Полярность светодиода: как определить катод и анод самостоятельно

Про анод и катод источника питания необходимо знать тем, кто занимается практической электроникой. Что и как называют? Почему именно так? Будет углублённое рассмотрение темы с точки зрения не только радиолюбительства, но и химии. Наиболее популярное объяснение звучит следующим образом: анод – это положительный электрод, а катод – отрицательный. Увы, это не всегда верно и неполно. Чтобы уметь определить анод и катод, необходимо иметь теоретическую базу и знать, что да как. Давайте рассмотрим это в рамках статьи.

Анод

imageОбратимся к ГОСТ 15596-82, который занимается химическими источниками тока. Нас интересует информация, размещённая на третьей странице. Согласно ГОСТу, отрицательным электродом химического источника тока является именно анод. Вот так да! А почему именно так? Дело в том, что именно через него электрический ток входит из внешней цепи в сам источник. Как видите, не всё так легко, как кажется на первый взгляд. Можно посоветовать внимательно рассматривать представленные в статье картинки, если содержимое кажется слишком сложным – они помогут понять, что же автор хочет вам донести.

Катод

Обращаемся всё к тому же ГОСТ 15596-82. Положительным электродом химического источника тока является тот, при разряде из которого он выходит во внешнюю цепь. Как видите, данные, содержащиеся в ГОСТ 15596-82, рассматривают ситуацию с другой позиции. Поэтому при консультировании с другими людьми насчет определённых конструкций необходимо быть очень осторожным.

Возникновение терминов

imageИх ввёл ещё Фарадей в январе 1834 года, чтобы избежать неясности и добиться большей точности. Он предлагал и свой вариант запоминания на примере с Солнцем. Так, у него анод – это восход. Солнце движется вверх (ток входит). Катод – это заход. Солнце движется вниз (ток выходит).

Пример радиолампы и диода

Продолжаем разбираться, что для обозначения чего используется. Допустим, один из данных потребителей энергии у нас имеется в открытом состоянии (в прямом включении). Так, из внешней цепи диода в элемент по аноду входит электрический ток. Но не путайтесь благодаря такому объяснению с направлением электронов. Через катод во внешнюю цепь из используемого элемента выходит электрический ток. Та ситуация, что сложилась сейчас, напоминает случаи, когда люди смотрят на перевёрнутую картину. Если данные обозначения сложные – помните, что разбираться в них таким образом обязательно исключительно химикам. А сейчас давайте сделаем обратное включение. Можно заметить, что полупроводниковые диоды практически не будут проводить ток. Единственное возможное здесь исключение – обратный пробой элементов. А электровакуумные диоды (кенотроны, радиолампы) вообще не будут проводить обратный ток. Поэтому и считается (условно), что он через них не идёт. Поэтому формально выводы анод и катод у диода не выполняют свои функции.

Почему существует путаница?

Специально, чтобы облегчить обучение и практическое применение, было решено, что диодные элементы названия выводов не будут менять зависимо от своей схемы включения, и они будут «прикреплены» к физическим выводам. Но это не относится к аккумуляторам. Так, у полупроводниковых диодов всё зависит от типа проводимости кристалла. В электронных лампах этот вопрос привязан к электроду, который эмитирует электроны в месте расположения нити накала. Конечно, тут есть определённые нюансы: так, через такие полупроводниковые приборы, как супрессор и стабилитрон, может немного протекать обратный ток, но здесь существует специфика, явно выходящая за рамки статьи.

Разбираемся с электрическим аккумулятором

Это по-настоящему классический пример химического источника электрического тока, что является возобновляемым. Аккумулятор пребывает в одном из двух режимов: заряд/разряд. В обоих этих случаях будет разное направление электрического тока. Но обратите внимание, что полярность электродов при этом меняться не будет. И они могут выступать в разных ролях:

  1. Во время зарядки положительный электрод принимает электрический ток и является анодом, а отрицательный его отпускает и именуется катодом.
  2. При отсутствии движения о них разговор вести нет смысла.
  3. Во время разряда положительный электрод отпускает электрический ток и является катодом, а отрицательный принимает и именуется анодом.

Об электрохимии замолвим слово

Здесь используют немного другие определения. Так, анод рассматривается как электрод, где протекают окислительные процессы. И вспоминая школьный курс химии, можете ответить, что происходит в другой части? Электрод, на котором протекают восстановительные процессы, называется катодом. Но здесь нет привязки к электронным приборам. Давайте рассмотрим ценность окислительно-восстановительных реакций для нас:

  1. Окисление. Происходит процесс отдачи частицей электрона. Нейтральная превращается в положительный ион, а отрицательная нейтрализуется.
  2. Восстановление. Происходит процесс получения частицей электрона. Положительная превращается в нейтральный ион, а потом в отрицательный при повторении.
  3. Оба процесса являются взаимосвязанными (так, количество электронов, что отданы, равняется присоединённому их числу).

