Antag at jeg forbinder en ledende ledning (tværsnit 1 mm $ ^ 2 $ ) til en aluminiumsgenstand. Da aluminium er meget ledende, vil elektricitet flyde glat inde i objektet med lidt modstand. Da aluminium imidlertid også er meget reaktivt, er der et tyndt lag af meget modstandsdygtig aluminiumoxid på objektets overflade. Wikipedia siger, at dette lag handler om 4 nm tykt (med henvisning til dette papir ). Naivt kan vi beregne oxidlagets modstand ved hjælp af resistens af aluminiumoxid, som er omkring $ 10 ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ ca. 4 \ gange 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Selvfølgelig måler vi faktisk ikke så stor modstand. Men hvorfor ikke? Hvordan går en elektrisk strøm nøjagtigt igennem oxidlaget?
Det åbenlyse svar er, at elektroner simpelthen tunnel gennem oxidlaget. Så lad os beregne tunnelsandsynligheden. Ifølge dette dokument fra MIT OpenCourseWare præsenterer aluminiumoxidlaget en potentiel barriere på 10 eV. Derefter gives transmissionskoefficienten over et 4 nm lag af
$$ T \ approx e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} højre) (4 \ tekst {nm})} = 5,16 \ gange 10 ^ {- 57} $$
Dette er et ekstremt lille antal. I princippet kunne vi nu finde den faktiske hastighed fra tætheden af stater og Fermis gyldne regel, men det synes sandsynligt, at resultatet vil være en meget lille strøm.
Det er muligt, at de parametre, der Jeg bruger muligvis forkert. Jeg tjekkede et par andre kilder og fandt meget forskellige værdier for den potentielle barriere og oxidtykkelse. Det faktum, at let anodiseret aluminium med et tykkere oxidlag (for eksempel nogle få titusinder af nm) stadig leder elektricitet får mig til at tro, at tunneling ikke er en fuld forklaring, da tunnelfrekvensen falder eksponentielt med oxidlagstykkelsen.
En anden mulig forklaring kan være elektrisk nedbrydning eller en anden ændring i oxidkrystalstrukturen, såsom smeltning. Men hvis dette er det rigtige svar, hvad ændres der nøjagtigt i oxidlaget for at gøre det elektrisk ledende? Normalt er oxider ikke ledende, fordi iltatomerne renser frie elektroner. Holder dette op af en eller anden grund?
Jeg er villig til at acceptere et godt teoretisk svar, men jeg håber på eksperimentel dokumentation, hvis det er muligt.
Kommentarer
- Hvis du anvender stærkt nok elektrisk felt, begynder en isolator at lede elektricitet på grund af elektrisk nedbrud. For aluminiumoxid er det elektriske felts nedbrydning ~ 5 MV / cm (IEEE-TRANSAKTIONER PÅ ELEKTRONISKE ENHEDER, VOL. 47, NO. 1, JANUAR 2000), så det ser ud til, at et par volt potentialeforskel over 4 nm-laget skal være nok til gør det.
- @MaximUmansky Jeg forstår det generelle koncept for elektrisk nedbrydning, men tynde film har ofte højere nedbrydningsspændinger end forventet. Er fordelingsfeltstyrken stadig gældende for en film kun få nm tyk?
- @MaximUmansky Hvis du tilfældigvis ved mere om emnet, så ‘ Jeg er nysgerrig efter at lære mere om, hvad der præcist sker, når et oxidlag bryder sammen. Hvordan ændres krystalstrukturen, så materialet kan lede elektrisk strøm? Kan vi observere effekterne med f.eks. En STM?
- @Thorondor Nej, jeg er ikke ekspert på elektrisk nedbrydning, jeg kiggede bare hurtigt op på tallene og konkluderede, at det ser plausibelt ud. For 200 nm rapporterer tynde film af aluminiumoxid 0,1 V / nm for nedbrydningsfeltet. Bare googling det giver masser af referencer.
- En måde at kontrollere en sammenbrudshypotese er at måle en IV-kurve af aluminiumsplader. Der skal være et klart spring og muligvis hysterese. Jeg tror ikke ‘ at begge ting sker med almindeligt aluminium, sandsynligvis er sammenbrudstanken den fulde stody.
Svar
Jeg tror @Maxim Umansky er korrekt i sin kommentar: nedbrydningspotentialet for aluminiumoxidlaget er kun et par volt (se f.eks. figur 8 i 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, oktober 1976, s. 1479). Til en lagtykkelse på ca. 4 nm får vi en nedbrydningsspænding på nogle få volt.
Svar
Det native oxid, der dækker aluminium, er let porøst og porerne har tendens til at fange små mængder fugt i dem. Dette gør dem elektrokemisk aktive og altid så let ledende.(For at aluminiumoxidlaget skal vokse i tykkelse i varme miljøer, kræves det, at begge aluminiumatomer er i stand til at diffundere op gennem det eksisterende oxid for at nå ilt i atmosfæren, og iltatomerne er i stand til at diffundere ned gennem oxiden til nå ureageret aluminium under oxiden.)
