet. Normalerweise reagieren negative Ionen (Anionen) an der Anode aufgrund ihres negativen elektrischen Potenzials mit der Aufnahme von Elektronen. Diese Elektronen bewegen sich in Richtung der Quelle und zwingen sie zum Fließen. In galvanischen Zellen ist die Anode eigentlich ein negativer Spannungspol und die Elektronen bewegen sich hauptsächlich nach außen. Eine galvanische Zelle ist daher ein einzigartiger Systemtyp. Im Gegensatz dazu hat die Anode in elektrolytischen Zellen (z. B. in Blei-Säure-Batterien, die in Autos sehr verbreitet sind) ein positives Potenzial. Außerdem kann die Anode die Form einer Platte oder eines Drahtes annehmen, die eine überschüssige positive elektrische Ladung enthalten.
Grundlegende Unterschiede zwischen Anode und Kathode
| Anode | Kathode |
| In diese Elektrode fließt Strom | Von dieser Elektrode fließt der Strom ab |
| Die Anode hat normalerweise ein positives Potenzial (d. h. eine positive Elektrode). | Die Kathode hat normalerweise ein negatives Potenzial (negative Elektrode) |
| Verhält sich in der Regel wie ein Elektronenträger | Verhält sich in der Regel wie ein Elektronenakzeptor |
| Tritt an Stelle der Anode in einer elektrolytischen Zelle bei der Oxidationsreaktion | Tritt an Stelle der Kathode in einer elektrolytischen Zelle bei der Oxidationsreaktion |
| Tritt an Stelle der Kathode in einer galvanischen Zelle bei der Oxidationsreaktion | Tritt an Stelle der Anode in einer galvanischen Zelle bei der Oxidationsreaktion |
Elektrischer Ladungsfluss zwischen Kathode und Anode
Nach der allgemein anerkannten Konvention fließt der elektrische Strom in Gleichstromkreisen von der Kathode zur Anode (Elektronenfluss in entgegengesetzter Richtung), unabhängig von der Art der Zelle und ihrer Funktionsweise (Entladung oder Ladung). Die Polarität der Kathode bzw. der Anode kann je nach Funktionsweise der Zelle positiv oder negativ sein. Positiv geladene Kationen folgen immer der Richtung der Anode und negativ geladene Anionen wie Elektronen der Richtung der Kathode, auch wenn die Polarität der Kathode von der Konstruktion der Zelle abhängt und sich je nach Betriebsart ändern kann. In Zellen, in denen elektrische Ladungsenergie gespeichert wird (z. B. beim Aufladen einer Batterie), nimmt die Kathode eine negative Polarität an (die Elektronen folgen der Kathode, aus der die elektrische Ladung abfließt), und wenn Energie freigesetzt wird (z. B. beim Betreiben einer Last aus einer Batterie, d. h. beim Entladen), nimmt die Kathode eine positive Polarität an.
Eine Batterie oder galvanische Zelle im Entladungsprozess ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode als positiver Pol betrachtet wird, da der Strom von der Kathode fließt, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Im Inneren der Zelle wird der Strom aufgrund der durch die chemische Reaktion freigesetzten Energie von positiven Ionen aus dem Elektrolyten zur Kathode (die eine positive Polarität hat) getragen. Die Bewegung der Ionen setzt sich nach außen fort, indem Elektronen in die Zelle (oder Batterie) eingeführt werden, was zu einem positiven Strom führt (wenn der Stromkreis geschlossen ist). In einem galvanischen Daniell-Element zum Beispiel ist die Kupferelektrode eine Kathode mit positiver Polarität. Eine aufgeladene Batterie oder eine elektrolytische Zelle, in der eine Elektrolyse stattfindet, ist durch eine Kathode mit negativer Polarität gekennzeichnet. Von der Kathode fließt der Strom zurück zur Quelle (z. B. ein Autoladegerät oder ein USB-Ladegerät), da Ladung in die Zellen eingebracht wird.
Anode und Kathode in elektrochemischen Zellen
In der Elektrochemie ist die Anode die Elektrode einer elektrochemischen Zelle, an der die Oxidationsreaktion abläuft, und im weiteren Sinne die Reduktionsreaktion an der Kathode. Chemische Reaktionen, die zu einer gleichzeitigen Oxidation und Reduktion führen, werden als Redoxreaktionen bezeichnet – red- aus Reduktion, -ox aus Oxidation (Oxidation). Bei solchen Reaktionen ist die Kathode mit Kationen (Elektronenakzeptoren) und die Anode mit Anionen (Elektronenträger) verbunden. Die Kathode kann eine negative Polarität haben, wie bei elektrolytischen Zellen (wo die Elektrizität in die Zelle eingespeist und für die Zersetzungsreaktionen der vorhandenen Chemikalien verwendet wird), oder eine positive Polarität bei galvanischen Zellen (wo chemische Reaktionen die Ursache für die Elektrizität sind). Die Kathode liefert dann Elektronen an die Kationen (die sich durch eine positive Ladung auszeichnen), die aus dem Elektrolyten kommen.
