陰極

カソードとは、鉛蓄電池などの有極電気機器から通常の電流が流れ出る電極です。この定義は、 Cathode Current Departsの略称CCD を使って思い出すことができます。通常の電流は、正電荷が移動する方向を表します。電子は負の電荷を持っているため、電子の動きは通常の電流の流れと逆になります。したがって、カソード電流の略称は、電子が外部回路から機器のカソードに流れ込むことも意味します。たとえば、家庭用電池の + (プラス) マークが付いている端がカソードです。

従来の電流が逆方向にデバイスに流れる電極は、陽極と呼ばれます。

従来の電流は、セルまたはデバイスの種類や動作モードに関係なく、セルまたはデバイスの外側でカソードからアノードに流れます (電子は反対方向に移動します)。

陰極の極性は、デバイスの動作方法に応じて、陽極に対して正または負になります。デバイスまたはセル内では、正に帯電した陽イオンは常に陰極に向かって移動し、負に帯電した陰イオンは陽極に向かって移動しますが、陰極の極性はデバイスの種類によって異なり、動作モードによっても変わることがあります。陰極が負に分極しているか (バッテリーの再充電など)、正に分極しているか (バッテリーの使用中など) に関係なく、陰極は外部から電子を引き寄せ、内部から正に帯電した陽イオンを引き寄せます。

使用中のバッテリーまたはガルバニ電池には、通常の電流がデバイスから流れ出る場所である正極端子であるカソードがあります。この外向きの電流は、電解質から正極カソードに移動する正イオンによって内部的に運ばれます (この「上り坂」の動きは化学エネルギーによって行われます)。この電流は、バッテリーに移動する電子によって外部的に継続され、外向きの正電流が流れます。たとえば、ダニエル ガルバニ電池の銅電極は正極端子とカソードです。

充電中の電池や電気分解を行っている電解セルは、陰極が負極端子となっており、そこから電流が装置から出て、電荷が電池/セルに入ると外部発電機に戻ります。例えば、ダニエルガルバニ電池の電流方向を逆にすると、銅電極が正極端子であり、陽極でもある電解セル^[1]に変換されます。

ダイオードでは、カソードは矢印記号の尖端にある負極端子で、ここから電流がデバイスから流れ出ます。注: ダイオードの電極の命名は、ツェナー ダイオードや太陽電池など、逆電流が重要なタイプの場合でも、常に順方向電流の方向 (電流が「最も容易に」流れる矢印の方向) に基づきます。真空管(ブラウン管を含む) では、負端子から電子が外部回路からデバイスに入り、管のほぼ真空に進み、デバイスから流れ出る正電流を構成します。

この言葉は、1834年にウィリアム・ヒューウェルがギリシャ語のκάθοδος ( kathodos )、「下降」または「下降の道」から作った造語である。ヒューウェルは、マイケル・ファラデーから^、最近発見された電気分解のプロセスに関する論文を完成させるために必要ないくつかの新しい名前について相談を受けていた [2]。その論文でファラデーは、電解セルが「分解体」(電解質) を「東から西へ、または、この記憶を強める助けとなる、太陽が動いているように見える方向へ」電流が流れるように配置されている場合、カソードは電流が電解質を離れる西側、「kata下向き、`odos道、太陽が沈む道」であると説明した^{[3] 。}

「外」の方向を意味する「西」の使用（実際は「外」→「西」→「日没」→「下」、つまり「視界外」）は、不必要に不自然に思えるかもしれない。以前、上記の最初の参考文献で述べられているように、ファラデーはより直接的な用語「エクソード」（電流が出る出入り口）を使用していた。彼がそれを「西電極」を意味する何か（他の候補は「ウェストード」、「オシオード」、「ディシオード」）に変更した動機は、当時は正確な性質がわかっていなかった電流の方向規則が後になって変更される可能性があったため、その影響を受けないようにするためであった。彼がこれに関して使用した参照は、当時は不変であると信じられていた地球の磁場の方向であった。彼は、基本的に、セルの任意の方向を、内部電流が、地球の方向と同じ向きの磁気双極子場を誘導する、地元の緯線の周りの仮想的な磁化電流ループと平行かつ同じ方向に流れる方向と定義しました。これにより、内部電流は前述のように東から西になりましたが、後の慣例の変更により、西から東になり、西電極はもはや「出口」ではなくなりました。したがって、「エクソード」は不適切になり、「西電極」を意味する「カソード」は、当時は未知であったが、磁気基準によって明確に定義されていると彼が考えた、電流の背後にある実際の現象の方向が変わらないことに関して、正しいままでした。振り返ってみると、名前の変更は残念なことでした。ギリシャ語の語源だけではもはやカソードの機能が明らかにならないだけでなく、より重要なことに、現在わかっているように、「カソード」という用語の基になっている地球の磁場の方向は反転する可能性があるのに対し、 「エクソード」という用語の基になっている現在の方向の慣習は将来変更される理由がないからです。

