Un cátodo negativo es uno de los dos electrodos principales en los tubos de vacío. Libera iones negativos que son atraídos por el ánodo positivo. Un cátodo negativo puede ser un cátodo frío o caliente. Mientras que un cátodo caliente generalmente se calienta con un filamento de tungsteno envuelto alrededor de él, un cátodo frío no se calienta directamente, sino que finalmente alcanza temperaturas elevadas durante su funcionamiento. Incluso si un cátodo frío no se calienta directamente, puede funcionar a alta temperatura porque la temperatura dentro del recinto seguirá aumentando cuando la corriente fluya a través del cátodo.
El cátodo caliente y negativo se utiliza en el tubo de rayos catódicos (CRT), un tubo de vacío especial. Los CRT se utilizan para osciloscopios y pantallas de televisión de tipo tubo (TV). El lado positivo del CRT está energizado por hasta 25,000 voltios (V) en el lado de la pantalla. Un cátodo caliente en la parte posterior del tubo se encuentra dentro de un recinto denominado pistola. El electrón del cátodo caliente se emite y encuentra su camino en el interior de la pantalla después de ser desviado con precisión por un campo magnético o eléctrico en el eje vertical y horizontal.
Un magnetrón es un dispositivo de cátodo negativo que se utiliza para generar y amplificar la radiofrecuencia en bandas de frecuencia elevada llamadas microondas. Utiliza un confinamiento metálico de geometría especial denominado cavidad. La cavidad, junto con un campo magnético permanente, genera energía de microondas que se puede utilizar para hornos de radar y microondas.
Una variación del cátodo frío se utiliza para la iluminación. Al elegir diferentes recubrimientos de fósforo, los iones generados por el cátodo frío pueden producir una variedad de colores. Es una práctica común citar el color del cátodo.
Las baterías funcionan con un cátodo positivo y un ánodo negativo. El material del cátodo para una batería recargable es capaz de adaptarse con ciclos repetidos de carga y descarga. Las cargas negativas de la batería llegan al material del cátodo y a la carga de la batería. La polaridad del cátodo se especifica en función de las cargas que le llegan.
Un diodo es un dispositivo de estado sólido que actúa como una válvula unidireccional para cargas eléctricas. El cátodo negativo está formado por un semiconductor de tipo negativo (N), que tiene electrones libres, y un ánodo está formado por un semiconductor de tipo positivo (P) que carece de electrones. El símbolo esquemático de un diodo indica el ánodo como una flecha que apunta hacia el cátodo, y la dirección de la flecha indica lo opuesto al flujo de electrones, que se conoce como flujo de huecos.