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Kathode


Bauteil das Elektronen abgibt


Basiswissen


Eine Kathode ist eine Elektrode, an der Elektronen einem System zugeführt werden. Ein System kann ein Vakuum, eine Gasphase, ein Plasma oder ein Elektrolyt sein. Entsprechend der Definition können an dieser Elektrode Reduktionsreaktionen ablaufen, z. B. positive Ionen (Kationen) entladen werden.

Unterschied zur Anode


Die Kathode ist die Gegenelektrode zur Anode. Zwischen diesen Elektroden wandern Ionen oder freie Elektronen. Die Kationen wandern zur Kathode und die Anionen zur Anode.

Die Funktion ist entscheidend


Ob ein bestimmtes Teil eine Kathode ist, kann sich im Laufe des Geschehens ändern. Das Wort Kathode bezeichnet eher eine Funktion als ein Bauteil. Bei wiederaufladbaren Batterien (Akkumulatoren) arbeitet dieselbe Elektrode entweder als Anode oder Kathode, je nachdem, ob der Akkumulator geladen oder entladen wird.

Die Rolle des verwendete Materials.


Ziel einer Kathode ist es, dass Elektronen aus dem Material austreten und außerhalb des Materials verfügbar werden. Normalerweise sind Elektronen fest in ein Material (oft Metalle) eingebunden. Um sie aus dem Material zu lösen, muss dem Material eine Austrittsenergie zugeführt werden. Wie hoch diese Energie pro Elektron ist, ist materialabhängig. Für das Material Tungsten liegt
die nötige Austrittsenergie pro Elektron bei etwa 4,57 Elektronenvolt. Eine passende Legierung aus zum Beispiel Nickel, Barium und Strontium benötigt hingegen nur etwa 1 eV pro Elektron. Tungsten muss dazu auf etwa 2200° C aufgeheizt werden, die Legeriung auf nur 900° C.

Freisetzung über Hitze


Durch Hitze wird den Elektronen im Material kinetische Energie zugeführt. Ist diese ausreichend groß, können Elektronen das Material verlassen. Bei Tungsten sind dazu gut 2200° C nötig. Eine Kathode, die auf diesen Effekt setzt heißt Glühkathode ↗

Freisetzung über Photoeffekt


Viele Materialien setzten auch Elektronen frei, wenn sie mit Licht - und sonsteiner elektromagnetischen Strahlung - bestrahlt werden. Ultraviolettes Licht setzt Elektronen von Oberflächen mit geringer ist mäßiger nötiger Austrittsarbeit frei. Sichtbares Licht höchstens bis zu benötigten 3 eV pro Elektron. Infrarotstrahlung (sehr energiearm) funktioniert zum Beispiel mit Caesum oder Silberoxid. Siehe auch photoelektrischer Effekt ↗

Freisetzung über Feldemission


Bei der Feldemission werden durch ein ausreichend starkes elektrisches Feld (mehr als 109 V/m) Elektronen mit einer sehr geringen Energiebreite aus einer (negativ geladenen) Kathode gelöst. Klassisch betrachtet ist es für ein Teilchen mit einer bestimmten mittleren thermischen Energie, die kleiner ist als die Höhe der Austrittsarbeit, unmöglich, das Kathodenmaterial zu verlassen. Quantenmechanisch betrachtet gibt es jedoch eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Elektronen aus dem Festkörper austreten. Diese werden dann durch das hohe äußere Feld abgesaugt.

Die Kathode und Arten von Ionen



Fußnoten