後に電子が発見されて以来、覚えやすく、技術的に永続的に正しい（ただし歴史的には誤り）語源として、ギリシャ語のkathodos（下の道）、つまり「電子がセル（または他の装置）に（下へ）進む道」を意味する陰極（cathodos）が提唱されている。

化学において、カソードは還元が起こる電気化学セルの電極です。カソードは、セルが電解セル（セルに供給される電気エネルギーが化合物の分解に使用されている）の場合のように負に、またはセルがガルバニックセル（化学反応が電気エネルギーの生成に使用されている）の場合のように正に帯電します。カソードは、電解質から流入する正に帯電したカチオンに電子を供給します（セルがガルバニックセル、つまりカソードが正で、正に帯電したカチオンをはじくと予想される場合でも、これはガルバニックセル内のアノードとカソードの金属/電解質システムでは電解質溶液に対する電極電位が異なるためです）。

電気化学における陰極電流とは、陰極界面から溶液中の物質への電子の流れです。陽極電流とは、溶液中の物質から陽極への電子の流れです。

電解セルでは、陰極はセルを駆動するために負極性を適用する場所です。陰極での還元の一般的な結果は、水素ガスまたは金属イオンからの純金属です。2 つの酸化還元剤の相対的な還元力について議論する場合、より還元性の高い種を生成するカップルは、より還元されやすい試薬に対してより「陰極的」であると言われます。

ガルバニ電池では、カソードは回路を完結させるために正極が接続される場所です。ガルバニ電池のアノードが電子を放出すると、電子は回路からカソードを通って電池に戻ります 。

イオン溶液から金属イオンが還元されると、陰極上に純金属表面が形成されます。純金属でメッキされるアイテムは、電解溶液内で陰極に付着し、陰極の一部になります。

真空管や電子真空システムでは、陰極は真空空間に自由電子を放出する金属表面である。電子は金属原子の正の原子核に引きつけられるため、通常は金属内部に留まり、そこから出るにはエネルギーを必要とする。これを金属の仕事関数^{という。 [4]} 陰極はいくつかのメカニズムによって電子を放出するように誘導される。^[4]

• 熱電子放出: カソードは加熱できます。金属原子の熱運動が増加すると、表面から電子が「叩き出され」ます。この効果は熱電子放出と呼ばれます。この技術は、ほとんどの真空管で使用されています。
• 電界電子放出：高い正電圧をかけた電極を陰極の近くに置くことで、表面に強い電界をかけることができます。正に帯電した電極は電子を引き寄せ、一部の電子が陰極の表面から放出されます。 ^[4]このプロセスは、一部の電子顕微鏡の冷陰極、 ^{[5] [6] [7]}やマイクロエレクトロニクスの製造で 使用されています^{。 [6]}
• 二次放出: 十分なエネルギーを持つ電子、原子、分子が陰極の表面に衝突すると、表面から電子が叩き出されます。これらの電子は二次電子と呼ばれます。このメカニズムは、ネオンランプなどのガス放電ランプで使用されています。
• 光電放出：閾値周波数よりも高い周波数の光が特定の金属の電極に当たると、電子が放出されることもあります。この効果は光電放出と呼ばれ、生成された電子は光電子と呼ばれます。 ^{[4]この効果は}光電管やイメージ増強管 で使用されています

カソードは次の 2 つのタイプに分けられます。

熱陰極は、フィラメントによって加熱され、熱電子放出によって電子を生成する陰極である。^{[4] [8]} フィラメントは、電流が流れることで赤熱するタングステンなどの耐火金属の細いワイヤである。1960年代にトランジスタが登場する前は、事実上すべての電子機器で熱陰極真空管が使用されていた。今日、熱陰極は、ラジオ送信機や電子レンジの真空管、古いブラウン管（CRT）タイプのテレビやコンピューターモニターの電子ビームを生成するため、X線発生器、電子顕微鏡、蛍光灯に使用されている。

熱陰極には2つの種類がある: ^[4]

• 直熱陰極: このタイプでは、フィラメント自体が陰極となり、電子を直接放出します。直熱陰極は最初の真空管で使用されていましたが、現在では蛍光管、一部の大型送信真空管、およびすべての X 線管でのみ使用されています。
• 間接加熱型カソード: このタイプでは、フィラメントがカソードではなく、カソードを加熱して電子を放出します。間接加熱型カソードは、今日のほとんどのデバイスで使用されています。たとえば、ほとんどの真空管では、カソードは内部にフィラメントがあるニッケル管であり、フィラメントの熱によって管の外表面から電子が放出されます。^[8]間接加熱型カソードのフィラメントは通常、ヒーターと呼ばれます。間接加熱型カソードを使用する主な理由は、フィラメント全体の電位から真空管の残りの部分を分離することです。多くの真空管は、交流電流を使用してフィラメントを加熱します。フィラメント自体がカソードである真空管では、フィラメント表面からの交流電界が電子の動きに影響を与え、管の出力にハム音を導入します。また、これにより、電子デバイス内のすべてのチューブのフィラメントを一緒に接続し、それらが加熱するカソードの電位が異なっていても、同じ電流源から電力を供給することができます。

