Anod

Diagram av en zinkanod i en galvanisk cell. Den yttre konventionella strömriktningen är riktad in mot komponenten och elektroden är således en anod

Anod är den elektrod där en yttre ström går in i en komponent.

Ett undantag är halvledardioder där anoden är fixerad till den p-dopade sidan av diodens pn-övergång. För många dioder sammanfaller undantaget med den generella definitionen, men inte för exempelvis zenerdiod, avalanchediod eller fotodiod där strömmen i normalt driftläge går in på den n-dopade sidan (som kallas diodens katod) av diodens pn-övergång.

Den yttre elektronledaren är vanligtvis av metall men kan även vara av grafit. Det behövs även en motelektrod där strömmen kan lämna komponenten och denna elektrod kallas katod. Strömmen som passerar komponenten kan ledas genom vakuum, joniserad gas, halvledare eller elektrolyt. Elektrolyten kan vara en vattenlösning av salt, syra eller bas men kan även vara en jonledande polymer, saltsmälta eller fastoxid. Exempel på det senare är yttriumstabiliserad zirkoniumdioxid där syrejoner är strömmens laddningsbärare.

Anod och katod används dels om energiförbrukande komponenter, exempelvis vakuumdioder, dels om komponenter som avger energi såsom en galvanisk cell. För en vakuumdiod är anoden den positiva elektroden, medan för en galvanisk cell blir den negativa elektroden anod. Anod (och även katod) definieras utifrån den yttre strömmens riktning, inte komponentens polaritet.

Det är en missuppfattning att anoden alltid är positiv. En generell minnesregel kan vara den engelska ACID (Anode, Current Into Device). Den svenska minnesregeln PANK (Positiv Anod, Negativ Katod) har begränsad användning och gäller bara energiförbrukande komponenter men inte för en galvanisk cell som avger energi (det som vardagligt kallas batteri). ACID-reglen gäller inte generellt för halvledardioder (se nedan under 3.1.2) som har en egen definition/konvention för anod.

I en elektrokemisk cell orsakar strömmen en oxidation vid anoden. Detta gäller för såväl en elektrolytisk cell vid den positiva polen som för en galvanisk cell vid den negativa polen.

Etymologi

Ordet anod introducerades av Michael Faraday när han behövde nya namn för att skriva färdigt en avhandling om elektrolys, en då nyligen upptäckt process. Faraday hade konsulterat William Whewell 1834 som myntade ordet anod. Vid namngivningen av elektroderna utgick Faraday från en elektrolytisk cell som är så orienterad att strömmen går in i öster och ut ur cellen i väster. Strömmens riktning blir då densamma som en sådan tänkt ström har längs en latitud och som skapar ett magnetfält med samma riktning som jordens magnetfält. Faraday menade att som minneshjälp har strömmens bana samma riktning som solen tycks röra sig – upp i öster och ner i väster. Anod kommer från det grekiska ordet ἄνοδος ánodos "väg uppåt", "återväg"; av aná "upp", "tillbaka" och hodós "bana", "väg".

Notering om strömmens riktning

Enligt konvention är den elektriska strömmens riktning den samma som för positiva laddningar. Om strömmen utgörs av negativa laddningar, rör sig dessa i motsatt riktning. Inne i en vakuumdiod i drift frigörs elektroner vid katoden och vandrar i spänningsfältet till anoden och därefter till strömkällan. Eftersom elektronerna har negativa laddningar är den konventionella strömriktningen åt motsatt håll – från strömkällan till vakuumdiodens anod och vidare inne i dioden till katoden och slutligen, via en yttre ledare, tillbaka till strömkällan.

Exempel på elektriska komponenter eller system med anod

Elektronikkomponenter

Elektronrör

Schematisk bild av triodrör

Elektronrör är en samlingsbeteckning för vakuumrör med två eller flera elektroder varav minst en är anod.