For at gøre en oxideret aluminiumsoverflade porefri skal aluminiumstykket bages i en ovn med en iltatmosfære i for at lukke for disse porer.
I mangel af porøsitet i oxidet er ledningsmekanismen Frenkel-Poole-emission hvor en tilfældig termisk udsving lejlighedsvis fremmer en bundet elektron ind i ledningsbåndet, hvor den kan derefter glide under påvirkning af et eksternt felt.
Kommentarer
- Antag, at jeg skrabet overfladeoxidlaget på aluminiumgenstanden helt tørt luft. Når et nyt oxidlag er dannet, fastgør jeg en ledende ledning. Da der ikke er fugt i oxiden, ville jeg måle en meget høj modstand (mega / gigaohms)?
- oxiden dannes hurtigt … Denne form for eksperiment skal udføres i bægerglas fulde af kemiske løsninger og elektroder tilsluttet strømforsyninger og andet. Det ‘ er meget svært at få nyttige resultater i luften.
- @Thorondor, slå Wikipedia-artiklen op på ” anodisering “. Der er nogle udsagn om forskelle i oxidlagskvaliteten mellem almindeligt aluminium og behandlet aluminium
- har aldrig prøvet det, så jeg ved ikke ‘ men husk, du er nødt til at bage porerne ud i en hvilken som helst anodiseret film for at få 100% dækning af oxidet.
- @Thorondor Hvad med papiret Elektrisk ustabilitet af sammensatte aluminiumoxidfilm som kilde til dette svar? ” Efter nogen tid på åbent kredsløb vil en film, der havde understøttet flere hundrede volt, pludselig ikke opretholde mere end 10–20 V […] Det er vist at det skyldes vanddiffusion ind i indre hulrum i barriereoxidlaget. Hulrummene bliver fyldt med anodisk oxid under reformationen. ”
Svar
Det tekniske svar er, at strømmen slet ikke passerer gennem oxidlaget, og hvis du vil skabe en god kontakt med en aluminiumsgenstand, skal du være meget forsigtig med, hvordan du gør det.
Hvis du bare trykker en kobbertråd (for eksempel) mod en aluminium, får du en meget høj modstandskontakt. Sandsynligvis ikke 4 gigohms, men måske i størrelsesordenen hundreder eller tusinder af ohm, så der kan være være noget af de tidligere svar, der antyder, at oxidlaget er skrøbeligt nok til at bryde væk og give mulighed for kontakt.
Men for eksempel kan du slibe oxiden væk med sandpapir og derefter lave en lufttæt forbindelse af (eller lodning eller svejsning) af det andet objekt til aluminiumet, før oxidet har tid til at omformes.
Til små nok geometrier (som bond-wires, der bruges til at forbinde integrerede kredsløbschips til t arveblyrammer) kan du tryksvejse aluminium direkte til andre materialer som guld eller sølv. Dette har en tendens til at deformere aluminiumtråden væsentligt, som skal sprede oxiden nok ud til at forhindre, at den forstyrrer kontakten.
Eller du kan bruge en kemisk “belægning” eller overfladebehandling på aluminiumet for at holde oxiden fra dannelse. En af disse behandlinger går under flere navne, såsom “Alodine”, “chromate conversion” eller “chem film”. (Bemærk: traditionel Alodine-behandling kan ikke bruges til produkter, der skal sælges i Europa på grund af RoHS-direktivet, men der findes nyere kemiske behandlinger, der er acceptable under RoHS)
Eller du kan bruge en meget aggressiv flux til at fortrænge oxid under lodning. Men denne flux skal rengøres meget grundigt for at undgå fortsat korrosion af dine dele.
Kommentarer
- Dette svar har en hel del interessant information, men Jeg ‘ er skeptisk over for ideen om, at ” strøm ‘ t passerer gennem oxiden lag overhovedet meget godt. ” Hvis jeg forbinder de to sonder til et standard ohmmeter til et stykke aluminiumsfolie, donerer jeg ikke ‘ t måle hundreder eller tusinder af ohm; Jeg måler stort set ingen modstand overhovedet.
- ” deformerer aluminiumtråden væsentligt, som skal sprede oxiden nok til at forhindre, at den forstyrrer med kontakten. ” – Det. Når du bruger AL-ledning, er der ‘ en momentspecifikation og korrosionsbeskyttende pasta, du skal bruge. Det plejede at være meget mere udsat for krybning, men det ‘ er meget bedre nu. Hvis du drejede det rigtigt, er det ‘ langt forbi det minuscule lag.