Также Фарадеем для обозначения были введены названия для элементов, что принимают участие в химических реакциях:

  1. Катионы. Так называются положительно заряженные ионы, что двигаются в растворе электролита в сторону отрицательного полюса (катода).
  2. Анионы. Так называются отрицательно заряженные ионы, что двигаются в растворе электролита в сторону положительного полюса (анода).

Как происходят химические реакции?

Окислительная и восстановительная полуреакции являются разделёнными в пространстве. Переход электронов между катодом и анодом осуществляется не непосредственно, а благодаря проводнику внешней цепи, на котором создаётся электрический ток. Здесь можно наблюдать взаимное превращение электрической и химической форм энергии. Поэтому для образования внешней цепи системы из проводников разного рода (коими являются электроды в электролите) и необходимо пользоваться металлом. Видите ли, напряжение между анодом и катодом существует, как и один нюанс. И если бы не было элемента, что мешает им напрямую произвести необходимый процесс, то ценность источников химического тока была бы весьма низка. А так, благодаря тому, что заряду необходимо пройтись по той схеме, была собрана и работает техника.

Что есть что: шаг 1

Теперь давайте будем определять, что есть что. Возьмём гальванический элемент Якоби-Даниэля. С одной стороны он состоит из цинкового электрода, который опущен в раствор сульфата цинка. Затем идёт пористая перегородка. И с другой стороны имеется медный электрод, который расположен в растворе сульфата меди. Они соприкасаются между собой, но химические особенности и перегородка не дают смешаться.

Шаг 2: Процесс

Происходит окисление цинка, и электроны по внешней цепи двигаются к меди. Так получается, что гальванический элемент имеет анод, заряженный отрицательно, и катод – положительный. Причем данный процесс может протекать только в тех случаях, когда электронам есть куда «идти». Дело в том, что попасть напрямую от электрода к другому мешает наличие «изоляции».

Шаг 3: Электролиз

Давайте рассмотрим процесс электролиза. Установка для его прохождения является сосудом, в котором имеется раствор или расплав электролита. В него опущено два электрода. Они подключены к источнику постоянного тока. Анод в этом случае – это электрод, который подключен к положительному полюсу. Здесь происходит окисление. Отрицательно заряженный электрод – это катод. Здесь протекает реакция восстановления.

Шаг 4: Напоследок

Поэтому при оперировании данными понятиями всегда необходимо учитывать, что анод не в 100% случаев используется для обозначения отрицательного электрода. Также катод периодически может лишаться своего положительного заряда. Всё зависит от того, какой процесс на электроде протекает: восстановительный или окислительный.

Заключение

Вот таким всё и является – не очень сложно, но не скажешь, что и просто. Мы рассмотрели гальванический элемент, анод и катод с точки зрения схемы, и сейчас проблем с соединением источников питания с наработками у вас быть не должно. И напоследок нужно оставить ещё немного ценной для вас информации. Всегда приходится учитывать разницу, которую имеет потенциал катода/потенциал анода. Дело в том, что первый всегда будет немного большим. Это из-за того, что коэффициент полезного действия не работает с показателем в 100 % и часть зарядов рассеивается. Именно из-за этого можно увидеть, что аккумуляторы имеют ограничение на количество раз заряда и разряда.

Для корректной работы полупроводниковых приборов, работающих в цепях с постоянным током, электроды радиоэлементов необходимо подключать с учетом их полярности. Неправильное подключение может привести к выходу из строя радиоэлемента либо к отказу в работе электронного прибора. С целью избегания ошибок электроды таких деталей получили специальное название – анод и катод.

Часто эти электроды обозначаются на схемах соответствующими символами «+» или «–», либо определяются по схематическому изображению радиоэлемента. На корпусах деталей иногда проставляется точка или другая метка, позволяющая определить направление тока на конкретном электроде. Иногда полярность выводов приходится определять по специальным таблицам или с помощью измерительного прибора.

Понятие анода и катода

Для лучшего понимания терминов дадим определения этих понятий.

Анод

Под данным термином будем подразумевать электрод, по которому электрический ток втекает в разглядываемый прибор. При этом подразумевается, что электрический ток образуется потоком положительных зарядов. В действительности, по металлическим проводникам перемещаются электроны (носители отрицательных зарядов), которые движутся в сторону положительного полюса источника электрического тока.

Проще говоря, положительным электродом будем считать анод, а отрицательным электродом – катод. При подключении радиоэлементов следует соблюдать их полярность, руководствуясь обозначениями на схемах.

Читайте также:  Особенности выключателей с регулятором яркости света

Катод

Это электрод, по которому электрический ток вытекает с прибора (подразумевается конвенциальное понимание тока, в виде потока положительных зарядов). Таким образом, если к аноду подключается провод с положительным потенциалом, то к катоду – клеммы с отрицательными потенциалами.

Вышеуказанные термины применяются по отношению к гальваническим элементам. В гальванике анод – это электрод, на поверхности которого проходит реакция окисления металла. Названия электродов встречаются:

  • в химии;
  • физике;
  • электротехнике;
  • радиоэлектронике.

Как определить, где анод, а где катод?