  • Vakuumdiod: Vakuumdioden är ett elektronrör med två elektroder. Vid drift värms katoden så att den avger elektroner som fångas upp inne i elektronröret av anoden. Vakuumdioden leder ström endast i en riktning och kan användas för att likrikta växelström.
  • Triod, tetrod och pentod: Likt vakuumdioden innehåller de anod och katod men dessutom extra elektrod(er) så att strömmen genom komponenten kan regleras.
  • Indikatorrör: Indikatorröret är i princip en triod där anoden är belagd med ett fluorescerande ämne som lyser när den träffas av elektroner. Med den tredje elektroden styrs hur mycket av ljuset vid anoden som ska begränsas.
  • Katodstrålerör: Anoden i katodstråleröret innehåller fluorescerande fosforer. Elektronerna från katoden fokuseras, avlänkas och regleras för att kunna skapa en bild.
  • Röntgenrör: Röntgenröret är ett elektronrör med så hög spänning mellan anod och katod att röntgenstrålning uppstår vid anoden. Strålningen utgörs av ett kontinuerligt spektrum plus överlagrade toppar vars våglängd är beroende av materialet i anoden.
  • Fotomultiplikator: Fotomultiplikatorn är ett elektronrör där ljus kan slå ut elektroner ur katodmaterialet. Med kaskadkopplade dynoder förstärks de första elektronerna och den förstärkta signalen tas ut vid anoden.
  • Magnetron:
    Principskiss för magnetron
    Magnetronen är ett vakuumrör och har en centralt placerad katod och en ringformad anod med kaviteter där mikrovågor skapas.
  • Teltronrör:
    Teltronrör
    Teltronröret är ett elektronrör som används som undervisningshjälpmedel. Där visas hur en elektronstråle påverkas av elektriska och magnetiska fält. Teltronröret innehåller gas av lågt tryck som synliggör elektronstrålen.
  • Hålkatodlampa:
    Principskiss för hålkatodlampa
    Anode = anod
    Spannungsquelle = spänningskälla
    Hohlkathode = hålkatod
    Hålkatodlampan är ett gasurladdningsrör där förgasat katodmaterial genom sputtring ger ett plasma. Plasmat ger ett referensspektrum (olika för olika metaller) som kan användas vid analys med en atomabsorptionsspektrofotometer. Anoden kan utformas som en ring runt katoden.
  • Geiger-Müllerrör:
    Schematisk bild av ett Geiger-Müllerrör
    Geiger-Müllerröret är en rörformad detektor för joniserande strålning (beta- och gammastrålning). Anoden är en spänningssatt tråd i mitten av ett gasfyllt rör.
  • Proportionalräknare: Detektorn i en proportionalräknare liknar ett GM-rör men arbetar med lägre spänning (svagare elektriskt fält).
    Principiell arbetsspänningsområde för proportionalräknare och GM-rör
  • Kvicksilverströmriktare: Komponenten skiljer sig från vakuumdioden genom att komponenten innehåller kvicksilverånga och därigenom kan leda en högre ström. Uno Lamm beskriver 1934 en komponent med sex anoder och en gemensam kvicksilverkatod. Komponenten kan användas för såväl likriktning som växelriktning. Kvicksilverströmriktare är föråldrad och sedan 1970-talet används tyristorbaserad teknik.

Halvledarkomponent

Halvledardioder leder idealt elektrisk ström i bara en riktning, från anod till katod. Halvledardioder finns i olika utföranden och med olika karaktäristik. Schemasymbolens pil anger framriktningen. I backriktningen kan halvledardioder leda en mycket liten ström men konventionen (undantag från den generella definitionen av anod) är de behåller beteckningen anod för den elektrod där strömmen går in (den p-dopade sidan av pn-övergången) när dioden leder i framriktningen. Konventionen gäller även för zenerdioden som i sin huvudanvändning börjar leda en markant ström när en definierad spänning i backriktningen uppnås. Så här ser några symboler ut för olika dioder med beteckning för anod (det engelska ordet Anode används).

