Předpokládám, že připojím vodivý vodič (průřez 1 mm $ ^ 2 $ ) k hliníkový předmět. Vzhledem k tomu, že hliník je vysoce vodivý, bude elektřina plynule proudit uvnitř objektu s malým odporem. Jelikož je však hliník také velmi reaktivní, je na povrchu předmětu tenká vrstva vysoce odolného oxidu hlinitého. Wikipedia říká, že tato vrstva má tloušťku 4 nm (cituje tento článek ). Naivně můžeme vypočítat odpor oxidové vrstvy pomocí měrného odporu oxidu hlinitého, což je přibližně $ 10 ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ přibližně 4 \ krát 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Samozřejmě ve skutečnosti neměříme takový velký odpor. Ale proč ne? Jak přesně prochází elektrický proud vrstva oxidu?
Zjevnou odpovědí je, že elektrony jednoduše tunelují přes vrstvu oxidu. Pojďme tedy vypočítat pravděpodobnost tunelu. Podle tohoto dokumentu od MIT OpenCourseWare představuje vrstva oxidu hlinitého potenciální bariéru 10 eV. Pak je koeficient přenosu přes vrstvu 4 nm dán
$$ T \ přibližně e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ right) (4 \ text {nm})} = 5,16 \ krát 10 ^ {- 57} $$
Toto je extrémně malé číslo. V zásadě bychom nyní mohli zjistit skutečnou rychlost z hustoty stavů a Fermiho zlatého pravidla, ale zdá se pravděpodobné, že výsledkem bude velmi malý proud.
Je možné, že parametry, které Používám možná nesprávně. Zkontroloval jsem několik dalších zdrojů a našel jsem velmi rozdílné hodnoty potenciální bariéry a tloušťky oxidu. Avšak skutečnost, že mírně eloxovaný hliník se silnější vrstvou oxidu (například několik desítek nm) stále vede elektřinu, mě nutí myslet si, že tunelování není úplným vysvětlením, protože rychlost tunelování exponenciálně klesá s tloušťkou vrstvy oxidu.
Dalším možným vysvětlením může být elektrické zhroucení nebo nějaká jiná změna ve struktuře oxidových krystalů, například tání. Pokud je to však správná odpověď, co přesně se ve vrstvě oxidu změní, aby byla elektricky vodivá? Oxidy obvykle nejsou vodivé, protože atomy kyslíku vychytávají volné elektrony. Přestane se to z nějakého důvodu dít?
Jsem ochoten přijmout dobrou teoretickou odpověď, ale doufám, že pokud možno experimentální důkazy.
Komentáře
- Pokud použijete dostatečně silné elektrické pole, začne izolátor kvůli přerušení elektrického proudu vést elektřinu. U oxidu hlinitého je průrazné elektrické pole ~ 5 MV / cm (IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 47, NO. 1, JANUARY 2000), takže to vypadá, že rozdíl potenciálu pár voltů ve vrstvě 4 nm by měl stačit k Udělejte to.
- @MaximUmansky Rozumím obecnému konceptu elektrického zhroucení, ale tenké vrstvy mají často vyšší napětí, než se očekávalo. Je síla pole rozkladu stále použitelná na film tlustý jen několik nm?
- @MaximUmansky Rovněž, pokud víte o předmětu více, I ‚ Jsem zvědavý, abych se dozvěděl více o tom, co se přesně stane, když se oxidová vrstva rozpadne. Jak se mění krystalová struktura, aby materiál mohl vést elektrický proud? Můžeme pozorovat účinky například pomocí STM?
- @Thorondor Ne, nejsem odborník na elektrické poruchy, jen rychle vyhledal čísla a dospěl k závěru, že to vypadá věrohodně. U 200 nm tenkých vrstev oxidu hlinitého lidé uvádějí 0,1 V / nm pro pole rozkladu. Pouhé googlování poskytuje spoustu referencí.
- Jedním ze způsobů, jak zkontrolovat hypotézu poruchy, je změřit IV křivku z hliníkového plechu. Měl by být jasný skok a možná hystereze. ‚ si nemyslím, že by se to stalo s obyčejným hliníkem, nejpravděpodobnější myšlenka rozpadu je úplná.
Odpověď
Věřím, že @Maxim Umansky má ve svém komentáři pravdu: potenciál rozpadu vrstvy oxidu hlinitého je jen několik voltů (viz např. obr.8 v http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.877.5366&rep=rep1&type=pdf (J. Electrochem. Soc., Solid-State science and technology, říjen 1976, s. 1479). Pro tloušťku vrstvy asi 4 nm dostaneme průrazné napětí několika voltů.
Odpověď
Nativní oxid, který pokrývá hliník, je mírně porézní a póry v nich mají tendenci zadržovat malé množství vlhkosti. To je činí elektrochemicky aktivními a stále tak mírně vodivými.(Ve skutečnosti, aby vrstva oxidu hlinitého v horkém prostředí rostla do tloušťky, vyžaduje to, aby oba atomy hliníku byly schopné difundovat nahoru přes existující oxid, aby dosáhly kyslíku v atmosféře, a atomy kyslíku byly schopné difundovat dolů oxidem do dosáhnout nezreagovaného hliníku pod oxid.)