При определении катода и анода необходимо в первую очередь ориентироваться на направление тока, а не на полярность источника питания. Несмотря на то, что эти понятия тесно связаны с полярностью тока, они больше обусловлены направлениями векторов электричества.

Например, в аккумуляторах, при перезарядке, происходит изменение ролей катода и анода. Это связано с тем, что во время зарядки изменяется направление электрического тока. Электрод, выполнявший роль электрода при работе аккумулятора в режиме источника питания во время зарядки выполняет функции катода и наоборот – катод превращается в анод.

На рис. 1, изображено процесс электролиза, при котором происходит перемещение анионов (отрицательных ионов) и катионов (положительных ионов). Анионы устремляются к аноду, а положительные катионы – в сторону катода.

Рис. 1. Электролиз

При электролизе перемещаются носители зарядов разных знаков, однако, по определению, анодом является тот электрод, в который втекает ток. На рисунке анод подсоединён к положительному полюсу источника тока, а значит, ток условно втекает в этот электрод.

Обратите внимание на рисунок 2, где изображена схема гальванического элемента.

Рис. 2. Гальванический элемент

Плюсовой вывод источника тока является катодом, а не анодом, как можно было бы ожидать. При внимательном изучении принципа работы гальванического элемента можно понять, почему анод является отрицательным полюсом.

Обратите внимание на рисунок строения гальванического источника тока. Стрелки (вверху) указывают направление движения электронов, однако направлением тока условно принято считать перемещение от плюса к минусу. То есть, при замыкании цепи, ток входит именно в отрицательный полюс, который и является анодом, на котором происходит реакция окисления. Иначе говоря, ток от положительного электрода через нагрузку попадает на анод, являющийся отрицательным полюсом гальванического элемента. При вдумчивом подходе все стает на свои места.

При определении позиций анода и катода в радиоэлектронных элементах пользуются справочными материалами.

На назначение электродов указывает:

  • форма корпуса (рис. 3);
  • длина выводов (для светодиодов) (рис. 4);
  • метки на корпусах приборов или знака анода;
  • различная толщина выводов диода.

Рис. 3. Диод

Читайте также:  ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7

Рис. 4. Электроды светодиода Определение назначений выводов у полупроводниковых диодов можно определить с помощью измерительных приборов. Например, все типы диодов (кроме стабилитронов) проводят ток только в одном направлении. Если вы подключили тестер или омметр к диоду, и он показал незначительное сопротивление, то к положительному щупу прибора подключен анод, а к отрицательному – катод.

Если известен тип проводимости транзистора, то с помощью того же тестера можно определить выводы эмиттера и коллектора. Между ними сопротивление бесконечно велико (тока нет), а между базой и каждым из них проводимость будет (только в одну сторону, как у диода). Зная тип проводимости, по аналогии с диодом, можно определить: где анод, а где катод, а значит определить выводы коллектора или эмиттера (см. рис. 5).

Рис. 5. Транзистор на схемах и его электроды

Что такое диод

Диодами называют электронные элементы, сопротивление которых меняется в зависимости от направления тока. Если ток подается в одну сторону (плюс на плюс), он проходит легко (диод открыт) благодаря низкому сопротивлению. При изменении направления электротока (минус на плюс) диод закрывается, сопротивление многократно увеличивается, теряется мощность, элемент нагревается. Существуют полупроводниковые элементы, которые блокируют ток до критического значения, потом открываются. Их называют симисторами.

Анод и катод: где плюс, а где минус?

Из сказанного выше следует, что ток всегда течет в направлении от анода к катоду. Вывод один – на анод поступает плюс, а катод подсоединяется к минусу. Придерживаясь этого правила можно безошибочно определить, где плюс, а где минус.

Вот так можно запомнить:)

В гальванотехнике на катоде происходит реакция восстановления. То есть положительные ионы из раствора оседают на катоде. По этому признаку определяем знак минус.

Как определить катод и анод радиодеталей мы рассмотрели выше. Если есть схема устройства то по ней довольно легко можно указать направление тока, и, соответственно, назначение электродов. При отсутствии схемы пользуйтесь признаками и метками на корпусах деталей.

Примечание: по отношению к стабилитрону некорректно применять термин катод и анод, так как он проводит ток в разных направлениях.

Отдельно заострю ваше внимание на элементах питания. Обычно «+» указывается на гальванических устройствах, а на аккумуляторах часто маркируются обе клеммы. В аккумуляторах автомобильного типа плюсовую клемму делают толще. По этому признаку также можно определить полярность полюсов.

В качестве выводов см. рисунок 6.

Рис. 6. Выводы

Цифрами обозначено:

  • 1– анод;
  • 2 – электролит;
  • 3 – катод;
  • 4 – источник тока.

Почему существует путаница?

