Eine Elektrode ist ein Leiter, der einen elektrischen Strom von einem Medium zu einem anderen leitet, normalerweise von einer Stromquelle zu einem Gerät oder Material. Es kann eine Reihe verschiedener Formen annehmen, einschließlich eines Drahtes, einer Platte oder eines Stabes, und wird am häufigsten aus Metall wie Kupfer, Silber, Blei oder Zink hergestellt, kann aber auch aus einer nichtmetallischen Substanz bestehen die Elektrizität leitet, wie Graphit. Elektroden werden im Schweißen, in der Galvanik, in Batterien, in der Medizin und in der Industrie für elektrolytische Prozesse eingesetzt.
Anoden und Kathoden
Bei Gleichstrom (DC) kommen die Elektroden paarweise vor und werden als Anoden und Kathoden bezeichnet. Bei einer Batterie oder einer anderen Gleichstromquelle ist die Kathode als die Elektrode definiert, von der der Strom ausgeht, und die Anode als der Punkt, an dem er zurückkehrt. Aus eher historischen als wissenschaftlichen Gründen wird Elektrizität in einem Stromkreis konventionell so dargestellt, als würde sie von positiv nach negativ wandern, so dass sie als ein Fluss positiver Ladung aus der Kathode und in die Anode gesehen wird. Ein elektrischer Strom besteht jedoch aus einem Fluss winziger negativ geladener Teilchen, die Elektronen genannt werden, sodass dieser Fluss tatsächlich in die entgegengesetzte Richtung verläuft. In diesem Zusammenhang ist es wahrscheinlich besser, einfach in Plus- und Minuspolen zu denken.
In einer Batterie oder elektrochemischen Zelle bestehen die Elektroden aus unterschiedlichen Materialien, von denen eines leichter Elektronen abgibt als das andere. Sie werden mit einer leitenden Chemikalie in Kontakt gehalten, die sich in positiv und negativ geladene Ionen aufspalten kann. Wenn ein Stromkreis geschlossen ist, also die Batterie an ein elektrisches Gerät wie eine Glühbirne angeschlossen wird, findet innerhalb der Zelle eine Redoxreaktion statt. Dies bedeutet, dass die leitende Chemikalie an einer Elektrode Elektronen aufnimmt – ein Prozess, der als Reduktion bekannt ist – und sie an der anderen verliert – ein Prozess, der Oxidation genannt wird – mit dem Ergebnis, dass die Elektronen als Strom durch den Stromkreis fließen. Reduktion findet immer an der Kathode und Oxidation an der Anode statt.
Bei einem Akku läuft dieser Vorgang während des Ladevorgangs umgekehrt ab. Ein elektrischer Strom aus einer anderen Quelle wird verwendet, um eine Redoxreaktion in die entgegengesetzte Richtung zu betreiben, was bedeutet, dass die Anode zur Kathode wird und umgekehrt. Es ist immer noch so, dass an der Kathode Reduktion und an der Anode oxidiert wird, aber die Stromrichtung ist umgekehrt, so dass die negative und die positive Elektrode davon abhängt, ob die Batterie Strom liefert oder nachlädt. Manchmal sind Zellen durch eine Elektrode miteinander verbunden, die für eine Zelle als Anode und für die andere als Kathode fungiert. Dies wird als bipolare Elektrode bezeichnet.
Bei Wechselstrom (AC) wird nicht zwischen Anode und Kathode unterschieden. Dies liegt daran, dass der Strom ständig die Richtung ändert, viele Male pro Sekunde. Eine Elektrode mit dieser Stromart würde daher ständig zwischen negativ und positiv wechseln.
Elektrolyse
Dabei fließt ein Gleichstrom durch ein leitendes flüssiges Medium von einer Kathode zu einer Anode, wodurch Reduktions- und Oxidationsprozesse ablaufen können. Dies ist eine sehr nützliche Methode, um bestimmte Chemikalien herzustellen und insbesondere chemische Elemente aus ihren Verbindungen zu isolieren. Bei einigen sehr reaktiven Elementen ist dies der einzig praktikable Weg.
Um ein gegebenes Element zu erhalten, kann eine ionische Verbindung dieses Elements elektrolysiert werden. Ein Beispiel ist die Herstellung von Natriummetall aus geschmolzenem Salz oder Natriumchlorid. Wenn der Strom fließt, werden positiv geladene Natriumionen von der negativen Elektrode oder Kathode angezogen, wo sie Elektronen aufnehmen und Natriummetall bilden. Negativ geladene Chloridionen werden von der Anode angezogen, wo sie Elektronen verlieren und Chlorgas bilden, das ebenfalls als Nebenprodukt gesammelt wird.
Galvanotechnik
Bei diesem Verfahren wird ein Metallgegenstand mit einem anderen Metall beschichtet, um seine Korrosionsbeständigkeit oder sein Aussehen zu verbessern. Der zu beschichtende Gegenstand bildet die Kathode in einem Elektrolyseprozess, indem er in eine Lösung einer löslichen Verbindung des die Beschichtung bildenden Metalls eingetaucht wird, wobei die Anode ebenfalls aus diesem Metall besteht. Wenn der Strom fließt, werden positive Metallionen aus der Lösung von der Kathode angezogen und bilden eine Ablagerung auf dieser. Wenn die gelösten Ionen aufgebraucht sind, werden sie durch Ionen ersetzt, die sich aus der Anode bilden. Manchmal besteht die Anode aus einem anderen Material, das nicht verbraucht wird; bei diesem Verfahren müssen die Metallionen durch Nachfüllen der Lösung ersetzt werden.
andere Verwendungen
Elektroden werden beim Lichtbogenschweißen verwendet, einer Technik zum Verbinden zweier Metallstücke unter Verwendung eines großen elektrischen Stroms. Eine verbrauchbare Elektrode schmilzt und liefert das Material, das die Metalle verbindet. Der nicht verbrauchbare Typ besteht aus einem Material mit einem sehr hohen Schmelzpunkt, wie Wolfram, und liefert einfach die Wärme, um ein anderes Material zu schmelzen, das die Verbindung bildet. In der Medizin können Elektroden im Notfall verwendet werden, um das Herz in einer als Defibrillation bekannten Technik mit elektrischem Strom zu versorgen. Sie werden auch verwendet, um die elektrische Aktivität im Gehirn während eines Elektroenzephalogramms (EEG) aufzuzeichnen.