Kathoden

Eine Kathode [kaˈtoːdə] (von agr. κάθοδος kathodos, „Weg nach unten“) ist eine Elektrode an der Reduktionsreaktionen ablaufen und die – beispielsweise in ein Vakuum oder Elektrolyt – Elektronen abgibt. Die Kathode kann negative Polarität (−) haben, wie bei einem elektrischen Verbraucher, oder positive Polarität (+), wie bei einem elektrischen Erzeuger beispielsweise einer Spannungsquelle. ^[1]. Die Kathode ist die Gegenelektrode zur Anode. Kationen (+) wandern zur Kathode und Anionen (−) zur Anode.

Chemie

In der Chemie ist eine Kathode die Elektrode, an der eine Reduktionsreaktion stattfindet. Es werden dabei Elektronen über den elektrischen Anschluss aufgenommen und an die chemische Reaktion abgegeben.

Eine elektrochemische Reaktion findet immer an der Phasengrenze zwischen einer Elektrode und einer Elektrolytlösung, einem ionenleitenden Feststoff oder einer Schmelze statt. Bei einer Reduktion werden Elektronen von der Kathode an die andere Phase abgegeben, daher der Name vom griechischen "kathodos" für hinunter.

Bei einer Elektrolyse ist die Kathode die negative Elektrode, bei Batterien und Brennstoffzellen die positive Elektrode. Bei wiederaufladbaren Batterien (Sekundärelement, Akkumulator) kann dieselbe Elektrode abwechselnd als Anode oder Kathode arbeiten, je nachdem, ob die Batterie geladen oder entladen wird.

Beispiele für Kathodenreaktionen:

Korrosion

• Sauerstoff: O₂ + 4 e^- + 2 H₂O → 4 OH^-
• Wasserstoff: H₃O⁺ + e^- → H_aq + H₂O

Elektrotechnik

In der Elektrotechnik ist die Kathode eine Elektrode einer Elektronenstrahlröhre, Leuchtstofflampe, Diode, Brennstoffzelle, Bleiakkumulator und so weiter.

Dabei ist die Kathode die Elektrode an der Elektronen in das umgebenden Medium (Elektrolyt, Vakuum, Silizium) übergehen. Elektronen bewegen sich im betrachteten Bauelement von der Kathode zur Anode um dann durch den außen liegenden elektrischen Stromkreis von der Anode zur Kathode zu fließen. Da sich die Bezugsrichtung für den Stromfluss auf positive Ladungsträger bezieht, und damit der Bewegungsrichtung von Elektronen entgegengerichtet ist, fließt also der Strom im äußeren Stromkreis von der Kathode zur Anode. Innerhalb des betrachteten Bauteil fließt der Strom von der Anode zur Kathode; der Stromkreis ist geschlossen.

Diese Aussage hat nichts damit zu tun, ob das Potential der Anode höher oder niedriger als das Potential der Kathode ist; oder in anderen Worten, ob die Spannung von Anode zu Kathode positiv oder negativ ist. Dafür gibt es die Begriffe Pluspol und Minuspol; dabei ist das Potential des Pluspols immer größer als das Potential des Minuspols. Daher ist die Spannung vom Pluspol zum Minuspol immer größer als null. Damit geben Pluspol und Minuspol die Spannungsrichtung an, während Anode und Kathode mit der Stromrichtung einhergehen.

Bei Bauteilen, bei denen die Anode positive Spannung gegenüber der Kathode aufweist, wird elektrische Energie in eine andere Energieform (Wärme, chemische Energie,...) gewandelt, z. B. bei einer Diode, einer Kathodenstrahlröhre oder einem Akkumulator, der geladen wird.

Bei Bauteilen, bei denen die Anode negative Spannung gegenüber der Kathode aufweist, wird elektrische Energie auf Kosten einer anderen Energieform (z. B. chemischer Energie) an den äußeren elektrischen Stromkreis abgegeben, z. B. bei einer Brennstoffzelle oder einem Akkumulator, der entladen wird.

• Wenn eine angelegte Spannung die materialspezifische Austrittsarbeit der negativen Elektrode überschreitet, treten aus dem Material Elektronen aus (Feldemission); das Material wird an dieser Stelle zur Kathode.
• Die materialbestimmte Austrittsarbeit nimmt ab, wenn man zusätzliche Energie zuführt - beispielsweise mit steigender Temperatur. Eine wichtige Anwendung dieses Effektes ist die Glühkathode (Glühemission) bei einer Verstärkerröhre.
• Wenn man zusätzliche Energie durch Bestrahlung mit Licht zuführt, spricht man von einer Photokathode (vergl. Photoeffekt).

Beleuchtungstechnik

Bei Flachbildschirmen werden sogenannte Kaltkathodenlampen zur Display-Hinterleuchtung eingesetzt. Es handelt sich dabei um Leuchtstofflampen, die häufig deutlich dünner als die üblichen Röhren ausgeführt werden. Normale Leuchtstofflampen verfügen über eine beheizte Glühwendel, deren Temperatur den Austritt der Elektronen aus dem Draht begünstigt (Glühemission). Bei Kaltkathodenröhren (CFL-Röhren) wird hingegen die Spannung zwischen den beiden Enden der Röhre erhöht, um einen vergleichbaren Effekt zu erzielen. Hierzu ist jedoch in jedem Fall ein elektronisches Vorschaltgerät erforderlich, das die Hochspannung bereitstellt.

Der Vorteil von CFL-Röhren liegt einerseits in einer geringeren Wärmeabgabe, andererseits in der längeren Lebensdauer, da sich die Kathode nicht mehr 'abnutzt' und schließlich in der kleinen Bauform.

Die dünnen Leuchtstofflampen lassen sich vielfältig einsetzen und werden sowohl von Möbeldesignern gern eingesetzt, als auch beim PC-Modding, wo häufig der Innenbereich von Geräten beleuchtet wird. Wie bei normalen Leuchtstofflampen ist die Herstellung der Röhren in vielen verschiedenen Farben möglich.

Weitere Anwendungen

Sehr aufwendige Kathoden findet man bei Anlagen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, zum Beispiel in Form von im Meer verlegten riesigen Kupferringen; ebenso in Galvanisierbetrieben oder auch in Akkumulatoren (z. B. Autobatterien).

Literatur

• International Electrotechnic vocabulary: IEV herausgegeben von der Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC).

Einzelnachweise

1. ↑ Anmerkungen zu den Begriffen Anode und Kathode. (http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/07_02.htm). 

Weblinks

• Das IEV im Internet