Специально, чтобы облегчить обучение и практическое применение, было решено, что диодные элементы названия выводов не будут менять зависимо от своей схемы включения, и они будут «прикреплены» к физическим выводам. Но это не относится к аккумуляторам. Так, у полупроводниковых диодов всё зависит от типа проводимости кристалла. В электронных лампах этот вопрос привязан к электроду, который эмитирует электроны в месте расположения нити накала. Конечно, тут есть определённые нюансы: так, через такие полупроводниковые приборы, как супрессор и стабилитрон, может немного протекать обратный ток, но здесь существует специфика, явно выходящая за рамки статьи.

Читайте также:  Как залудить паяльник: подготовка и уход за паяльником

Применение

Электроды в качестве анода и катода наиболее часто применяются:

  • в электрохимии;
  • вакуумных электронных приборах;
  • полупроводниковых элементах.

Рассмотрим в общих чертах сферы применения анодов и катодов.

В электрохимии

В данной сфере анод и катод являются ключевыми понятиями, в процессе прохождения электрохимических реакций, используемых в основном для восстановления металлов. Такие реакции называют электролизом. Использование процессов электролиза позволяет получать чистые металлы, так как на катоде образуются атомы только того металла, положительные ионы которого содержатся в растворе электролита.

Методом электролиза наносят очень тонкое цинковое покрытие стальных листов и деталей любой конфигурации. Гальваническое покрытие эффективно защищает металл от коррозии.

В вакуумных электронных приборах

Примером вакуумных приборов служат радиоэлектронные лампы, электронно-лучевые трубки, кинескопы телевизоров. Они работают по одному и тому же принципу: Разогретый катод испускает электроны, которые устремляются к аноду с высоким положительным электрическим потенциалом.

Образование электронов на раскаленном электроде называется термоэмиссией, а электрический ток, возникающий между катодом и анодом, называется термоэмиссионным. Ценность таких приборов в том, что они проводят ток только в одном направлении – от катода к аноду.

Добавление сетки между электродами позволяет регулировать параметры тока в широких пределах, путем изменения напряжения на сетке. Такие вакуумные лампы используются в качестве усилителей сигналов. В данное время вакуумные приборы используются довольно редко, так как их с успехом заменяют миниатюрные полупроводниковые диоды и транзисторы, часто выполненные на монокристалле в виде микросхемы.

В полупроводниковых приборах

Электронные детали на основе полупроводников ценятся малым потреблением тока и небольшими размерами. Они почти вытеснили вакуумные лампы из употребления. Выводы полупроводниковых приборов традиционно называют анодами и катодами.

При всех плюсах полупроводников, у этих приборов есть недостаток – они «шумят». В усилителях большой мощности эти шумы становятся заметными. В качественной усилительной аппаратуре по-прежнему применяются вакуумные лампы.

Электронно-лучевые кинескопы в современных телевизорах вытесняются экранами с LED подсветкой. Они более экономичны, отлично передают цветовую палитру, позволяют сделать приемник почти плоским.

Назначение диода

Полупроводниковые диодные элементы присутствуют практически во всех бытовых электроприборах. Светодиоды используются в производстве осветительных приборов и LED-телевизоров.

Полупроводниковые диоды классифицируются по:

  • материалу кристалла (кремний, селен, фосфид индия, германий);
  • размерам (микросплавные, точечные, плоские);
  • технологии производства p-n перехода (диффузионные, сплавные, эпитаксиальные);
  • частоте (низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, импульсивные);
  • сфере использования (выпрямительные и специальные).

Диоды-выпрямители предназначены для преобразования переменного напряжения в постоянное. В схему устанавливаются в виде диодного моста, который можно использовать в радиоаппаратуре, блоке питания, зарядном устройстве.

Внимание! Продаются готовые диодные мосты (диодные сборки) в виде небольших коробочек с четырьмя ножками.

Выпрямители делятся на:

  • слаботочные (до 0,3 ампер);
  • средней мощности (0,3-10 ампер);
  • силовые (10-100 000 А, до 6 кВ).

Полупроводниковые специальные диодные элементы:

  • варикапы (емкостные диоды);
  • тиристоры (с дополнительным выводом для переключения в открытое состояние);
  • симисторы (ток пропускают в 2-х направлениях);
  • стабилитроны (стабилизируют напряжение от 2 вольт в состоянии пробоя, отдельный вид стабиисторы (нормисторы) для напряжения 0,7-2 вольт);
  • диоды Шоттки (для низковольтных схем в паре со стабилитроном);
  • туннельные диодные элементы (с низким отрицательным сопротивлением);
  • динисторы (не содержат управляющих электродов, монтируются в переключатели);
  • магнитодиоды (вольт-амперные характеристики меняются в магнитном поле, монтируются в датчики движения, контрольные приборы);
  • фотодиоды (преобразуют энергию света в электрическую);
  • светодиоды (превращают электрическую энергию в свет).

Справка! Светодиоды, излучающие инфракрасный свет, называются инфракрасными. Их устанавливают в камеры видеонаблюдения, беспроводные системы связи, оборудование для дистанционного управления.

