Ηλεκτρόδιο

Ο William Whewell επινόησε τον όρο ηλεκτρόδιο, ο οποίος προήλθε από τις ελληνικές λέξεις Elektron, που σημαίνει «κεχριμπαρένιο» και hodos, που σημαίνει «τρόπος». Το ηλεκτροφόρο, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη του στατικού ηλεκτρισμού, ήταν μια πρώιμη έκδοση ενός ηλεκτροδίου που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή πειραμάτων. Ο Johan Wilcke πιστώνεται με την επινόηση του όρου. Προκειμένου να γίνει πιο κατανοητή η έννοια, ένα ηλεκτρόδιο μπορεί να οριστεί ως ένα σημείο όπου το ρεύμα εισέρχεται και εξέρχεται από τον ηλεκτρολύτη. Αξίζει να σημειωθεί ότι ένα ηλεκτρόδιο δεν χρειάζεται απαραίτητα να είναι κατασκευασμένο από μέταλλα.

Κατηγορίες ηλεκτροδίων

Σε γενικές γραμμές, τα ηλεκτρόδια μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες:αντιδραστικά ηλεκτρόδια και αδρανή ηλεκτρόδια.

Οι τύποι είναι είτε αδρανείς είτε αντιδραστικοί, με τους πρώτους να μην συμμετέχουν σε καμία αντίδραση και τους δεύτερους να παίρνουν ενεργό ρόλο σε αυτές.

Πλατίνα, χρυσός, γραφίτης (άνθρακας) και ρόδιο είναι μερικά μόνο από τα αδρανή ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται συνήθως.

Ο ψευδάργυρος, ο χαλκός, ο μόλυβδος και ο άργυρος είναι μερικά μόνο από τα ενεργά ηλεκτρόδια που είναι διαθέσιμα.

Η άνοδος, από την άλλη πλευρά, είναι το σημείο στο οποίο εισέρχεται το ρεύμα κατά την αντίδραση οξείδωσης. Τα ηλεκτρόδια στα ηλεκτροχημικά κύτταρα έχουν μια κρίσιμη λειτουργία, καθώς μεταφέρουν τα παραγόμενα ηλεκτρόνια από το ένα μισό στοιχείο στο άλλο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού φορτίου.

Εφαρμογές ηλεκτροδίων

Η κύρια λειτουργία των ηλεκτροδίων είναι να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα και να το μεταφέρουν μέσω μη μεταλλικών αντικειμένων προκειμένου να τα τροποποιήσουν θεμελιωδώς με διάφορους τρόπους, μια διαδικασία γνωστή ως ηλεκτρόλυση. Η αγωγιμότητα μπορεί επίσης να μετρηθεί με τη βοήθεια ηλεκτροδίων. Μεταξύ των άλλων εφαρμογών είναι:

1. Εκτός από τους διαφορετικούς τύπους μπαταριών, η ηλεκτρολυτική επίστρωση και η ηλεκτρόλυση, η συγκόλληση, η καθοδική προστασία, η συναρμολόγηση ηλεκτροδίων μεμβράνης, για χημική ανάλυση και το όπλο ηλεκτροσόκ Taser είναι όλες εφαρμογές για την τεχνολογία ηλεκτροδίων.
2. Τα ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται επίσης στον ιατρικό τομέα για ΗΚΓ, ECT, ΗΕΓ και απινιδωτές, μεταξύ άλλων. Οι τεχνικές ηλεκτροφυσιολογίας που χρησιμοποιούνται στη βιοϊατρική έρευνα καθίστανται δυνατές με τη χρήση ηλεκτροδίων.

Διαφορά μεταξύ καθόδου και ανόδου 

Στα ηλεκτρόδια ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου, οι αντιδράσεις αναγωγής και οξείδωσης λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα. Στην ηλεκτροχημεία, η κάθοδος αναφέρεται στο ηλεκτρόδιο στο οποίο λαμβάνει χώρα η αναγωγή. Η άνοδος είναι όπου λαμβάνει χώρα η οξείδωση.