Anode und Kathode in einer Autobatterie
Ein besonderer Fall von elektrochemischen Zellen, dem man täglich begegnet, sind die Zellen, aus denen Autobatterien bestehen. Die Batterie ist ein elektrischer Energiespeicher, aus dem bei stehendem Motor und ausgeschaltetem Motor die elektrischen Komponenten des Fahrzeugs (z. B. Radio oder Positionsleuchten) und vor dem Anlassen die Zündanlage (bei Selbstzündungsmotoren die Vorglühkerzen), die Kraftstoffpumpe und der Anlasser versorgt werden können. Bei laufendem Motor wird die Batterie von der Lichtmaschine (die über einen Keilriemen vom Motor angetrieben wird) über ein Gleichrichtersystem mit Spannungskomparator “kontinuierlich geladen”. Der erste wichtige Punkt ist, dass im Gegensatz zu gewöhnlichen Batterien, die u. a. für Uhren, Fernbedienungen oder Spielzeug verwendet werden (z. B. LR6 oder 6F22), die innere Struktur der Batterie aus mehreren (in der Regel sechs) in Reihe geschalteten Zellen besteht, wodurch sich die Spannungen der Zellen zueinander addieren, so wie sich die Widerstände von in Reihe geschalteten Widerständen addieren. Bei den meisten Blei-Säure-Autobatterien beträgt die resultierende Spannung 12 V, wobei eine tatsächliche, ordnungsgemäß betriebene Batterie im unbelasteten Zustand eine Spannung von etwa 13 V aufweisen sollte. Batterien mit 24 V oder 36 V werden am häufigsten für Elektrofahrzeuge verwendet, aber die Zellverbindung und die Herstellungstechnologie sind identisch mit denen von Batterien mit niedrigeren Spannungen. Grundsätzlich wird die elektrische Energie einer Batterie freigesetzt, wenn eine Last an ihre Pole angeschlossen wird. Die freigesetzte Energie umfasst den elektrischen Strom, d. h. die geordnete Bewegung von Elektronen – negativ geladene Elementarteilchen, die bei der Übertragung von elektrischer Energie eine Schlüsselrolle spielen.
Bei einer Batterie sind die Pole, mit denen sie mit den Verbrauchern verbunden ist, besonders wichtig. Diese Pole werden einfach als Anode und Kathode bezeichnet. Unter normalen Betriebsbedingungen findet in der Batterie der Prozess der Umwandlung von chemischer Reaktionsenergie in elektrische Energie statt, bei dem durch die Oxidation der Anode (Pluspol) Elektronen freigesetzt werden. Der Strom fließt über die Kathode (Minuspol), die die von der Anode freigesetzten Elektronen aufnimmt, in die Batterie zurück. Wenn die Batterie geladen wird, kehrt sich der gesamte Prozess um. Wenn die Ausgangsspannung der Batterie nicht ausreichend niedrig ist, können eine Überentladung und ein erheblicher Elektrolytverlust die Ursache sein. Bei einer Blei-Säure-Batterie besteht die Kathode aus Platten aus Blei(II)-oxid und die Kathode aus reinen Bleiplatten. Der Elektrolyt hingegen ist eine 20%-40%ige Lösung von Schwefelsäure (VI) in entmineralisiertem Wasser. Wenn der Stromkreis mit der Batterie geschlossen ist (die Verbraucher sind an die Batterie angeschlossen), findet eine chemische Reaktion statt, bei der sich Blei-(VI)-Sulfat und Wasser bilden. Die Reaktion führt zur Emission von Elektronen, die sich zu elektrischem Strom umwandeln, der den an die Batterie angeschlossenen Verbrauchern zugeführt wird. Diese Reaktionen laufen in beide Richtungen ab, so dass die Batterie wiederholt geladen und entladen werden kann.
Anode und Kathode in einer Halbleiterdiode
Eine Halbleiterdiode ist eines der gebräuchlichsten elektronischen Bauelemente, das in elektronischen Schaltungen und Systemen viele nützliche Funktionen erfüllen kann, wie z. B. den Schutz vor verpolten Versorgungsspannungen oder die Umwandlung (Gleichrichtung) einer sinusförmigen Spannung in eine pulsierende, gleichgerichtete Spannung. Bei Halbleiterdioden ist die Kathode am p-n-Übergang eine n-dotierte Schicht, die aufgrund der verwendeten Dotierung eine hohe Dichte an freien Elektronen und eine gleichmäßige Dichte an festen positiven Ladungen aufweist, die thermisch ionisierte Dotierstoffe sind.
In der Anode, der n-Typ-Schicht, tritt die umgekehrte Situation ein, wo der Übergang durch eine hohe Dichte von Elektronenlöchern und feste negative Ladungen, die Elektronen einfangen, gekennzeichnet ist. Wenn die P- und N-dotierten Schichten nebeneinander gebildet werden, sorgt die Diffusion für den Fluss der Elektronen von den Bereichen mit hoher Dichte zu den Bereichen mit niedriger Dichte, d. h. von der n-Typ-Schicht zur p-Typ-Schicht.