Профессионалы определяют минус и плюс у диода уже на автомате, пользуясь своими удобными методами. Чаще всего это прозвон тестером, тестирование транзисторными гнездами или подачей питания через резистор, ограничивающий силу тока. Иногда практикуется визуальное определение, если речь идет о конкретных знакомых марках и новых изделиях. Поэтому профи в советах об определении анода и катода у LED не нуждаются. А вот любителям и новичкам данная статья пригодится. Расскажем о популярных способах определить самостоятельно, где у диода анод и катод, правильности этих манипуляций и подводных камнях самостоятельного тестирования.

Общие сведения о полярности светодиода, и почему это важно

Зачем вообще заниматься определением «+» и «-» у светодиодов, почему их нормально не промаркируют или не выработают единую систему маркировки? Сейчас LED настолько массово производятся по всему миру, и они так дешевы, что производителям ни к чему усложнять себе жизнь какой-то особой маркировкой или соблюдением правил. Сделали — и ладно! Поэтому доверять ли пиктограммам, визуальной разнице в деталях диодов — решает каждый на свой страх и риск.

Радиолюбителям и любителям «собрать ракету на коленке» приходится приспосабливаться под такие жесткие условия. Приобретая новый диод, получая выпаянный б/у, никогда со 100% гарантией не поймешь, где у него анод и катод, пока не проверишь прибором. Если подключить без тестирования, то можно пробить LED, а цепь не заработает, потому что у диода ток идет только в одну сторону (исключение — так называемые моргающие светодиоды, двухцветники и ИК). Правильная распайка выводов даст нормальную рабочую схему.

Современные светодиоды, которые наиболее часто используются в работе

Светодиоды различают по мощности, цветности, типу корпуса и т.п. Наиболее часто используются в схемах диоды в корпусе DIP и SMD с малой мощностью и диаметрами от 3.5 и 5.0 до 10.0 мм. Хотя последнее время «доноры» для LED (фонарики, ленты, светильники, элементы подсветки) увеличили мощность лампочек от 0,5 Вт до 1 Вт и выше.

В корпусе DIP светодиод представляет собой маленькую лампочку с ножками, по которым определяют полярность. Но цоколевка у разных производителей не всегда совпадает с действительностью.

В корпусе SMD определить анод и катод еще сложнее, приходится при визуальном тестировании полагаться на адекватность производителя, который помечает катод срезом/скосом на корпусе или пиктограммами. А такому способу обозначения полярности тоже нельзя довериться на 100%. Уж больно много выявляется неожиданных сюрпризов.

Как определить полярность диода

Для самостоятельного определения полярности у диода применяют несколько способов с разной степенью надежности. Методы с применением приборов:

  • проверка тестером;
  • подача тока с ограничением через резистор;
  • встречается иногда и описание подключения осциллографа для этих целей.

Они отлично работают на элементах малой и средней мощности обычного характера свечения. Самые рабочие способы по адекватности результата.

Есть еще относительно надежные методы определения:

  • по технической документации;
  • по изображению полярности диода на схеме.

Стоит упомянуть недобросовестность производителей и недоступность документации при покупке в розницу. Этот способ узнать распиновку также не гарантирует точного определения плюса и минуса.

Совсем неудачные, но широко применяемые «народные» методы:

  • определение по длине ножек;
  • по размеру деталей внутри корпуса DIP;
  • по расположению среза/скоса на корпусе SMD;
  • по маркировке от производителя на диодах SMD и т.п.

Эти способы определения грешат неточностью, а иногда и вовсе невозможностью правильно узнать, где анод, а где катод у светодиода.

Как определить полярность тестером (мультиметром)

Чтобы узнать полярность у LED с помощью тестера (официальное название прибора мультиметр) используют несколько видов тестирования. Чем современнее тестер (цифровой), тем больше возможностей точно найти анод и катод на корпусе элемента, узнать его пригодность к работе (не пробит ли) и цвет свечения. Любой годный прибор покажет плюс и минус 3 разными способами:

  • через режим «проверка сопротивления» (аналоговый тестер);
  • через режим «прозвонка, проверка диода» (цифровой прибор);
  • проверка через транзисторные гнезда отсеков PNP и NPN (любой, где они есть).

Начнем с самого простого и надежного. На современных аппаратах есть возможность проверки с помощью отсеков для тестирования PNP и NPN транзисторов. Удобно, что можно обойтись без щупов. Для определения полярности нужно взять лампочку в DIP корпусе и вставить ее в гнезда «C» и «E». Если попасть анодом в E-эмиттер, а катодом в C-коллектор, то не пробитый рабочий светодиод ярко засветится. Если нет свечения, то нужно переткнуть ножки, сменив гнезда. Если смена не помогла, значит диод неисправен. Для элементов в корпусе SMD в гнезда втыкают обычные швейные иголки или тонкие гвоздики, а затем прикладывают к корпусу, как бы добавляя к нему эти самодельные ножки. Простота и надежность результатов этого метода делает его самым востребованным у профессионалов и тех, кто часто вынужден проверять пригодность и полярность у LED.

