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類型分類：: 科普知識

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電極的工作原理

發布日期：2022-10-21 點擊率：56

DQZHAN技術訊：電極的工作原理
電極的概念是M.法拉第進行系統電解實驗后在1834年提出的，原意只指構成電池的插在電液中的金屬棒。電池的組成部分，它由一連串相互接觸的物相構成，其一端是電子導體──金屬（包括石墨）或半導體，另一端必須是離子導體──電解質（這里專指電解質溶液，簡稱“電解液”或“電液”）。結構*簡單的電極應包括兩個物相和一個相界面，即〔金屬|電液〕。上述定義的電極也稱“半電池”。
命名
命名方式很復雜，有些根據電極的金屬部分命名，如銅電極、鉑電極等；有些根據電極活性的氧化還原對中的特征物質命名，如甘汞電極、氫電極；有些根據電極金屬部分的形狀命名，如滴汞電極、轉盤電極；有些根據電極的功能命名。這些名稱如參比電極、鈉離子選擇電極（見離子選擇性電極）等，都是約定俗成的。
表示符號
通常在電池上會標有“+”的符號，那是正極，在另一端會標有“-”符號那是負極，同時在蓄電池上只有正極有“+”，而負極沒有。顏色也可以表示正負極：紅色代表正極，黑色代表負極。
表達式
書刊上表達電極的方式很不一致，這里采用的方式是：寫下各串聯的物相，每一相界面用一個隔離線表示。如銅電極寫成Cu|CuSO4（1Μ，水溶液）或Cu|Cu；甘汞電極寫成Hg|電極電極
Hg2Cl2|Cl；在水溶液中的鈍化的鐵電極可寫成Fe|Fe3O4|Fe2O3|水溶液。
電極方塊圖把電極的各個相用分隔的方塊表達，便于標明各相界面上的反應，有助于理解電極上發生的實際過程（圖1）。
2來源原電池中的電極
電極是原電池的基本組成部分。利用自發氧化還原反應產生電流的裝置叫原電池，一個原電池必須由兩個基本部分組成：兩個電極和電解質溶液。給出電子發生氧化反應的電極，如丹尼爾電池（右圖上部所示）中的Zn極，由于其電勢較低，被稱為負極（negative electrode）；而接受電子發生還原反應的一極，如Cu極，由于其電勢較高，而稱作正極（positive electrode）。
根據組成電極物質的狀態，可以把電極分為三類。**類電極是金屬電極和氣體電極，如丹尼爾電池中鋅電極和銅電極，還有標準氫電極；**類電極是金屬-金屬難溶鹽電極及金屬-金屬難溶氧化物電極，如Ag-AgCl電極。第三類電極是氧化還原電極（任一電極皆為氧化還原電極，這里所說的氧化還原電極是專指參加電極反應的物質均在同一個溶液中），如Fe3+，Fe2+溶液組成的電極。
電解槽中的電極
電極是電解過程中，電流進入或離開電解液的導體。電解過程就是在電極相界面上發生氧化還原反應。
電極分為陰極和陽極，和電源正極相連的是陽極，陽極上發生氧化反應；和電源負極相連的是陰極，陰極上發生還原反應。
電解材料的種類很多，常用的是碳電極，此外鈦等金屬也可以做電極。在電鍍中，含有鍍層金屬的金屬往往作為陽極，待鍍制品作為陰極。
3種類可逆電極
任何金屬與電解液接觸都會產生電勢（位），這是電極的*主要的特征性質。電極電極
如果電極界面上存在著單獨一種氧化還原對的快速電子交換，即存在著交換電流很大的（見遷越超電勢）單一電極反應，這種電極能很快建立電化學平衡，稱為可逆電極。可逆電極的電勢能較長時期維持穩定，抗干擾能力較大，并能**測量。它是可逆電池的必要組成部分，是電位分析法測量裝置的核心部件，有重要的實用意義。可逆電極有以下類型：
① 金屬電極，如銅電極（圖2），其特點是氧化還原對可以遷越相界面。
② 氧化還原電極，例如Pt|Fe，Fe電極（圖3）、Pt|Mn,MnO嬄，H電極等。它的氧化還原對不能遷越電極相界面，電極的鉑Pt只表示電極金屬是惰性的，它只是提供電子交換的場所，實際應用時可采用任何惰性金屬。電極電極
③ 氣體電極，是氧化還原對的一個組分為氣體時的氧化還原電極（圖 4），例如氫電極 (Pt|H2|H）、氯電極（Pt|Cl2|Cl）等。為了加速達成平衡，金屬鉑上需要鍍上鉑黑以增加表面積并起電催化作用。
電極