Aby byl oxidovaný hliníkový povrch bez pórů, musí být hliníkový kus upečen v peci s kyslíkovou atmosférou, aby se tyto póry uzavřely.
Při absenci pórovitosti v oxidu je vodivý mechanismus Frenkelova-Pooleova emise , kde náhodná teplotní fluktuace příležitostně podpoří vázaný elektron do vodivého pásma, kde pak se může unášet pod vlivem vnějšího pole.
Komentáře
- Předpokládejme, že jsem na hliníkovém předmětu úplně seškrábal vrstvu povrchového oxidu na úplně suchém povrchu vzduch. Jakmile se vytvoří nová vrstva oxidu, připojím vodivý drát. Jelikož v oxidu není přítomna žádná vlhkost, změřil bych velmi vysokou (mega / gigaohmovou) rezistenci?
- oxid se tvoří rychle … Tento experiment je třeba provádět v kádinkách plných chemických roztoků a elektrody připojené k napájecímu zdroji a co už. ‚ Je velmi těžké získat ve vzduchu užitečné výsledky.
- @Thorondor, vyhledejte článek Wikipedie na “ eloxování „. Existují určité výroky o rozdílech v kvalitě oxidové vrstvy mezi běžným hliníkem a upraveným hliníkem.
- Nikdy jsem to nezkusil, takže o tom ‚ nevím – ale pamatujte, vy musí vypálit póry v jakémkoli eloxovaném filmu, aby získaly 100% pokrytí oxidu.
- @Thorondor A co papír Elektrická nestabilita kompozitní filmy z oxidu hlinitého jako zdroj této odpovědi? “ Po nějaké době na otevřeném okruhu film, který podporoval několik stovek voltů, najednou udrží maximálně 10–20 V […] Je prokázáno, že je výsledkem difúze vody do vnitřních dutin uvnitř vrstvy oxidové bariéry. Prázdniny se během reformace zaplní anodickým oxidem. “
Odpověď
Inženýrská odpověď je, že proud vůbec neprochází vrstvou oxidu vůbec, a pokud chcete navázat dobrý kontakt s hliníkovým předmětem, musíte být velmi opatrní, jak to děláte.
Pokud jen stisknete měděný drát (například) proti hliníkovému, získáte kontakt s velmi vysokým odporem. Pravděpodobně ne 4 gigohmy, ale možná řádově stovky nebo tisíce ohmů, takže může být něčím v dřívějších odpovědích, které naznačují, že vrstva oxidu je dostatečně křehká, aby se odtrhla a umožnila nějaký kontakt.
Ale například můžete oxid obrousit brusným papírem a poté provést vzduchotěsnost připojení (nebo pájení nebo svařování) druhého předmětu k hliníku, než má oxid čas se znovu zformovat.
Pro dostatečně malé geometrie (jako spojovací vodiče používané k připojení čipů integrovaného obvodu k dědičné olověné rámy) můžete svařovat hliník přímo na jiné materiály, jako je zlato nebo stříbro. To má tendenci podstatně deformovat hliníkový drát, který musí dostatečně rozložit oxid, aby nedocházelo k interferenci s kontaktem.
Nebo můžete použít hliníkový chemický „povlak“ nebo povrchovou úpravu k udržení oxidu od tváření. Jedno z těchto ošetření je označováno několika názvy, například „alodin“, „chromátová konverze“ nebo „chemický film“. (Poznámka: tradiční ošetření alodinem není podle směrnice RoHS použitelné pro výrobky prodávané v Evropě, ale jsou k dispozici novější chemické úpravy přijatelné podle směrnice RoHS)
Nebo můžete k přemístění použít velmi agresivní tavidlo oxid během pájení. Ale tento tok musí být velmi důkladně vyčištěn, aby se zabránilo pokračující korozi vašich dílů.
Komentáře
- Tato odpověď obsahuje spoustu zajímavých informací, ale Jsem ‚ skeptický ohledně myšlenky, že “ proud neprochází oxidem ‚ vrstva velmi dobře vůbec. “ Pokud připojím dvě sondy standardního ohmmetru k kusu hliníkové fólie, ‚ t měřit stovky nebo tisíce ohmů; Měřím v podstatě vůbec žádný odpor.
- “ podstatně zdeformovat hliníkový drát, který musí natolik rozptýlit oxid, aby nedocházelo k jeho rušení s kontaktem. “ – To. Když použijete AL drát, ‚ s specifikací krouticího momentu a antikorozní pastou, kterou musíte použít. Kdysi to podlézalo mnohem více, ale ‚ je to teď mnohem lepší. Pokud jste to utáhli správně, ‚ je to kolem této nepatrné vrstvy.
