Supongamos que conecto un cable conductor (sección transversal de 1 mm $ ^ 2 $ ) a un objeto de aluminio. Dado que el aluminio es altamente conductor, la electricidad fluirá suavemente dentro del objeto con poca resistencia. Sin embargo, dado que el aluminio también es muy reactivo, hay una capa delgada de óxido de aluminio altamente resistente en la superficie del objeto. Wikipedia dice que esta capa tiene aproximadamente 4 nm de grosor (citando este artículo ). Ingenuamente, podemos calcular la resistencia de la capa de óxido usando la resistividad de la alúmina, que es aproximadamente $ 10 ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ aproximadamente 4 \ times 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Por supuesto, en realidad no medimos una resistencia tan grande. ¿Pero por qué no? ¿Cómo pasa exactamente una corriente eléctrica ¿la capa de óxido?
La respuesta obvia es que los electrones simplemente hacen un túnel a través de la capa de óxido. Así que calculemos la probabilidad de túnel. Según este documento de MIT OpenCourseWare , la capa de óxido de aluminio presenta una barrera potencial de 10 eV. Luego, el coeficiente de transmisión a través de una capa de 4 nm viene dado por
$$ T \ approx e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ right) (4 \ text {nm})} = 5.16 \ times 10 ^ {- 57} $$
Esto es un número extremadamente pequeño. En principio, ahora podríamos encontrar la tasa real a partir de la densidad de estados y la regla de oro de Fermi, pero parece probable que el resultado sea una corriente muy pequeña.
Es posible que los parámetros que Que estoy usando puede ser incorrecto. Revisé algunas otras fuentes y encontré valores muy variables para la barrera potencial y el espesor del óxido. Sin embargo, el hecho de que el aluminio ligeramente anodizado con una capa de óxido más gruesa (por ejemplo, unas pocas decenas de nm) todavía conduzca electricidad me hace pensar que la tunelización no es una explicación completa, ya que la tasa de tunelización disminuye exponencialmente con el espesor de la capa de óxido.
Otra posible explicación podría ser una avería eléctrica o algún otro cambio en la estructura del cristal de óxido, como la fusión. Pero si esta es la respuesta correcta, ¿qué cambia exactamente en la capa de óxido para hacerla conductora de electricidad? Normalmente, los óxidos no son conductores porque los átomos de oxígeno eliminan los electrones libres. ¿Esto deja de suceder por alguna razón?
Estoy dispuesto a aceptar una buena respuesta teórica, pero espero evidencia experimental si es posible.
Comentarios
- Si aplica un campo eléctrico lo suficientemente fuerte, entonces un aislante comienza a conducir electricidad debido a una falla eléctrica. Para el óxido de aluminio, el campo eléctrico de ruptura es de ~ 5 MV / cm (TRANSACCIONES IEEE EN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS, VOL. 47, NO. 1, ENERO DE 2000), por lo que parece que una diferencia de potencial de un par de voltios a través de la capa de 4 nm debería ser suficiente para hágalo.
- @MaximUmansky Entiendo el concepto general de ruptura eléctrica, pero las películas delgadas a menudo tienen voltajes de ruptura más altos de lo esperado. ¿La intensidad del campo de ruptura sigue siendo aplicable a una película de solo unos pocos nm de grosor?
- @MaximUmansky Además, si sabe más sobre el tema, ‘ Tengo curiosidad por saber más sobre qué sucede exactamente cuando se rompe una capa de óxido. ¿Cómo cambia la estructura del cristal para permitir que el material conduzca corriente eléctrica? ¿Podemos observar los efectos con, digamos, un STM?
- @Thorondor No, no soy un experto en averías eléctricas, simplemente busqué los números rápidamente y concluí que parece plausible. Para películas delgadas de 200 nm de óxido de aluminio, las personas reportan 0.1 V / nm para el campo de ruptura. Solo buscarlo en Google ofrece muchas referencias.
- Una forma de verificar una hipótesis de ruptura es medir una curva IV de una lámina de aluminio. Debe haber un salto claro y posiblemente histéresis. No ‘ creo que ninguna de las dos cosas suceda con el aluminio ordinario, lo más probable es que la idea de avería sea completa.
Respuesta
Creo que @Maxim Umansky tiene razón en su comentario: el potencial de ruptura de la capa de óxido de aluminio es solo de unos pocos voltios (ver, por ejemplo, la figura 8 en 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, octubre de 1976, p. 1479). Para un espesor de capa de aproximadamente 4 nm obtenemos un voltaje de ruptura de unos pocos voltios.