電子放出を改善するために、陰極は化学薬品で処理される。化学薬品は通常、仕事関数の低い金属の化合物である。処理された陰極は、同じ陰極電流を供給するのに、より小さな表面積、より低い温度、より少ない電力を必要とする。初期の管で使用されていた未処理のタングステンフィラメント（「ブライトエミッター」と呼ばれる）は、十分な熱電子放出を発生させるために、1,400 °C（2,550 °F）の白熱に加熱する必要があったが、現代のコーティングされた陰極は、所定の温度ではるかに多くの電子を生成するため、425〜600 °C（797〜1,112 °F）に加熱するだけでよい^{[4] [9] [10]。} 処理された陰極には主に2つのタイプがある。^{[4] [8]}

• コーティングされたカソード - カソードはアルカリ金属酸化物（多くの場合、バリウムとストロンチウムの酸化物）のコーティングで覆われています。これらは低出力の管で使用されます。
• トリウムタングステン – 高出力管では、イオン衝撃によりコーティングされた陰極のコーティングが破壊されることがあります。これらの管では、少量のトリウムを組み込んだタングステン製のフィラメントで構成された直接加熱陰極が使用されています。陰極の仕事関数を低下させる表面のトリウム層は、金属内部からのトリウムの拡散によって失われるため、継続的に補充されます。^[11]

これはフィラメントによって加熱されない陰極である。これらは電界電子放出によって電子を放出し、ガス入り管では二次電子放出によって電子を放出する。例としては、ネオンライト、ノートパソコンのバックライトとして使用される冷陰極蛍光灯(CCFL)、サイラトロン管、クルックス管の電極などがある。これらは必ずしも室温で動作するわけではなく、一部のデバイスでは、陰極は電子電流によって熱電子放出が発生する温度まで加熱される。たとえば、一部の蛍光管では、管に電流を流すために瞬間的に高電圧が電極に印加され、電流が流れ始めると、電極は電流によって十分に加熱され、放電を維持するのに電子を放出し続ける。^[要出典]

冷陰極は光電放出によって電子を放出することもあります。これらはしばしば光電陰極と呼ばれ、科学機器に使用される光電管や暗視ゴーグルに使用される画像増強管に使用されます。 ^[要出典]

半導体 ダイオードでは、カソードはドーピングにより自由電子の密度が高く、熱イオン化されたドーパントである固定正電荷の密度が等しいp-n 接合のN ドープ層です。アノードでは逆のことが当てはまります。つまり、自由「正孔」の密度が高く、その結果、電子を捕獲した固定負ドーパント (したがって、正孔の起源) が存在します。^{[引用が必要]}

P 型および N 型ドープ層が互いに隣接して生成される場合、拡散によって電子が高密度領域から低密度領域へ、つまり N 側から P 側へ流れることが保証されます。電子は接合部付近に固定された正電荷ドーパントを残します。同様に、正孔は P 型から N 型へ拡散し、接合部付近に固定された負イオン化ドーパントを残します。これらの固定された正電荷および負電荷の層は、自由電子および正孔が枯渇しているため、総称して空乏層と呼ばれます。接合部の空乏層は、ダイオードの整流特性の源です。これは、結果として生じる内部電界および対応する電位障壁によるもので、逆バイアス印加時の電流の流れを抑制し、内部空乏層電界を増加させます。逆に、順バイアス印加時は電流を許容し、印加バイアスによって内蔵電位障壁が減少します。

カソードから P ドープ層、またはアノードに拡散する電子は、いわゆる「少数キャリア」となり、そこで多数キャリアである正孔と再結合する傾向があり、その時間スケールは p 型少数キャリアの寿命という材料の特性に従います。同様に、N ドープ層に拡散する正孔も少数キャリアとなり、電子と再結合する傾向があります。平衡状態では、バイアスがかかっていない場合、空乏層を横切る電子と正孔の反対方向への熱支援拡散により、電子がカソードからアノードに流れて再結合し、正孔が接合または空乏層を横切ってアノードからカソードに流れて再結合し、正味電流がゼロになります。^{[引用が必要]}

一般的なダイオードと同様に、ツェナー ダイオードには固定されたアノードとカソードがありますが、ブレークダウン電圧または「ツェナー電圧」を超えると、電流が逆方向に流れます (電子はアノードからカソードに流れます)。^{[引用が必要]}

• ブラウン管サイト
• 陽極と陰極の定義方法