Η κατεύθυνση στην οποία λειτουργεί ένα στοιχείο καθορίζει εάν ένα ηλεκτρόδιο λειτουργεί ως κάθοδος ή ως άνοδος σε αυτό το στοιχείο.

Όταν ένα στοιχείο αλλάζει από γαλβανική λειτουργία (δηλαδή, παράγει ενέργεια όπως μια μπαταρία) σε ηλεκτρολυτική λειτουργία (δηλαδή, απαιτεί την παροχή ενέργειας στο στοιχείο), η κάθοδος γίνεται άνοδος και αντίστροφα.

Παραδείγματα ηλεκτροδίων αναλυτικής χημείας 

Ο άμορφος άνθρακας, ο χρυσός και η πλατίνα είναι παραδείγματα υλικών που χρησιμοποιούνται συνήθως ως ηλεκτρόδια σε εφαρμογές αναλυτικής χημείας. Τα γυάλινα ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται συχνά σε μετρήσεις pH. σε αυτήν την εφαρμογή, το γυαλί έχει προστεθεί χημικά για να είναι επιλεκτικό σε ιόντα υδρογόνου, καθιστώντας το μια εξαιρετική επιλογή για αυτήν την εφαρμογή.

Όσον αφορά τις μπαταρίες, ανάλογα με τον τύπο της μπαταρίας, υπάρχει μια ποικιλία ηλεκτροδίων για να διαλέξετε.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου βασίζονται στη χρήση ηλεκτροδίων μολύβδου.

Οι μπαταρίες ψευδαργύρου-άνθρακα αποτελούνται από ηλεκτρόδια ψευδαργύρου και άμορφου άνθρακα, τα οποία συνδυάζονται για να σχηματίσουν μια μπαταρία.

Οι μπαταρίες πολυμερών λιθίου έχουν ηλεκτρόδια που αποτελούνται από μια συμπαγή πολυμερή μήτρα στην οποία τα ιόντα λιθίου μπορούν να κινηθούν και να λειτουργήσουν ως φορείς φορτίου. Οι μπαταρίες πολυμερούς λιθίου χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα.

Η ηλεκτρόλυση είναι μια τεχνική για τη μετατροπή αλάτων και μεταλλευμάτων σε μέταλλα που χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια.

Χρησιμοποιείται στη διαδικασία Hall-Heroult για την εξαγωγή μετάλλου αλουμινίου από οξείδιο του αλουμινίου και η άνοδος και η κάθοδος είναι κατασκευασμένα από γραφίτη για να γίνει αυτό.

Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιείται για την παραγωγή μετάλλου νατρίου, η οποία γίνεται με μια άνοδο άνθρακα και μια κάθοδο σιδήρου.

Μοτίβο ηλεκτροδίων

Ανακαλύφθηκε ότι το σχέδιο ή οι διαμορφώσεις των ηλεκτροδίων έχουν αντίκτυπο στο φαινόμενο ER, ανάλογα με τον τύπο των υγρών ER που υπάρχουν μεταξύ των ηλεκτροδίων. Όταν χρησιμοποιούνται στη θέση ηλεκτροδίων λείας επιφάνειας, διάφορα ηλεκτρόδια με μοτίβο, όπως μια δομή μεταλλικού πλέγματος σε σχήμα κηρήθρας, μια διαμόρφωση ομόκεντρου κύκλου και ένα ακτινωτό σχήμα μπορούν τυπικά να αυξήσουν το φαινόμενο ER έως και 2,3 φορές κατά μέσο όρο.