- Myslím, že nejoblíbenější “ povlak “ pro hliník je CCA
- @DmitryGrigoryev, které ‚ jsou v některých aplikacích běžné, ale v jiných zcela neznámé.
Odpověď
Moje hypotéza je, že vrstva oxidu hlinitého na povrchu kusu hliníku je tak tenká a tvárná, že když měď (řekněme) vodič je přitlačen proti němu, oxid hlinitý je snadno odsunut stranou, takže dojde k elektrickému kontaktu. Věřím, že tunelování QM nemohlo zohlednit velké proudové toky, jaké v takových případech pozorujeme.
Oprava : zatímco vrstva oxidu hlinitého je opravdu velmi tenká (kvůli vysoké reaktivitě hliníku s kyslíkem v kombinaci se schopností oxidu hlinitého zabránit další oxidaci povrchu hliníku, proto může hliník zůstat lesklý), není tvárná, protože ve srovnání s hliníkem. Spojuje velmi pevně a je tvrdé. Jak uvádí odkaz v mém komentáři, odpor vrstvy oxidu hlinitého je nízký jen z důvodu její tenkosti.
Úspěšně jsem pájel měděný vícevláknový drát přímo na hliníkové šasi pouhým poškrábáním hliníkového povrchu pomocí štětec z ocelového drátu opakovaně nanášejte pájku (60/40 olovo / cín kolem taveniny kalafuny) a páječku (typ pistole), poté pájejte drát. Výsledný spoj vypadal dobře a vedl elektřinu bez měřitelného odporu.
Komentáře
- Není ‚ vrstva oxidu silně spojená s hliníkem? Pokud by bylo opravdu tak snadné odtlačit vrstvu oxidu stranou, očekával bych, že uvidím odpadávat drobné kousky filmu z oxidu hlinitého pokaždé, když zatřepu hliníkovým předmětem nebo do něho narazím.
- @Thorondor, You řekl, že vrstva oxidu je silná přibližně čtyři nanometry. To ‚ je méně než 1/100 nejkratší viditelné vlnové délky světla. I když se to oddělilo ve vločkách, ‚ se jich nedočkáte.
- v zásadě můžete vidět rozdíl mezi tím, zda máte atomicky tenké filmy a žádné z nich …. (např. změna kontrastu fialové barvy grafenem na destičce SiO2)
- “ je stisknuto “ – eh, spíš utaženo imbusovým klíčem natolik, že ‚ je v podstatě uvnitř, ale stejně +1 .
- Viděl jsem hliníkové dráty používané v domácích elektrických rozvodech. V tomto případě ano, hliníkové dráty byly přitlačeny k měděným drátům pomocí malých měděných držáků. Odkaz: en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_building_wiring . Sekce “ Oxidace hliníku “ vysvětluje, že vrstva oxidu hlinitého je tak tenká, že její odpor je malý (vrstva oxidu se velmi pevně váže, takže nelze odlupovat). Alumina ve velkém je samozřejmě dobrý izolátor, podobný keramice. Viz také část “ Spojování hliníkových a měděných drátů „, která zmiňuje galvanickou korozi.
Odpověď
Když se oxid hlinitý vytvoří přirozeně, bude nevyhnutelně obsahovat defekty, jako jsou prachové částice, znečištění kovem, zachycená vlhkost atd. Kromě toho tlak aplikovaný na k rozbití vrstvy oxidu stačí mechanické spojení. Výsledkem je, že pokud je kontaktní plocha dostatečně velká, bude účinná tloušťka vrstvy oxidu mnohem menší než očekávaná 4 nm, v podstatě bude nulová. Výsledkem bude, že za typických podmínek nebude měřitelné průrazné napětí, a když připojujete vodiče k hliníkovému předmětu, funguje jednoduše jako vodič.
Mimochodem, oxidová vrstva není jedinečná vlastnost z hliníku. Pozoruhodné je, jak rychle oxiduje (ve většině případů brání pájení) a jak špatná je galvanická koroze, když je spojena s odlišným kovem, jako je měď (což způsobilo mnoho domácích požárů ještě dnes). připojíte dva měděné vodiče, platí stejné uvažování o vrstvách oxidu.
Odpověď
Odpor oxidu hlinitého je 1×10 ^ 14 / cm ohmů. Má dobrou tepelnou vodivost a může snížit odolnost proti tepelným šokům. Oxid hlinitý je velmi užitečný v tom, že je k dispozici v různých stupních čistoty od 94% do 99,9%. Je obvykle bílý, ale někdy růžový (88% alumina) a hnědá (96% alumina). Složení oxidu hlinitého lze snadno změnit, aby se zlepšily určité požadované vlastnosti materiálu, jako je tvrdost nebo barva. Oxid hlinitý je elektricky izolační materiál s vysokým měrným odporem, který se zvyšuje s čistotou.
I když je to dobrý izolátor, není to čistý izolátor, takže aktuální vůle cestovat skrz to.