Другие виды тестирования задействуют разные режимы мультиметра и его щупы. Если включить режим омметра, когда измеряется сопротивление, то приложив щупы к ножкам, получится замер величины. Когда все сделано верно, и красный щуп попадет на анод, а черный на катод, то измерительная стрелка прибора скакнет до значений 1,7-1,8 кОм. Это диагностирует не только, где плюс и минус у диода, но и рабочее состояние. Во избежание вывода элемента из строя в случае неправильного подключения к щупам, дотрагиваться ими нужно быстро, не задерживая надолго. При обратном включении на табло прибора будет бесконечно большая величина сопротивления. А вот неисправный LED отобразит слишком малые значения сопротивления в обе стороны (как правило, 1). С таким работать уже нельзя.

На современных цифровых тестерах есть удобный режим «прозвонка, проверка диода». Прибор переключается в этот режим, а щупы должны попасть на верную полярность: красный на плюс, а черный — на минус. Это должно дать небольшое свечение светодиода и отображение измеренной величины, характерной для его цветности. Заодно можно проверить характеристики элемента (соответствие напряжения и тока по кривой вольтамперной характеристики).

Жаль, но методы с щупами срабатывают достоверно только на зеленых и красных диодах. Синие и белые лампочки можно проверить только через гнезда определения характеристик транзисторов (PNP/NPN). С многоцветными и двухцветниками с щупами придется повозиться в режиме диодной прозвонки. Для них следует искать общий плюс и минус, перебирая щупами выводы и фиксируя свечение.

Как определить полярность путем подачи питания

Для определения полярности LED в любом корпусе существует еще один надежный метод — подача тока с аккумулятора 3-6 В. Осторожные не рискуют брать батарейку больше 3 В. Для 12 В мощных светодиодов и 12 В не сильно страшны, но остальные надо беречь от пробоя. Самый удобный вид подачи питания на ножки диода — это старая круглая большая батарейка из настенных часов или компьютерной платы (маркировка CR2032). Ее просто вставляют между ножками элемента, если анод коснется плюса, а катод минуса, то о правильной работе исправного диода скажет яркое свечение, если нет, то он пробит.

Но! Нужно или сначала убедиться измерением, что батарейка не выдает ток выше 10-30 мА величиной, или использовать резистор от 400 до 600 Ом (иногда выше). Без ограничения тока легко пробить светодиод даже 4 В с аккумулятора, т.к. для напряжения диода в пределах 1,5-3,8 В максимально допустимой величиной тока с источника питания будет 10-30 мА. Многие считают, что кратковременное помещение диода на источник питания не спалит кристалл, но это может значительно снизить его ресурс, что потом чревато быстрым выходом из строя в готовой схеме. Вывод — используем резистор для ограничения тока батарейки, это точно убережет элемент от пробоя и потери работоспособности в дальнейшем.

Как определить полярность по внешнему виду

Есть способ «для ленивых», когда анод и катод определяется по:

  • длине ножек в корпусе DIP;
  • маркировке на корпусе;
  • расположению среза/скоса у катода или специальных графических обозначений — пиктограмм, смещенных к аноду.

С длиной ножек можно здорово не угадать, потому что производители, порой, используют нестандартную цоколевку. Обычно короткий штырек означает катод (К-короткий, К-катод), а длинный — анод. Это в идеале. Но профессионалы все проверяют приборами, не доверяя добросовестности производителей.

На корпусе также могут встретиться маркировки:

  • стандартные «+»/»-«;
  • «-» обозначается зеленой линией, точкой, а «+»  — треугольником и т.п.

Маркировке дешевых или выпаянных ноунеймов лучше не доверять. Ведь производитель свободен в своем «творчестве»: хочешь — просто сделает утолщение одной из ножек цоколевки, хочешь — вообще никак не обозначит разницу между анодом и катодом в светодиоде.

Визуальное определение маркировки на корпусе SDM немногим лучше: срез или скос располагается ближе к катоду, тогда как теплоотвод на корпусе — к аноду. Бывает, что на SMD маленького размера изображены графические обозначения — пиктограммы, значки (треугольник, п-образная и т-образная линия), они указывают направление выхода тока, поэтому вершиной располагаются к катоду, а основанием — к аноду. Лучше всего тестировать элементы в таком типе корпуса приборами. Потому что гарантии соответствия маркировки действительности нет.

Определение полярности по технической документации

Если производитель надежный и на диоды идет сопроводительная техническая документация, то полярность там будет указана. Проблема в том, что документы идут только с большой партией, на розницу никто их давать не будет. Можно попробовать найти информацию о характеристиках в интернете, зная точно производителя и марку светодиода. Но тут опять возникает вопрос доверия производителю. Даже добросовестные поставщики не застрахованы от недобросовестности на производстве, бракованной партии, несоблюдения норм и регламента по маркировке.

Определяем, где плюс зрительно

Самый спорный и ненадежный способ определения распиновки диода — это визуально отличить в колбе LED размер деталей: маленькая назначается анодом, а большая — катодом. Хотя встречается огромное количество диодов, где все с точностью до наоборот. А могут попасться элементы столь странные, нетипичные, что визуальное определение цоколевки точно не поможет. Стоит ли рисковать исправностью светодиода и готовой схемы — решать любителям определять «на глазок».