Die festen Ladungen werden dann auf jeder Schicht in der Nähe der Zwischenschichtbarriere übertragen, d. h. Elektronenlöcher werden aus der p-Typ-Schicht und Ladungsträger aus der n-Typ-Schicht freigesetzt, wodurch eine Verarmungsschicht entsteht, durch die die Diode sehr gut in der Lage ist, Rückströme zu blockieren und in eine Richtung zu leiten. Dies ist auf die Bildung einer Potenzialbarriere zurückzuführen, die Ströme mit einer Polarisation entgegengesetzt zur Polarisation des pn-Übergangs hemmt, was zu einer Verdickung der Verarmungsschicht führt. Die Diffusion von Elektronen von der Kathode zur p-dotierten Schicht (Anode) führt zur Bildung von Minoritätsträgern, die sich mit den Majoritätsträgern (Elektronenlöchern) rekombinieren. Außerdem werden Elektronenlöcher zu Minderheitsträgern in der n-dotierten Schicht (Kathode).
Für das Gleichgewicht, wenn der Diodenübergang nicht polarisiert ist, führt die thermisch unterstützte Diffusion von Elektronen und Elektronenlöchern in Durchlassrichtung zu einem geringen Stromfluss durch die verarmte Schicht. Ein Sonderfall von Halbleiterdioden ist die Zener-Diode, die unter normalen Betriebsbedingungen den Strom in eine Richtung leitet und bei Überschreiten der Spannung an ihren Zuleitungen (der so genannten Zener-Spannung) in die entgegengesetzte Richtung zu leiten beginnt. Wird die Zener-Spannung jedoch überschritten, kommt es zu einem Lawinendurchbruch, und der Halbleiterübergang wird dauerhaft beschädigt.
Abschließende Fragen und Antworten
Für eine gründliche Beschreibung der Leitfähigkeitsmechanismen in chemischen Stromquellen und Halbleiterelementen auf Anoden- und Kathodenbasis ist es nützlich, ihre wichtigsten Eigenschaften zu kennen, die wir in Form von Fragen und Antworten darstellen werden:
1. welche Polarität hat die Anode und welche die Kathode?
Die Anode wird meist als negativer Versorgungspol in einer galvanischen Zelle betrachtet und die Kathode als positiver Pol. Das ist eine korrekte Feststellung, denn die Anode ist der Bereich, aus dem die Elektronen stammen, während die Kathode das Element ist, das die Elektronen von der Anode aufnimmt und sie in den Stromkreis fließen lässt.
2. Findet die Oxidationsreaktion an der Anode oder an der Kathode statt?
Die Anode ist das Element, in dem die Oxidationsreaktion abläuft. Dies geschieht, weil Elektronen aus der Metallanode freigesetzt werden.
3. Wie hoch ist die elektrische Ladung der Anode und der Kathode?
Die Oxidation ist die Reaktion der Anode auf die Abgabe von Elektronen aus der Anode. Daher ist die Anode negativ geladen. An der Kathode findet eine Reduktionsreaktion statt, bei der Elektronen von der Anode eingefangen (aufgenommen) werden. Daher ist die Anode elektronenarm und positiv geladen.
4. Haben Kationen eine positive oder negative Ladung?
Ein Kation ist definiert als ein positiv geladenes Ion oder ein Atom, das ein einzelnes Elektron verloren hat.
5) Aus welchen Materialien bestehen Anode und Kathode am häufigsten?
Zink, Lithium und Kupfer werden am häufigsten für die Herstellung von Anoden und Kathoden verwendet.
6. wie verhalten sich Anode und Kathode, wenn sie korrodieren?
Das Eisen an der Anode einer galvanischen Zelle neigt zur Korrosion, wodurch es in die zweite Oxidationsstufe übergeht, während sich an der Kathode durch Oxidation Wasser bildet.
7) Findet die Reduktionsreaktion immer an der Kathode statt?
Die Reduktionsreaktion findet immer an der Kathode statt, und auch die Oxidationsreaktion findet immer an der Anode statt. Wenn Elektronen aus der Anode freigesetzt werden, wandern sie in den Reduktionsbereich, d. h. in den Kathodenbereich.
8. Ist die Kathode einer LED positiv oder negativ gepolt?
Gewöhnliche LEDs haben eine Kathodenleitung, die im Vergleich zur anderen Leitung (der Anode) kürzer ist. Die Anode einer LED sollte immer an einen Punkt in einem Stromkreis angeschlossen werden, der ein höheres Potenzial als die Kathode aufweist.
9. LED – wo ist die Kathode, und wo die Anode?
Um sich dieses Layout zu merken, verwendet man ein Bild.
Auf dem Diagramm ist deutlich zu sehen, dass der Strom von der Anode zur Kathode fließt. Bei einer LED-Lampe befindet sich die Anode in der Abbildung links und die Kathode rechts.
Anode und Kathode – FAQ
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Anna Wieczorek