Diod Fotodiod Zenerdiod

Lysdiod med angivande av anod (+), dess symbol samt praktiskt utförande
  • Lysdiod (LED), det långa benet är anslutet till diodens anod.
Principbild av hur Organisk LED är uppbyggd
1 katod, 2 emitterskikt, 3 rekombinering av laddningsbärare med fotonemmission, 4 hålledningsskikt, 5 anod
  • OLED, eller organisk LED, använder kolbaserade substanser som kan göras tunna och böjbara. Anoden ansluter till ett hålledningsskikt.

Elektrokemiska komponenter

En elektrokemisk komponent kännetecknas av två elektroder (anod och katod) och mellanliggande elektrolyt samt att kemiska redoxreaktioner kan ske. Vid strömgenomgång sker en oxidation av anoden alternativt av ämnen i elektrolyten vid anoden. Samtidigt sker reduktion vid katoden. Strömmen genom elektrolyten transporteras av joner.

Elektrolytiska celler

Cell som tillförs elektrisk ström kallas elektrolytisk cell och finns i många utföranden. Den positiva elektroden är anod.

  • Elektrolyscell: Elektrolys betecknade ursprungligen kemisk sönderdelning med hjälp av elektricitet. Sätts två platinaelektroder ner i en utspädd svavelsyralösning kommer ström att ledas genom elektrolyten när pålagd spänning är tillräckligt hög. Vid drygt 1 volt utvecklas syrgas O2 vid anoden (pluselektroden) och vätgas H2 vid katoden och vattnet sönderdelas. Utgör elektrolyten en utspädd saltsyralösning kommer klorgas Cl2 att utvecklas vid anoden. Elektrolys kan vara ett sätt att skapa och producera kemiska ämnen.
  • Metallraffinering: Elektrolys kan användas för metallraffinering. Om exempelvis anoden utgörs av råkoppar kan processen ställas in så att koppar löses upp men inte diverse föroreningar såsom guld, silver och selen vilka fälls ut som anodslamm. Samtidigt fälls elektrolytkoppar − en ren form av koppar − ut vid katoden.
  • Anodisering: Anodisering är ett elektrolytiskt förfarande att förändra oxidskiktet på vissa metallers yta. Metallen kopplas som anod (pluspol). Några metaller som kan anodiseras är aluminium men även hafnium, magnesium, niob, tantal, titan, zink och zirkonium (läst 2015-02-28 enligt enwp Anodizing).
  • Elektolytkondensator: Elektolytkondensatorer med aluminium, niob eller tantal bygger på principen att metallen får vara anod så att metallytans oxidskikt förstärks till ett elektriskt isolerande skikt.
  • Elektrolytisk trådrengöring:
    Elektrolytisk trådrengöring
    Metalltråd kan rengöras elektrolytiskt utan att tråden har metallisk kontakt med strömkällan, se principskissen där 1= trådrulle, 2= metalltråd, 3= genomföringar, 4= motelektrod 1, 5= trådens katodmråde, 6= strömkälla, 7= baffel, 8= trådens anodområde, 9= motelektrod 2, 10= sköljsektion, 11= haspel. Avståndet mellan de motelektroder som är anslutna till strömkällan ska vara stort samtidigt som avståndet mellan motelektroder och tråd ska vara kort. Strömmen vandrar då från motelektrod nr 1 genom elektrolyten över till tråden och längs denna tills den i närheten av motelektrod nr 2 åter går ut i elektrolyten och över till motelektrod nr 2. Strömkällans spänning ska vara tillräcklig hög för att tillåta två (seriekopplade) elektrolytgenomgångar. En smärre ström går från första motelektrod till den andra motelektroden enbart i elektrolyten. Denna senare ström hålls låg dels av det långa avståndet mellan motelektroderna, dels att tvärsnittsytan i elektrolyten görs liten till exempel med hjälp av bafflar. Principskissen visar att metalltråden först får en katodisk behandling och därefter en anodisk (oxiderande) behandling när tråden löper genom anordningen. Tråden fungerar alltså som en bipolär elektrod.
  • Elektrolytpolering:
    Principskiss för elektrolytpolering
    Vid elektrolytpolering kopplas godset som anod. Strömtäthet, tid, temperatur och elektrolytens sammansättning ställs in så att i mikroskala avverkas mer godsmaterial i utskjutande delar jämfört med fördjupningar. I skissen är 1=elektrolytbad, 2=katoder, 3=gods som ska poleras kopplas som anod 4=avverkade partiklar, 5=ursprunglig ytprofil i förstoring, 6=ytprofil i förstoring efter delvis behandling
  • Katodiskt skydd: Korrosion av stål, bly och koppar i mark och vatten kan undertryckas genom att metallernas elektrodpotential sänks (görs mer negativ) med hjälp av en yttre strömkälla. Motelektroden blir anod och omges i mark lämpligen av en massa med god elektrisk ledningsförmåga. Se även offeranod under primärceller.

Galvaniska celler

Cell som kan alstra elektrisk ström kallas galvanisk cell. Sådana finns i många olika utföranden. Anoden är den negativa polen. I laddbara batterier (ackumulatorer) växlar elektrodernas funktion (anod respektive katod) allt efter driftsätt (urladdning eller laddning).

Primärceller

Dessa celler innehåller primärt kemiska ämnen som kan omvandlas och avge elektrisk energi. Här ingår engångsbatterier men inte laddbara batterier som listas nedan under sekundärceller.

  • Brunstensbatteri: Brunstensbatteriet har zink som anodmaterial. Som katodmaterial fungerar mangandioxid tidigare kallad brunsten. En grafitstav används som elektronledare till mangandioxiden men genomgår ingen elektrokemisk reaktion vid strömuttag utan är bara till för den elektriska kontakten.
  • Litiumbatteri: Litiumbatteriet har metalliskt litium som anodmaterial. Litiumbatteriet är absolut inte lämplig för återuppladdning och ska inte förväxlas med det laddningsbara litiumjonbatteriet.
  • Andra engångsbatterier: Det finns en sammanställning av engångsbatterier på svenska Wikipedia . Anodmaterialet framgår under kolumnen ”Minuspol”.
  • Bränslecell: Bränslecellen är en primärcell där de reagerande ämnena tillförs elektroderna utifrån och inte som övriga primärceller där ämnena lagras inne i komponenten. Bränslecell är ett generellt begrepp och gäller för flera olika koncept. Bränslet – ett oxiderbart ämne – tillförs anoden. I många koncept är bränslet vätgas men kan även exempelvis vara metanol eller kolväten. Utöver bränslet behövs ett oxiderande ämne vanligtvis ren syrgas eller syre i luft. Det oxiderande ämnet tillförs katoden.
  • Grätzelcell: Grätzelcellen är en fotoelektrokemisk cell där ljusenergi omvandlas till elektrisk energi. Cellen består av flera olika lager/skikt:
    • glas eller transparent plast som bärare av de andra lagren
    • transparent elektriskt ledade skikt av fluordopad tennoxid
    • poröst skikt av nanokristallin titandioxid. Titandioxiden är belagd med ett
    • adsorberad färgämne på titandioxidpartiklarna.
    • elektrolyt innehållande ett redoxpar, exempelvids jod-trijodid, I-/I3-
    • metall med katalysator
Tennoxiden + titanoxiden + färgämnet utgör anoden.
Färgämnet exciteras av ljus och överför energin till titandioxiden som lämnar en elektron till tennoxiden som är förbunden med en yttre elektrisk ledare (elektroner ut betyder detsamma som ström in). Det finns fotoelektriska celler med andra aktiva material/ämnen som fungerar enligt samma allmänna princip.
  • Offeranod: Utöver matning från en strömkälla kan stål och några andra metaller och legeringar ges katodiskt korrosionsskydd genom att direktförbindas med en annan och oädlare metall – en så kallad offeranod. Principen är som för ett engångsbatteri. För varmvattencisterner är magnesiumelektroder lämpliga som offeranoder och för fartyg zink eller aluminiumlegering. Kopparlegeringar kan skyddas av mjukjärnsanoder.
  • Galvanisk korrosion: Galvanisk korrosion kan uppstå om två olika metaller bringas i metallisk kontakt med varandra och det samtidigt finns en elektrolyt. Den oädlare metallen blir anod. Vilken metall som är den oädlare avgörs av metallen plats i en spänningsserie. Notera att rangordningen kan ändras om elektrolytens sammansättning ändras. Exempelvis blir det olika serier i sötvatten och havsvatten. Andra elektronledande material såsom grafit kan tjänstgöra i stället för metall i den ena elektroden. Metallens plats i spänningsseren avgörs av det potentialvärde som fås av metallen och dess metalljonkoncentration, ofta samma värde i sur till neutral elektrolyt. En mer generell översikt ges i Pourbaixdiagram som är ett pH-potentialdiagram och anger i vilka områden metallen är immun, kan vara passiverad eller kan korrodera.
  • Spalt-, avlagrings- och vattenlinjekorrosion: Korrosion kan uppstå även om det inte är olika metaller som i galvanisk korrosion och även om deltagande ämnen i elektrolyten är lika men skiljer sig med avseende på koncentration. Spaltkorrosion är ett sådant fenomen när syrekoncentrationen är högre vid spaltens mynning än längre in i spalten. Metallens upplösning i spalten kan skrivas som en generell anodreaktion: Me → Men+ + ne- (Me står för metall). Samtidigt sker en reduktion av syre vid spaltens mynning enligt följande katodreaktion: ½ O2 + H2O + 2e- → 2 OH-.
Avlagringskorrosion sker vid ett snarlikt förhållande där icke-metalliska avlagringar skapar en syrefattig miljö under avlagringen.
Metall som till en del doppas ner i vatten kan drabbas av vattenlinjekorrosion som är ett angrepp strax under vattenytan. Angreppet beror på att koncentrationen av löst syre vid vattenlinjen är högre än längre ner.
Sekundärceller