Основные выводы

Полярность диода профессионалы никогда не определяют визуально, потому что модификации их настолько разные, а производители не удосуживаются соблюдать какие-то единые требования. Поэтому, перефразируя известное выражение, можно сказать «что белому светодиоду хорошо, то красному — смерть».

Самые надежные методы определения плюса и минуса требуют наличия аппаратуры: тестера и резистора для ограничения силы тока при проверке подачей питания. Для радиолюбителей и «самоделкиных» это не проблема, тестер у всех под рукой. А вот любителю проще 100% выявить анод и катод у светодиода через подачу питания, но только не напрямую, а через токоограничивающий резистор. Есть большая опасность спалить кристаллы или настолько значительно снизить срок их службы, что они потом быстро перегорят.

  Химические реакции, сопровождающиеся переносом электронов (окислительно-восстановительные реакции) делятся на два типа: реакции, протекающие самопроизвольно и реакции, протекающие при прохождении тока через раствор или расплав электролита.

  Раствор или расплав электролита помещают в специальную емкость — электролитическую ванну.

  Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц — ионов, электронов и др. под действием внешнего электрического поля. Электрическое поле в растворе или расплаве электролита создают электроды.

  Электроды — это, как правило, стержни из материала, проводящего электрический ток. Их помещают в раствор или расплав электролита, и подключают к электрической цепи с источником питания.

  При этом отрицательно заряженный электрод катод — притягивает положительно заряженные ионы — катионы. Положительно заряженный электрод (анод) притягивает отрицательно заряженные частицы (анионы). Катод выступает в качестве восстановителя, а анод — в качестве окислителя.

image

Различают электролиз с активными и инертными электродами. Активные (растворимые) электроды подвергаются химическим превращениям в процессе электролиза. Обычно их изготавливают из меди, никеля и других металлов. Инертные (нерастворимые) электроды химическим превращениям не подвергаются. Их изготавливают из неактивных металлов, например, платины, или графита.

Электролиз растворов

   Различают электролиз раствора или расплава химического вещества. В растворе присутствует дополнительное химическое вещество — вода, которая может принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Катодные процессы

  В растворе солей катод притягивает катионы металлов. Катионы металлов могут выступать в качестве окислителей. Окислительные способности ионов металлов различаются. Для оценки окислительно-восстановительных способностей металлов применяют электро-химический ряд напряжений:

image

     Каждый металл характеризуется значением электрохимического потен-циала. Чем меньше потенциал, тем больше восстановительные свойства металла и тем меньше окислительные свойства соответствующего иона этого металла. Разным ионам соответствуют разные значения этого потенциала. Электрохимический потенциал — относительная величина. Электрохимический потенциал водорода принят равным нулю.

   Также около катода находятся молекулы воды Н2О. В составе воды есть окислитель — ион H+

При электролизе растворов солей на катоде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если металл в соли — активный (до Al3+ включительно в ряду напряжений), то вместо металла на катоде восстанавливается (разряжается) водород, т.к. потенциал водорода намного больше. Протекает процесс восстановления молекулярного водорода из воды, при этом образуются ионы OH, среда возле катода — щелочная:

2H2O +2ē → H2 + 2OH

Например, при электролизе раствора хлорида натрия на катоде будет вос-станавливаться только водород из воды.

2. Если металл в соли –  средней активности (между Al3+ и Н+), то на катоде восстанавливается (разряжается) и металл, и водород, так как потенциал таких металлов сравним с потенциалом водорода:

Men+ + nē →

2H+2O +2ē → H2 + 2OH

Например, при электролизе раствора сульфата железа (II) на катоде будет восстанавливаться (разряжаться) и железо, и водород:

Fe2+ + 2ē →

2H+2O +2ē → H2 + 2OH

3. Если металл в соли — неактивный (после водорода в ряду стандартных электрохимических металлов), то ион такого металла является более сильным окислителем, чем ион водорода, и на катоде восстанавливается только металл:

Men+ + nē →

Например, при электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде будет восстанавливаться медь:

Cu2+ + 2ē →

4. Если на катод попадают катионы водорода H+, то они и восстанавливаются до молекулярного водорода:

2H+ + 2ē → H2

Анодные процессы

Положительно заряженный анод притягивает анионы и молекулы воды. Анод – окислитель. В качестве восстановителей выступаю либо анионы кислотных остаток, либо молекулы воды (за счет кислорода в степени окисления -2: H2O-2).