Στα 4 kV/mm, το ηλεκτρόδιο κηρήθρας δημιουργεί ένα φαινόμενο ER που είναι σχεδόν διπλάσιο από αυτό που παράγεται από το ηλεκτρόδιο με λεία επιφάνεια. Περαιτέρω έρευνα αποκάλυψε ότι το μέγεθος της τρύπας στο μοτίβο της κηρήθρας έχει επίδραση στο φαινόμενο ER. Η διατμητική τάση και η τάση διαρροής ενός εναιωρήματος σύνθετου σωματιδίου/ελαίου σιλικόνης ως συνάρτηση του μεγέθους του μεταλλικού πλέγματος που καλύπτεται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου όταν υποβάλλεται σε διάφορα ηλεκτρικά πεδία. Φαίνεται ότι όταν το μέγεθος του πλέγματος είναι περίπου 100 m και τα ηλεκτρικά πεδία κυμαίνονται από 0,66 έως 3,33 kV/mm, επιτυγχάνεται η μέγιστη διατμητική τάση. Η διατμητική τάση που μετράται με το μεταλλικό καθαρό ηλεκτρόδιο είναι περίπου 1,8 έως 2,3 φορές μεγαλύτερη από τη διατμητική τάση που μετράται με το λείο ηλεκτρόδιο, ανάλογα με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται. Αυτό μπορεί να οφείλεται στην ανομοιομορφία του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από το ηλεκτρόδιο με μοτίβο, καθώς και στη μείωση της διατμητικής ολίσθησης που προκαλείται από την τραχιά επιφάνεια του ηλεκτροδίου, η οποία μπορεί να ευθύνεται για το ενισχυμένο φαινόμενο ER.

Η πόλωση του ηλεκτροδίου

Η συσσώρευση φορτίου στις επιφάνειες των ηλεκτροδίων, καθώς και ο σχηματισμός ηλεκτρικών διπλών στρωμάτων, ευθύνεται για την πόλωση των ίδιων των ηλεκτροδίων. Κάθε φορά που εφαρμόζεται πεδίο εναλλασσόμενου ρεύματος, τα ιόντα στο εναιώρημα θα πρέπει να κατανέμονται σε διπλή στρώση όπως περιγράφεται από τους Debye και Hückel. κάθε φορά που εφαρμόζεται πεδίο εναλλασσόμενου ρεύματος, τα ιόντα στην ανάρτηση θα πρέπει να ανταποκρίνονται στο φορτίο των ηλεκτροδίων, με την απόκρισή τους να καθυστερεί από τη δύναμη έλξης από το υγρό μέσο. Ως αποτέλεσμα, η συχνότητα του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου έχει επίδραση στο διπλό στρώμα, επειδή τα φορτία στα ηλεκτρόδια ταλαντώνονται με ταχύτερο ρυθμό από την κίνηση των ιόντων. Η υψηλή συχνότητα κάνει τα ιόντα να μην μπορούν να κινηθούν αρκετά γρήγορα ώστε να σχηματίσουν το διπλό στρώμα, και ως αποτέλεσμα χάνεται η πόλωση του ηλεκτροδίου. Όταν η συχνότητα είναι χαμηλή, η πόλωση του ηλεκτροδίου γίνεται σημαντική, με αποτέλεσμα μια πολύ μεγάλη διηλεκτρική σταθερά. Η διηλεκτρική σταθερά του νερού είναι 78. Σε χαμηλές συχνότητες κάτω από 200 Hz, από την άλλη πλευρά, η διηλεκτρική σταθερά αυξάνεται σε περισσότερο από 10000 καθώς η συχνότητα μειώνεται σε περίπου 10 Hz, η οποία προκαλείται από την πόλωση του ηλεκτροδίου που προκαλεί μείωση της συχνότητας.

Συμπέρασμα

Επομένως, μπορούμε τελικά να συμπεράνουμε ότι τα ηλεκτρόδια μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες:Τα αντιδραστικά ηλεκτρόδια και τα αδρανή ηλεκτρόδια. Η κύρια λειτουργία των ηλεκτροδίων είναι να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα και να το μεταφέρουν μέσω μη μεταλλικών αντικειμένων προκειμένου να τα τροποποιήσουν θεμελιωδώς με διάφορους τρόπους, μια διαδικασία γνωστή ως ηλεκτρόλυση. Η αγωγιμότητα μπορεί επίσης να μετρηθεί με τη βοήθεια ηλεκτροδίων.