Sekundärceller är galvaniska celler där elektrodreaktionerna kan vändas. De kan laddas upp på nytt det vill säga de är laddbara batterier. Vid laddning är den positiva elektroden anod medan det vid strömuttag är den negativa elektroden anod.

  • Blyackumulatorn: I blyackumulatorn är bly (Pb) det aktiva materialet i minuselektroden och blydioxid (PbO2) i pluselektroden. Vilken pol/elektrod som är anod anges ovan under ”Sekundärceller” och beror på om batteriet laddas eller avger ström/laddas ur.
  • Litiumjonbatteri: I litiumjonbatteri utgörs den negativa elektroden av exempelvis grafit där litium kan lagras mellan grafitskikt – interkaleras. Det finns forskare och tillverkare som benämner det interkalerande ämnet ”anodmaterial” trots att ett utmärkande drag för litiumjoncellen är att den kan laddas, det vill säga att minuselektroden då fungerar som katod Detta att vara laddbar skiljer litiumjonbatteriet från litiumcellen eftersom vid försök att återladda en litiumcell kan den skadas allvarligt. För den positiva elektroden i litiumjonbatteriet finns ett flertal koncept med olika metalloxider vari litiumjoner kan ingå i varierande grad.
  • Andra laddbara batterier: Det finns en sammanställning av laddbara batterier på svenskspråkiga Wikipedia. Elektrodmaterial anges under kolumnerna ”Pluspol” och ”Minuspol”. För att avgöra vad som är anod – se under Sekundärceller ovan.