При электролизе растворов солей на аноде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если на анод попадает бескислородный кислотный остаток, то он окисляется до свободного состояния (до степени окисления  0):

неМеn- – nē = неМе

Например: при электролизе раствора хлорида натрия на аноде окисляют-ся хлорид-ионы:

2Cl – 2ē = Cl2

Действительно, если вспомнить Периодический закон: при увеличении электроотрицательности неметалла его восстановительные свойства уменьшаются. А кислород – второй по величине электроотрицательности элемент. Таким образом, проще окислить практически любой неметалл, а не кислород. Правда, есть одно исключение. Наверное, вы уже догадались. Конечно же, это фтор. Ведь электроотрицательность фтора больше, чем у кислорода. Таким образом, при электролизе растворов фторидов окисляться будут именно молекулы воды, а не фторид-ионы:

2H2O-2 – 4ē → O2 + 4H+

2. Если на анод попадает кислородсодержащий кислотный остаток, либо фторид-ион, то окислению подвергается вода с выделением молекулярно-го кислорода:

2H2O-2 – 4ē → O2 + 4H+

3. Если на анод попадает гидроксид-ион, то он окисляется и происходит выделение молекулярного кислорода:

 4O-2H – 4ē → O2 + 2H2O

4. При электролизе растворов солей карбоновых кислот окислению под-вергается атом углерода карбоксильной группы, выделяется углекислый газ и соответствующий алкан. 

Например, при электролизе растворов ацетатов выделяется углекислый газ и этан:

2CH3C+3OO 2ē → 2C+4O2+ CH3-CH3

Суммарные процессы электролиза

Рассмотрим электролиз растворов различных солей.

Например, электролиз раствора сульфата меди. На катоде восстанавливаются ионы меди:

Катод (–): Cu2+ + 2ē →

На аноде окисляются молекулы воды:

Анод (+): 2H2O-2 – 4ē → O2 + 4H+

Сульфат-ионы в процессе не участвуют. Мы их запишем в итоговом уравнении с ионами водорода в виде серной кислоты:

2Cu2+SO4 + 2H2O-2 → 2Cu + 2H2SO4 + O2

Электролиз раствора хлорида натрия выглядит так:

На катоде восстанавливается водород:

Катод (–): 2H+2O +2ē → H2 + 2OH

На аноде окисляются хлорид-ионы:

Анод (+): 2Cl – 2ē → Cl2

Ионы натрия в процессе электролиза не участвуют. Мы записываем их с гидроксид-анионами в суммарном уравнении электролиза раствора хлорида натрия:

2H+2O +2NaClH2 + 2NaOH + Cl2

Следующий пример: электролиз водного раствора карбоната калия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2H+2O +2ē → H2 + 2OH

На аноде окисляются молекулы воды до молекулярного кислорода:

Анод (+): 2H2O-2 – 4ē → O2 + 4H+

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:

2H2+O-2 →  2H2  + O2 

Еще один пример: электролиз водного раствора хлорида меди (II).

На катоде восстанавливается медь:

Катод (–): Cu2+ + 2ē →

На аноде окисляются хлорид-ионы до молекулярного хлора:

Анод (+): 2Cl – 2ē → Cl2

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия происходит электролиз воды:

Cu2+Cl2– Cu + Cl2

Еще несколько примеров: электролиз раствора гидроксида натрия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2H+2O +2ē → H2 + 2OH

На аноде окисляются гидроксид-ионы до молекулярного кислорода:

Анод (+): 4O-2H – 4ē → O2 + 2H2O

Таким образом, при электролизе раствора гидроксида натрия происходит разложение воды, катионы натрия в процессе не участвуют:

2H2+O-2 →  2H2  + O2 

Электролиз расплавов

  При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.

Например: электролиз расплава хлорида натрия. На катоде восстанавли-ваются катионы натрия:

Катод (–): Na+ + ē →

На аноде окисляются анионы хлора:

Анод (+): 2Cl – 2ē → Cl2

Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2Na+Cl →  2  + Cl2 

image

Еще одинпример: электролиз расплава гидроксида натрияНа катоде восстанавливаются катионы натрия:

Катод (–): Na+ + ē →

На аноде окисляются гидроксид-ионы:

Анод (+): 4OH – 4ē → O2+ 2H2O

Суммарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия:

4Na+OH →  4  + O2+ 2H2O

Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.

Например, алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na3[AlF6] плавится при более низкой температуре (1100оС), чем оксид алюминия (2050оС). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.

В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

Al2O3 = Al3+ + AlO33-

На катоде восстанавливаются катионы алюминия:

Катод (–): Al3+ + 3ē →

На аноде окисляются алюминат-ионы:

Анод (+): 4AlO33 – 12ē → 2Al2O3 + 3O2 

 Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:

2Al2О3 = 4 + 3О2

image

В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:

О2 = C+4O2-2 

Электролиз с растворимыми электродами

Если материал электродов выполнен из того же металла, который присут-ствует в растворе в виде соли, или из более активного металла, то на аноде разряжаются не молекулы воды или анионы, а окисляются частицы самого металла в составе электрода.

Например, рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) с медными электродами.

На катоде разряжаются ионы меди из раствора:

Катод (–): Cu2+ + 2ē →

На аноде окисляются частицы меди из электрода:

 – 2ē → Cu2+

Тренировочные тесты в формате ЕГЭ по теме «Электролиз» (задание 22 ЕГЭ по химии) ( с ответами)

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий