電極

William Whewell は、ギリシア語で「琥珀」を意味する Elektron と「道」を意味する Hodos に由来する用語 Electrode を作り出しました。静電気を研究するために使用された電気泳動は、実験を行うために使用された電極の初期のバージョンでした。 Johan Wilcke はこの用語を発明したとされています。概念をより理解しやすくするために、電極は、電流が電解質に出入りするポイントとして定義できます。電極は必ずしも金属製である必要はないことに注意してください。

電極のカテゴリ

一般的に言えば、電極は、反応性電極と不活性電極の 2 つのカテゴリに分けることができます。

型は不活性または反応型のいずれかで、前者は反応に参加せず、後者は反応に積極的な役割を果たします。

プラチナ、金、グラファイト (炭素)、およびロジウムは、一般的に使用される不活性電極のほんの一部です。

亜鉛、銅、鉛、銀は利用可能な反応性電極のほんの一部です。

一方、陽極は、酸化反応中に電流が入るポイントです。電気化学セルの電極は、生成された電子を 1 つの半セルから別の半セルに輸送し、電荷を生成するという重要な機能を果たします。

電極の用途

電極の主な機能は、電気分解として知られるプロセスであるさまざまな方法でそれらを根本的に変更するために、電流を生成し、非金属の物体に電流を流すことです。導電率は、電極を使用して測定することもできます。その他のアプリケーションは次のとおりです。

陰極と陽極の違い

電気化学セルの電極では、還元反応と酸化反応が同時に起こります。電気化学では、陰極は還元が起こる電極を指します。陽極は酸化が起こる場所です。

セルが動作している方向によって、電極がそのセルのカソードまたはアノードとして機能するかどうかが決まります。

セルがガルバニック動作 (つまり、バッテリーのようにエネルギーを生成する) から電解動作 (つまり、セルにエネルギーを供給する必要がある) に切り替わると、カソードがアノードになり、逆もまた同様です。

分析化学電極の例

非晶質炭素、金、およびプラチナは、分析化学アプリケーションで電極として一般的に使用される材料の例です。ガラス電極は、pH 測定でよく使用されます。この用途では、ガラスは水素イオンに対して選択的に化学的にドープされているため、この用途に最適です。

電池に関しては、電池の種類に応じてさまざまな電極を選択できます。

リチウム イオン電池は、鉛電極の使用に基づいています。

亜鉛-炭素電池は、電池を形成するために組み合わされた亜鉛と非晶質炭素電極で構成されています。

リチウム ポリマー電池には、リチウム イオンが移動して電荷キャリアとして機能する固体ポリマー マトリックスで構成される電極があります。リチウム ポリマー電池は、電気自動車で使用されます。

電気分解は、電気エネルギーを使用して塩や鉱石を金属に変換する技術です。

これは、酸化アルミニウムからアルミニウム金属を抽出するための Hall-Heroult プロセスで使用され、そのためにアノードとカソードの両方がグラファイトでできています。

電気分解は、炭素アノードと鉄カソードで行われるナトリウム金属を生成するために使用されます。

電極のパターン

電極間に存在するＥＲ流体の種類に応じて、電極パターンまたは構成がＥＲ効果に影響を与えることが発見された。滑らかな表面の電極の代わりに使用すると、ハニカム形状の金属メッシュ構造、同心円構成、および放射状形状などのさまざまなパターン化された電極は、通常、平均で 2.3 倍も ER 効果を高めることができます。

4 kV/mm で、ハニカム電極は、滑らかな表面を持つ電極によって生成される ER 効果のほぼ 2 倍の強度の ER 効果を生成します。さらなる研究により、ハニカムパターンの穴の大きさがER効果に影響を与えることが明らかになりました。複合粒子/シリコーン油懸濁液のせん断応力と降伏応力は、さまざまな電場にさらされたときの電極表面で覆われた金属メッシュ サイズの関数として表されます。メッシュ サイズが約 100 m で、電場が 0.66 ～ 3.33 kV/mm の範囲の場合、最大のせん断応力が得られるようです。金属ネット電極で測定したせん断応力は、使用する方法にもよりますが、平滑電極で測定したせん断応力の約 1.8 ～ 2.3 倍です。これは、パターン化された電極によって生成される電場の不均一性と、電極の粗い表面によって引き起こされるせん断滑りの減少が原因である可能性があり、これが ER 効果の向上の原因である可能性があります。

電極の分極

電極表面への電荷の蓄積と電気二重層の形成は、電極自体の分極の原因です。交流電場が適用されるときはいつでも、Debye と Hückel によって説明されているように、懸濁液中のイオンは二重層に分布する必要があります。交流電場が適用されるときはいつでも、懸濁液中のイオンは電極の電荷に応答しなければならず、それらの応答は液体媒体からの抵抗力によって遅れます。その結果、電極上の電荷はイオンの移動よりも速い速度で振動するため、印加電場の周波数が二重層に影響を与えます。高周波により、イオンは二重層を形成するのに十分な速さで移動できなくなり、その結果、電極の分極が失われます。周波数が低い場合、電極の分極が顕著になり、誘電率が非常に大きくなります。水の誘電率は 78 です。一方、200 Hz 未満の低周波数では、周波数が 10 Hz 付近まで低下すると、誘電率は 10000 以上に増加します。これは、電極の分極によって周波数が低下することが原因です。

結論

したがって、最終的に、電極は反応性電極と不活性電極の 2 つのカテゴリに分類できると結論付けることができます。電極の主な機能は、電気分解として知られるプロセスであるさまざまな方法でそれらを根本的に変更するために、電流を生成し、非金属の物体に電流を流すことです。導電率は、電極を使用して測定することもできます。