Elektroder som inte kallas anod

Referens- och mätelektroder är elektrokemiska komponenter utformade för att ge en definierad elektrisk potential. Idealt tillförs eller lämnar komponenterna ingen ström och därför används inte begreppen anod eller katod om dessa elektroder. Elektroderna finns i olika utföranden, för exempel se standardvätgaselektrod, kalomelelektrod, pH-glasmembranelektrod, jonselektiv elektrod och redoxelektrod.

Se även

Referenser

Noter

  1. 1 2 3 Einar Mattsson, Elektrokemi och korrosionslära, 2:a omarbetade upplagan, 2:a tryckningen, sidan 14, Utgivare: Korrosionsinstitutet Stockholm, år 1977, Bulletin Nr 56
  2. 1 2 Faraday, Michael, 1834 ”Experimental Researches in Electricity. Seventh Series” paragraf 11 stycke 663. Philosophical Transactions of the Royal Society 124 (1) läst 2019-07-24
  3. ↑ Crecraft, David; Stephen Gergely (2002). Analog Electronics: Circuits, Systems and Signal Processing. Butterworth-Heinemann. sida. 110, läst 2019-07-24. ISBN 0-7506-5095-8
  4. ↑ Lowe, Doug (2013). "Electronics Components: Diodes". Electronics All-In-One Desk Reference For Dummies. John Wiley & Sons. läst 2019-07-24 Arkiverad 22 november 2021 hämtat från the Wayback Machine.
  5. ↑ Einar Mattsson, Elektrokemi och korrosionslära, 2:a omarbetade upplagan, 2:a tryckningen, sidan 15, Utgivare: Korrosionsinstitutet Stockholm, år 1977, Bulletin Nr 56
  6. ↑ från enwp Anode som anger Ross, S (1961). ”Faraday Consults the Scholars: The Origins of Terms of Electrochemistry”. Notes and Records of the Royal Society of London (1938–1996) 16 (2):187–220. doi:10.1098/rsnr.1961.0038 läst 2015-02-28 .
  7. ↑ Projekt Runeberg; Teknisk tidskrift Elektoteknik Häfte 4 april 1934 sidor 49–54 samt 69–76; Uno Lamm, ”Om kvicksilverströmbrytarens fysik och teknik”; artikelns sida 49 börjar vid https://runeberg.org/tektid/1934e/0051.html läst 2015-02-10
  8. ↑ Faraday, Michael, 1834 ”Experimental Researches in Electricity. Seventh Series” paragraf 11 stycke 664. Philosophical Transactions of the Royal Society 124 (1): doi:10. 1098/rstl. 1834.0008 (referens hämtad från enwp Anode läst 2015-02-28)
  9. ↑ Gunnar Hägg, Allmän och oorganisk kemi, sidan 408 Almqvist & Wiksells, 1963
  10. ↑ Gunnar Hägg, Allmän och oorganisk kemi, sidan 701, Almqvist & Wiksells, 1963
  11. ↑ Einar Mattsson, Elektrokemi och korrosionslära, 2:a omarbetade upplagan, 2:a tryckningen, sidan 78, Utgivare: Korrosionsinstitutet Stockholm, år 1977, Bulletin Nr 56
  12. 1 2 Einar Mattsson, Elektrokemi och korrosionslära, 2:a omarbetade upplagan, 2:a tryckningen, sidor 71–72, Utgivare: Korrosionsinstitutet Stockholm, år 1977, Bulletin Nr 56
  13. ↑ Einar Mattsson, Elektrokemi och korrosionslära, 2:a omarbetade upplagan, 2:a tryckningen, sidor 47–50, Utgivare: Korrosionsinstitutet Stockholm, år 1977, Bulletin Nr 56
  14. ↑ Gunnar Hägg, Allmän och oorganisk kemi, sidan 413 16h, Almqvist & Wiksells, 1963
  15. ↑ Why do some authors write anode (or cathode) in place of negative (or positive) electrode when reporting rechargeable battery research? , läst 2020-07-03.

Externa länkar