- Jeg synes, at den mest populære ” coating ” er til aluminium er CCA
- @DmitryGrigoryev, at ‘ er almindelig i nogle applikationer, men fuldstændig ukendt i andre.
Svar
Min hypotese er, at laget af aluminiumoxid på overfladen af et stykke aluminium er så tyndt og formbart, at når et kobber (siger) leder presses mod den, aluminiumoxidet skubbes let til side, så der er elektrisk kontakt. Jeg tror, at QM-tunneling ikke kunne tage højde for de store strømme, som vi observerer i sådanne tilfælde.
Korrektion : mens aluminiumoxidlaget faktisk er meget tyndt (på grund af aluminiums høje iltreaktivitet kombineret med aluminiumoxids evne til at forhindre yderligere oxidation af aluminiumsoverfladen, hvorfor aluminium kan forblive skinnende), er det ikke formbart som sammenlignet med aluminium. Det binder meget tæt og er hårdt. Som henvisningen i min kommentar siger, er modstanden af aluminiumoxidlaget lav kun på grund af dets tyndhed.
Jeg har med succes loddet en multistrandtråd af kobber direkte på et aluminiums chassis ved simpelthen at ridse aluminiumsoverfladen med en stålbørste gentagne gange, mens loddet påføres (60/40 bly / tin omkring kolofoniumflux) og loddekolben (pistoltype) og loddes derefter i tråden. Den resulterende samling så godt ud og ledede elektricitet uden målbar modstand.
Kommentarer
- Er ikke ‘ t den oxidlag bundet stærkt til aluminiumet? Hvis det virkelig var så let at skubbe oxidlaget til side, ville jeg forvente at se små stykker aluminiumoxidfilm falde af, hver gang jeg ryste en aluminiumsgenstand eller ramme den mod noget.
- @Thorondor, dig sagde, at oxidlaget er ca. fire nanometer tykt. At ‘ er mindre end 1/100 af de korteste synlige bølgelængder af lys. Selvom det kom ud med flager, vil du ikke ‘ ikke se dem.
- I princippet kan du, afhængigt af underlag, se forskellen mellem at have atomisk tynde film og ikke har nogen af dem …. (f.eks. ændring af lilla farvekontrast ved hjælp af grafen på SiO2-wafer)
- ” trykkes ” – eh, mere som strammet ned med en unbrakonøgle så meget, at den ‘ dybest set er inde i den, men alligevel +1 .
- Jeg har set aluminiumsledninger brugt i elektriske ledninger til husholdninger. I dette tilfælde, ja, blev aluminiumtrådene presset mod kobbertrådene ved hjælp af små kobberbeslag. Reference: da.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . Afsnit ” Aluminiumoxidation ” forklarer, at aluminiumoxidlaget er så tyndt, at dets modstand er lille (oxidlaget binder meget tæt, så det kan ikke flage af). Naturligvis er aluminiumoxid i bulk en god isolator, der ligner keramik. Se også afsnit ” Sammenføjning af aluminiums- og kobbertråde “, der nævner galvanisk korrosion.
Svar
Når aluminiumoxid dannes naturligt, vil det uundgåeligt indeholde defekter som støvpartikler, metalforurening, fanget fugt osv. Derudover vil det tryk, der påføres mekanisk forbindelse er nok til at bryde oxidlaget. Som et resultat, hvis kontaktarealet er stort nok, vil den effektive tykkelse af oxidlaget være meget mindre end den forventede 4 nm, i det væsentlige vil det være nul. Som et resultat vil der ikke være nogen målbar nedbrydningsspænding under typiske forhold, og når du forbinder ledninger til en aluminiumsgenstand, fungerer den simpelthen som en leder.
Forresten er oxidlag ikke en unik funktion af aluminium. Det bemærkelsesværdige er, hvor hurtigt det oxiderer (forhindrer lodning i de fleste tilfælde), og hvor dårlig den galvaniske korrosion er, når den er forbundet med et andet metal som kobber (hvilket forårsagede mange husbrande tilbage på dagen). Men i det væsentlige, når du forbinder to kobbertråde, den samme ræsonnement om oxidlag gælder.
Svar
Aluminiumoxids modstand er 1×10 ^ 14 / cm ohm. Det har god varmeledningsevne og kan reducere modstandsdygtighed overfor termisk stød. Alumina er meget nyttigt, fordi den fås i en række forskellige renhedsgrader fra 94% til 99,9%. Den er normalt hvid, men er undertiden lyserød (88% aluminiumoxid) og brun (96% aluminiumoxid). Sammensætningen af aluminiumoxid kan let ændres for at forbedre visse ønskelige materialekarakteristika såsom hårdhed eller farve. Aluminiumoxid er et elektrisk isolerende materiale med høj resistivitet, der øges med renhed.
Selvom det er en god isolator, er det ikke en ren isolator, så den nuværende vil rejse igennem det.