Kathode
Englisch: cathode
Eine Elektrode einer Zelle oder eines anderen elektrisch polarisierten Geräts, durch die ein positiver Strom nach außen fließt (während Elektronen nach innen fließen). Sie kann im Vergleich zur Anode desselben Geräts entweder eine negative oder positive Spannung aufweisen, je nachdem ob das Gerät eine Last oder eine Quelle ist.
Kathode: wo Elektronen in ein elektrisches Gerät eintreten
Die Kathode ist eine Elektrode, die dazu ausgelegt ist, während des elektrischen Betriebs Elektronen aufzunehmen. In jedem polarisierten elektrischen Gerät fließt der Strom aus der Kathode in einen externen Stromkreis, während gleichzeitig Elektronen aus diesem Stromkreis in die Kathode fließen. Dieser gerichtete Fluss bestimmt die Rolle der Kathode, unabhängig davon, ob das Gerät Energie erzeugt oder verbraucht.
Die Polarität der Kathode relativ zur Anode hängt ganz davon ab, ob das Gerät als Stromquelle oder als Last fungiert. In einer galvanischen Zelle oder einem Akkumulator (Stromquelle) ist die Kathode positiv; Elektronen werden an der Anode freigesetzt und wandern durch den externen Stromkreis zur Kathode. In einer Elektrolysezelle (Stromverbraucher) ist die Kathode negativ; eine externe Stromversorgung treibt Elektronen in die Kathode, wo an ihrer Oberfläche Reduktionsreaktionen ablaufen. Diese Umkehrung verwirrt oft Anfänger, aber die Definition bleibt konstant: Elektronen fließen ein, Strom fließt aus.
Übliche Kathodenmaterialien und Anwendungen
In Batterien und elektrochemischen Zellen variieren die Kathodenmaterialien je nach Chemie. Alkali-Zellen nutzen Mangandioxid; Lithium-Ionen-Zellen verwenden Lithium-Metalloxide wie Lithium-Kobalt-Oxid oder Lithium-Eisenphosphat. Galvanikbetriebe nutzen inerte Kathoden, normalerweise Kupfer oder Stahl, auf denen sich Metallschichten aufbauen. Vakuumröhren und Kathodenstrahlröhren nutzen beheizte Glühkathoden zur Elektronenabgabe durch thermionische Emission; diese werden manchmal als Glühkathoden bezeichnet. Kaltkathoden in manchen Gasentladungsröhren beruhen auf Feldemission oder Sekundäremission ohne zugeführte Wärme.
Die industrielle Elektrochemie ist auf das Verhalten der Kathode angewiesen. Bei der Metallraffination sammelt die Kathode gereinigtes Metall, das aus der Lösung abgeschieden wird. Beim Kupfergewinnung durch Elektrolytische Raffination ist die Kathode normalerweise ein dünnes Kupferblech, das 99,99 % reines Kupfer durch elektrolytische Reduktion ansammelt. Oberfläche und Stromdichte beeinflussen die Gleichmäßigkeit der Abscheidung; zu kleine Kathoden im Verhältnis zum Strom führen zu ungleichmäßiger Beschichtung, dendritischem Wachstum oder pulverförmigen Abscheidungen. Gasbildung kann auch an der Kathode in wässrigen Systemen auftreten, wenn Wasserstoffbildung mit der gewünschten Reduktionsreaktion konkurriert.
Der Begriff Kathode stammt vom Griechischen kathodos, was Abstieg oder Weg nach unten bedeutet, da frühe Experimentatoren beobachteten, dass der negative Pol der Eintrittspunkt für elektrische Flüssigkeit zu sein schien (Elektronen, obwohl sie das damals nicht wussten). Die Benennung ist älter als die Elektronentheorie, daher geht die Richtungsbedeutung der vollständigen Verständnis des Elektronenflusses voraus. In der modernen Praxis sollte man immer überprüfen, ob man mit einer Quelle oder einer Last arbeitet, bevor man feststellt, welcher Anschluss die Kathode ist; das Spannungszeichen allein kann in die Irre führen.