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음극
음극은 두 전극을 가지는 기구에서 전위가 낮은 극(Negative electrode), 두 전극을 가지는 기구에서 전류가 흘러들어가는 극(Cathode)을 뜻한다. 전류의 흐름과 전자의 흐름은 반대 방향이므로, 음극은 전자가 흘러나오는 극이다.
상세
Cathode와 Negative electrode는 모두 전극을 부르는 용어이나, 서로 다른 개념이다. ①번 정의는 기구의 두 극의 전위가 높고 낮음에 따라 결정되고, 주로 전지(battery)의 경우에 정의되지만 ②번 정의는 해당 전극에서 일어나는 현상을 기준으로 정의가 되므로 주로 전기분해 혹은 음극선관에서 정의된다. 특히 전지(battery)에서는 두 정의가 모두 가능하며 서로 다른 극을 가리키기도 하므로 헛갈릴 수 있다.
"Negative electrode" 화학전지에서 전자를 내놓는 전극이다. 반대의 전극을 양극(positive electrode)이라고 하며, 항상 음극이 양극보다 전위가 낮은 상태를 유지한다. 전지에 외부 회로를 연결하면 음극에서 전자가 양극으로 이동하게 되어 (양전하가 있다면 전위가 높은 양극에서 전위가 낮은 음극으로 이동. 하지만 실제로 회로에서 이동하는 것은 음전하를 가진 전자이다.) 전류의 방향이 양극에서 음극을 향하도록 정해진다. 그림 1 (a)에 보이는 1.5V 건전지에서 (-) 기호가 가리키는 평평한 극이 바로 음극이다. 여러 다른 건전지에는 음극이 (-) 기호로 표시되어 있으며, 그림 1 (b) 직류 전원의 회로 기호가 (a)의 건전지와 같은 방향으로 표시되어 있다.
전지 혹은 직류 전원에서는 전위가 낮은 극이 항상 고정되어 있다. 따라서 전지의 음극(negative electrode)은 항상 같은 위치이다.
"Cathode" 전류가 나오는 전극을 의미하며, 전류가 전자의 흐름과 반대 방향으로 정의되므로 전자가 기구를 향해 들어오는 전극을 가리킨다. 이 정의에 의해 전지가 동작 중일 때에는 전류가 나오는 양극(positive electrode)이 음극(cathode)인 상황이 만들어진다. 충전이 가능한 2차 전지의 경우는 충전 중에 전류가 양극(positive electrode)으로 들어가고 음극(negative electrode)으로 나오게 되므로 이 경우에는 음극(negative electrode)이 음극(cathode)이기도 하다. Cathode의 반대 전극은 anode라고 하는데 이 역시 한글 용어로는 양극이라 부르므로 더 혼란이 되기도 한다. 하지만 어떤 두 전극을 가지는 기구에서 전류가 기구를 향해 들어가는 전극을 음극이라 하면 negative electrode의 의미이며, 반대로 전류가 기구에서 나오는 전극을 음극이라 하면 cathode의 의미로 사용되는 것으로 생각하면 된다. Cathode의 의미를 가지는 음극은 사실 일상생활과는 조금 떨어진 전기분해, 음극선관, 그리고 다이오드의 경우에만 주로 쓰인다.
전기분해
전기분해의 경우, 전해조를 기구로 생각하면 외부 전원의 왼쪽 전극인 양극(positive electrode)에서 출발한 전류가 흘러 전해조로 들어가는 왼쪽 전극이 양극(anode)으로 정의된다. 외부 전원의 오른쪽 전극인 음극(negative electrode)으로는 전류가 전원으로 들어가고 따라서 전해조의 오른쪽 전극에서는 전류가 바깥으로 나가게 되어 음극(cathode)이 된다. 전해조의 음극(cathode)을 향해 전지로부터 전자들이 공급되므로 전해조 내부에서는 음극을 향해 양이온들이, 양극을 향해 음이온들이 움직여 왼쪽에서 오른쪽으로 전류가 흐르며 전해질 내의 원소들이 분해된다. Cathode를 향해 움직이는 이온을 cation이라고 정의하였고 이에 따라 cathode는 음극, cation은 양이온으로 혼동스러운 한글 용어가 되었다.
전지
전지의 경우, 전해질 내의 양이온(cation), 음이온(anion)들이 각각 자발적으로 왼쪽, 오른쪽 전극으로 움직인다고 가정하면, 외부 회로에는 전지의 왼쪽 전극을 향해 전자들이 움직여 (왼쪽 전극에서 전류가 나가) 이 전극이 음극(cathode)이 된다. 외부 회로에서는 왼쪽에서 오른쪽으로 전류가 흐르므로 전지의 왼쪽 전극이 상대적으로 전위가 높고, 이 전극이 양극(positive electrode)이 되어 혼동을 주게 된다. 2차 전지가 충전 중일 때는 그림 2 (a)의 전해조가 전지에 해당하며 외부 전원에 의해 충전이 이루어지므로 전해질 내의 이온들이 그림 2 (b)와 반대로 이동하며 음극(negative electrode)이 음극(cathode)와 일치하는 경우가 됨을 알 수 있다. (Negative electrode의 위치는 변하지 않으며 cathode가 반대로 바뀐다.)
음극선관
진공관이나 음극선관 모두 고진공으로 만든 유리통 속에 적어도 두 전극을 만들어 한 전극에서 전자를 튀어나오도록 만들고 다른 전극으로 이동시켜 신호를 증폭하거나 (진공관), 특정위치에 부딪혀 표시하는 (CRT) 기구이다. 전자를 튀어나오게 만드는 전극으로는 전자가 계속 공급되어야 (전류가 빠져나와야) 하고, 정의에 따라서 이 전극이 음극(cathode)이 된다. 음극에서 나오는 전자빔 즉, cathode ray를 이용하는 기구이므로 CRT라고 부른다. 대표적인 음극선관의 예로는 음극과 양극사이의 높은 전위차를 이용하여 기체를 이온화 시키는 크룩스관(Crookes Tube)과 높은 수준의 수은 진공펌프를 화용하여 유리관 내의 기체를 봉한 가이슬러관을 들 수 있다.
다이오드
다이오드는 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하고 반대 방향으로는 거의 전류를 흘리지 않는 두 전극을 가진 전자소자이다. 그림 3의 기호로 나타나는데, 화살표 방향으로 전류를 흐르게 하므로 다이오드 입장에서 전류가 나가는 전극을 음극(cathode), 전류가 들어오는 전극을 양극(anode)이라고 그림과 같이 정의한다. LED로 만든 숫자 display에서 common-cathode type이라고 부르는 것이 음극을 공통으로 연결하여 만든 display라는 의미이다.
다이오드의 이러한 정의는 반대 방향의 전류를 사용하는 제너 다이오드의 경우 조금 문제가 될 수 있으나, 이 경우에도 음극, 양극의 위치를 바꾸어 정의하지는 않는 것이 cathode, anode 정의의 예외라고 할 수 있다.
참고자료
- 〈음극〉, 《물리학백과》
같이 보기