Respuesta
El óxido nativo que recubre el aluminio es ligeramente poroso , y los poros tienden a atrapar pequeñas cantidades de humedad en ellos, lo que los vuelve electroquímicamente activos y ligeramente conductores.(De hecho, para que la capa de óxido de aluminio crezca en espesor en ambientes cálidos requiere que ambos átomos de aluminio sean capaces de difundirse a través del óxido existente para alcanzar oxígeno en la atmósfera y los átomos de oxígeno sean capaces de difundirse hacia abajo a través del óxido a alcanzar el aluminio sin reaccionar debajo del óxido.)
Para que una superficie de aluminio oxidado esté libre de poros, la pieza de aluminio debe hornearse en un horno con una atmósfera de oxígeno para cerrar esos poros.
En ausencia de porosidad en el óxido, el mecanismo de conducción es la emisión de Frenkel-Poole , donde una fluctuación térmica aleatoria ocasionalmente promoverá un electrón ligado en la banda de conducción, donde luego puede desplazarse bajo la influencia de un campo externo.
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- Supongamos que raspé la capa de óxido de la superficie del objeto de aluminio en un lugar completamente seco aire. Después de que se forma una nueva capa de óxido, coloco un cable conductor. Dado que no hay humedad presente en el óxido, ¿mediría una resistencia muy alta (mega / gigaohmios)?
- el óxido se forma rápidamente … Este tipo de experimento debe realizarse en vasos de precipitados llenos de soluciones químicas y electrodos conectados a fuentes de alimentación y demás. Es ‘ muy difícil obtener resultados útiles en el aire.
- @Thorondor, busque el artículo de Wikipedia sobre » anodizado «. Hay algunas afirmaciones sobre las diferencias en la calidad de la capa de óxido entre el aluminio normal y el aluminio tratado.
- Nunca lo probé, por lo que ‘ no lo sé, pero recuerde, usted tienen que hornear los poros en cualquier película anodizada para obtener una cobertura del 100% del óxido.
- @Thorondor ¿Qué pasa con el papel Inestabilidad eléctrica de películas compuestas de óxido de aluminio como fuente de esta respuesta? » Después de algún tiempo en circuito abierto, una película que había soportado varios cientos de voltios repentinamente no soportará más de 10-20 V […] Se ha demostrado que es el resultado de la difusión de agua en huecos internos dentro de la capa de óxido de barrera. Los huecos se llenan de óxido anódico durante la reforma. »
Respuesta
La respuesta de ingeniería es que la corriente no pasa muy bien a través de la capa de óxido, y si desea hacer un buen contacto con un objeto de aluminio, debe tener mucho cuidado al hacerlo.
Si presiona un cable de cobre (por ejemplo) contra uno de aluminio, obtendrá un contacto de muy alta resistencia. Probablemente no 4 gigohms, pero tal vez del orden de cientos o miles de ohms, por lo que puede haber ser algo de las respuestas anteriores que sugieren que la capa de óxido es lo suficientemente frágil como para desprenderse y permitir algún contacto.
Pero, por ejemplo, puede raspar el óxido con papel de lija y luego hacer un conexión de (o soldar o soldar) el otro objeto al aluminio antes de que el óxido tenga tiempo de volver a formarse.
Para geometrías lo suficientemente pequeñas (como los cables de unión utilizados para conectar chips de circuitos integrados at herederos marcos de plomo) puede soldar a presión el aluminio directamente a otros materiales como el oro o la plata. Esto tiende a deformar sustancialmente el alambre de aluminio, que debe esparcir el óxido lo suficiente para evitar que interfiera con el contacto.
O puede usar un «recubrimiento» químico o un tratamiento de superficie en el aluminio para mantener el óxido de la formación. Uno de estos tratamientos recibe varios nombres, como «Alodine», «conversión de cromato» o «película química». (Nota: el tratamiento tradicional con alodina no se puede utilizar para productos que se venderán en Europa debido a la directiva RoHS, pero hay tratamientos químicos más nuevos disponibles que son aceptables según RoHS)
O puede usar un fundente muy agresivo para desplazar el óxido durante la soldadura. Pero este fundente debe limpiarse muy a fondo para evitar la corrosión continua de sus piezas.
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- Esta respuesta tiene bastante información interesante, pero Soy ‘ escéptico acerca de la idea de que la » corriente no ‘ t atraviesa el óxido capa muy bien. » Si conecto las dos sondas de un ohmímetro estándar a un trozo de papel de aluminio, no ‘ t mida cientos o miles de ohmios; Básicamente, no mido ninguna resistencia.
- » deforma sustancialmente el alambre de aluminio, que debe esparcir el óxido lo suficiente para evitar que interfiera con el contacto. » – Eso. Cuando usa alambre AL hay ‘ s una especificación de torque y pasta anticorrosión que debe usar. Solía estar mucho más sujeto a los cambios, pero ahora ‘ es mucho mejor. Si lo aprietas bien, ‘ pasa de esa capa minúscula.