④ 難溶鹽電極，氧化還原對的一個組分是難溶鹽或其他固相。因此它包含三個物相、兩個界面（圖1），在每一相界面上存在著單一的快速遷越過程，如甘汞電極（Hg|Hg2Cl2|Cl）、氧化汞電極（Hg|HgO|OH）。在甘汞電極中，甘汞與電解液的溶解平衡完全受電液中濃度較高的Cl所控制，Cl在Hg2Cl2|電液界面上的交換速率也很快，故它的電極電勢非常穩定。它是*常用的參比電極，有些書刊稱這類電極為**類電極。電極電極
膜電極　利用隔膜對于單種離子的透過性或膜表面與電解液的離子交換平衡所建立的電勢來測量電液中特定離子活度的裝置（圖5），例如玻璃電極、離子選擇性電極。
化學修飾電極　利用吸附、涂敷、聚合、化學反應等方法把活性基團、催化物質等附著在電極金屬（包括石墨、半導體）表面上，使之具有較強的特征功能。這是70年代以來電極制備方法的新發展。
單一電極和多重電極　如果電極的金屬│電液界面上只存在一種起主導作用的電極反應，這就是單一電極；如果存在的不只是一種電極反應，就是多重電極。例如鋅電極(Zn|ZnSO4水溶液）上可能存在兩種電極反應：
Zn─→Zn+2e ⑴
2H+2e─→H2 ⑵
電極電極
但由于金屬鋅上的氫超電勢很高，反應⑵速率太小，反應⑴是主導的，上述鋅電極被認為是單一電極，是典型的可逆電極。當不太純的鋅浸入硫酸中時，反應⑴和⑵的速率都較快，所以【Zn|H2SO4】電極是二重電極，它的靜態電勢可根據反應⑴和⑵的極化曲線和極化規律來判斷。金屬腐蝕體系常常是二重電極。多重電極不可能是可逆的
實際應用時，被研究的電極稱為工作電極W，在電化學分析法中也稱指示電極，它的電勢可利用與參比電極R組成的二電極測量電池測量。當工作電極需要極化時，則要另用一輔助電極（或稱對應電極，用C表示），組成三電極測量電池系統（圖6），以提供可調節的電流。此時為了減少電液中歐姆電位降（IR）對工作電極電勢測量的誤差，參比電極與電解液連接處應采用毛細管，使之盡量靠近工作電極，稱為魯金毛細管。
火花機電極
火花機電極，也稱為銅公，也是火花機加工中不可缺少的。
電極電極
火花機加工時，電極和工件分別連接脈沖電源的兩極。在電極與工件上施加的脈沖電壓產生火花放電。放電的瞬間溫度可高達一萬攝氏度以上，高溫使得工件表面局部氣化或熔化。
緊接著下一個脈沖電壓又在電極與工件間產生火花放電，重復上述過程。
通過無數次的重復脈沖放電，*后便加工出與電極形狀相對應的形狀來。因此只要改變電極的形狀就能加工出各種復雜的型面。
火花機加工中，電極的作用是輸送加工脈沖，并以電極自身*小的損耗去蝕除工件。常用的電極材料有紫銅、石墨、銅鎢合金、銀鎢合金、鋼、黃銅、鑄鐵等。
鈰鎢電極
是在鎢基中添加稀土氧化鈰經過粉末冶金和壓延磨拋工序制作而成的鎢電極產品，是中國*早生產的無放射性鎢電極產品，該產品的特點是在低電流條件下有著優良的起弧性能，維弧電流較小。因此，它常用于管道，不銹鋼制品和細小精密部件的焊接。在低電流直流條件下或電極直徑在2.0mm以下，鈰鎢電極是釷鎢電極的優選替代品。
鑭鎢電極
是歐洲國家在八十年代推出的企望替代釷鎢產品的改良品種，一經推出，以其優良的焊接性能在國際焊接界倍受關注并非常流行，尤其受到歐洲焊接學院派的追捧，因為這個原因，鑭鎢電極的出口量僅次于釷鎢，而在國內市場認知度并不高。其特點是導電性能*接近2%釷鎢電極，耐用電流高而燒損率*小。
釷鎢電極
是*早使用的稀土鎢電極，也是迄今為止焊接性能*好的鎢電**種，因此，在全球范圍內該品種鎢電極市場占有率*高，但因為釷鎢電極在粉末冶金和壓延磨拋過程中會發生放射性污染，因此歐美國家限制生產該品種電極，但因為其優良的焊接性能，其使用并沒有受到限制。
釔鎢電極
在焊接時，弧束細長，壓縮程度大，在中、大電流時其熔深*大。主要應用于**工業和航空航天工業。
鋯鎢電極
是為了改善純鎢電極在高負荷焊接條件下容易自身熔化污染工件的弊端而研制的電**種，該電極*大的特點是在高負載電流的情況下，這種電極的端部能保持成圓球狀而減少滲鎢現象，并具有良好的抗腐蝕性。
純鎢電極
是氬弧焊接*早使用的電極，但在直流焊接條件下，該品種電極容易出現不起弧或維護不穩定的情況，加入稀土氧化物能極大的改善這種情況，因此，純鎢電極僅作為交流條件下的焊接電極或作為電阻焊電極。

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