- Creo que el » revestimiento » más popular es para aluminio es CCA
- @DmitryGrigoryev, que ‘ es común en algunas aplicaciones, pero completamente desconocido en otras.
Respuesta
Mi hipótesis es que la capa de óxido de aluminio en la superficie de una pieza de aluminio es tan delgada y maleable que cuando un cobre (digamos) el conductor se presiona contra él, el óxido de aluminio se aparta fácilmente para que se establezca el contacto eléctrico. Creo que la tunelización de QM no podría explicar los grandes flujos de corriente como los que observamos en tales casos.
Corrección : si bien la capa de alúmina es realmente muy delgada (debido a la alta reactividad al oxígeno del aluminio combinada con la capacidad del óxido de aluminio para evitar una mayor oxidación de la superficie del aluminio, por lo que el aluminio puede permanecer brillante), no es maleable como en comparación con el aluminio. Se adhiere muy fuerte y es duro. Como dice la referencia en mi comentario, la resistencia de la capa de alúmina es baja solo por su delgadez.
He soldado con éxito un cable de múltiples hilos de cobre directamente a un chasis de aluminio simplemente raspando la superficie de aluminio con un cepillo de alambre de acero repetidamente mientras aplica la soldadura (60/40 plomo / estaño alrededor del fundente de colofonia) y el soldador (tipo pistola), luego suelda en el alambre. La junta resultante se veía bien y conducía electricidad sin resistencia medible.
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- Isn ‘ t el capa de óxido adherida fuertemente al aluminio? Si fuera tan fácil empujar la capa de óxido a un lado, esperaría ver pequeños trozos de película de óxido de aluminio que se caen cada vez que sacudo un objeto de aluminio o lo golpeo contra algo.
- @Thorondor, Tú Dijo que la capa de óxido tiene aproximadamente cuatro nanómetros de espesor. Eso ‘ es menos de 1/100 de las longitudes de onda de luz visibles más cortas. Incluso si se desprendiera en escamas, no ‘ no los verá.
- En principio, dependiendo de los sustratos, puede ver la diferencia entre tener películas atómicamente delgadas y sin ninguna de ellas …. (por ejemplo, cambio de contraste de color púrpura por el grafeno en la oblea de SiO2)
- » se presiona » – eh, más como apretado con una llave Allen tanto que ‘ está básicamente dentro, pero +1 de todos modos .
- He visto cables de aluminio utilizados en el cableado eléctrico doméstico. En este caso, sí, los alambres de aluminio se presionaron contra los alambres de cobre usando pequeños soportes de cobre. Referencia: en.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . La sección » Oxidación de aluminio » explica que la capa de alúmina es tan delgada que su resistencia es pequeña (la capa de óxido se adhiere muy fuerte, por lo que no puede desprenderse). Por supuesto, la alúmina a granel es un buen aislante, similar a la cerámica. Consulte también la sección » Unión de alambres de aluminio y cobre «, que menciona la corrosión galvánica.
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Cuando el óxido de aluminio se forma de forma natural, inevitablemente contendrá defectos como partículas de polvo, contaminación por metales, humedad atrapada, etc. Además, la presión aplicada al La conexión mecánica es suficiente para romper la capa de óxido. Como resultado, si el área de contacto es suficientemente grande, el espesor efectivo de la capa de óxido será mucho menor que los 4 nm esperados, esencialmente será cero. Como resultado, no habrá voltaje de ruptura medible en condiciones típicas, y cuando conecta cables a un objeto de aluminio, simplemente actúa como un conductor.
Por cierto, la capa de óxido no es una característica única de aluminio. Lo que es notable es la rapidez con la que se oxida (evitando la soldadura en la mayoría de los casos) y la gravedad de la corrosión galvánica cuando está conectada a un metal diferente como el cobre (que causó muchos incendios en las casas en el pasado). Pero esencialmente, cuando si conecta dos cables de cobre, se aplica el mismo razonamiento sobre las capas de óxido.
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La resistencia del óxido de aluminio es 1×10 ^ 14 / cm ohmios. Tiene buena conductividad térmica y puede reducir la resistencia al choque térmico. La alúmina es muy útil porque está disponible en una variedad de rangos de pureza del 94% al 99,9%. Suele ser blanca, pero a veces es rosa (88% alúmina) y marrón (96% de alúmina). La composición del óxido de aluminio se puede cambiar fácilmente para mejorar ciertas características deseables del material, como la dureza o el color. El óxido de aluminio es un material eléctricamente aislante con alta resistividad que aumenta con la pureza.
Si bien es un buen aislante, no es un aislante puro, por lo que la corriente viajar a través de él.