Oletetaan, että liitän johtavan johdon (poikkileikkaus 1 mm $ ^ 2 $ ) alumiiniesine. Koska alumiini on erittäin johtavaa, sähkö virtaa sujuvasti esineen sisällä ja vähän vastusta. Koska alumiini on kuitenkin myös hyvin reaktiivinen, esineen pinnalla on ohut kerros erittäin resistiivistä alumiinioksidia. Wikipedian mukaan tämä kerros on noin 4 nm paksu (lainaten tätä paperia ). Naivisti voimme laskea oksidikerroksen resistanssin käyttämällä alumiinioksidin resistiivisyyttä, joka on noin $ 10 ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ noin 4 kertaa 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Emme tietenkään mittaa niin suurta vastusta. Mutta miksi ei? Kuinka tarkalleen sähkövirta kulkee oksidikerros?
Ilmeinen vastaus on, että elektronit tunneloituvat yksinkertaisesti oksidikerroksen läpi. Lasketaan siis tunnelointitodennäköisyys. tämän MIT OpenCourseWare -asiakirjan mukaan alumiinioksidikerroksella on 10 eV: n mahdollinen este. Tällöin 4 nm: n kerroksen läpäisykerroin saadaan:
$$ T \ approx e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ oikea) (4 \ text {nm})} = 5.16 \ kertaa 10 ^ {- 57} $$
Tämä on erittäin pieni määrä. Periaatteessa voimme nyt löytää todellisen nopeuden tilojen tiheydestä ja Fermin kultaisesta säännöstä, mutta näyttää todennäköiseltä, että tulos on hyvin pieni virta.
On mahdollista, että parametrit, jotka Käytän väärin. Tarkistin muutamia muita lähteitä ja löysin suuresti vaihtelevat potentiaalisen esteen ja oksidin paksuuden arvot. Se tosiasia, että hieman anodisoitu paksumman oksidikerroksen (esimerkiksi muutama kymmenen nm) alumiini johtaa silti sähköä, saa minut ajattelemaan, että tunnelointi ei ole täydellinen selitys, koska tunnelointinopeus pienenee eksponentiaalisesti oksidikerroksen paksuuden kanssa. p>
Toinen mahdollinen selitys voi olla sähköinen hajoaminen tai jokin muu muutos oksidikiteiden rakenteessa, kuten sulaminen. Mutta jos tämä on oikea vastaus, mikä tarkalleen muuttaa oksidikerrosta, jotta se olisi sähköä johtava? Normaalisti oksidit eivät ole johtavia, koska happiatomit poistavat vapaita elektroneja. Lopetetaanko tämä jostain syystä?
Olen valmis hyväksymään hyvän teoreettisen vastauksen, mutta toivon kokeellisia todisteita, jos mahdollista.
Kommentit
- Jos syötät tarpeeksi voimakasta sähkökenttää, eristin alkaa johtaa sähköä sähkökatkon vuoksi. Alumiinioksidin hajoamisen sähkökenttä on ~ 5 MV / cm (IEEE-TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 47, NO. 1, TAMMIKUU 2000), joten näyttää siltä, että parin voltin potentiaalieron 4 nm: n kerroksessa pitäisi olla riittävä tee se.
- @MaximUmansky Ymmärrän yleisen käsityksen sähköisestä hajoamisesta, mutta ohuilla kalvoilla on usein odotettua korkeammat rikkoutumisjännitteet. Onko rikkomiskentän voimakkuus edelleen sovellettavissa vain muutaman nm: n paksuiseen elokuvaan?
- @MaximUmansky Jos myös satut tietämään aiheesta, minä ’ Olen utelias oppimaan lisää siitä, mitä tapahtuu, kun oksidikerros hajoaa. Kuinka kiteen rakenne muuttuu, jotta materiaali voi johtaa sähkövirtaa? Voimmeko tarkkailla vaikutuksia esimerkiksi STM: llä?
- @Torondor Ei, en ole sähkökatkojen asiantuntija, etsin vain numerot nopeasti ja päädyin siihen, että se näyttää uskottavalta. 200 nm: n ohuissa alumiinioksidikalvoissa ihmiset ilmoittavat 0,1 V / nm hajoamiskentästä. Pelkkä Google-selaus antaa runsaasti viitteitä.
- Yksi tapa tarkistaa hajoamishypoteesi on mitata alumiinilevyn IV-käyrä. Tulee olla selkeä hyppy ja mahdollisesti hystereesi. En usko ’, että kumpikaan tapahtuisi tavallisen alumiinin kanssa, todennäköisesti hajoamisen idea on koko varsi.
Vastaa
Uskon @Maxim Umansky olevan oikeassa kommentissaan: alumiinioksidikerroksen hajoamispotentiaali on vain muutama volttia (katso esim. kuva 8 kohdassa http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.877.5366&rep=rep1&type=pdf (J. Electrochem. Soc., Kiinteän valtion tiede ja tekniikka, lokakuu 1976, s. 1479). Kerroksen paksuudelle noin 4 nm: n hajoamisjännite on muutama volttia.
Vastaus
Alkuperäinen alumiini päällystävä oksidi on hieman huokoinen , ja huokosilla on taipumus vangita pieniä määriä kosteutta niihin, mikä tekee niistä sähkökemiallisesti aktiivisia ja aina niin vähän johtavia.(Itse asiassa, jotta alumiinioksidikerroksen paksuus kasvaisi kuumissa olosuhteissa, edellytetään, että sekä alumiiniatomit pystyvät diffundoitumaan olemassa olevan oksidin läpi päästäkseen happeen ilmakehässä, että happiatomit kykenevät diffundoitumaan oksidin läpi päästä reagoimattomaan alumiiniin oksidin alle.)
Hapettuneen alumiinin pinnan tekemiseksi huokosettomaksi alumiinikappale on paistettava uunissa, jossa on happiatmosfääri, huokosten sulkemiseksi.
Huokoisuuden puuttuessa oksidista johtumismekanismi on Frenkel-Poole -emissio , jossa satunnainen lämpövaihtelu edistää toisinaan sitoutunutta elektronia johtokanavaan, missä se voi sitten ajautua ulkoisen kentän vaikutuksesta.
Kommentit
- Oletetaan, että kaavin pois alumiiniesineen pinnan oksidikerroksen täysin kuivana ilmaa. Kun uusi oksidikerros on muodostunut, kiinnitän johtavan johdon. Koska oksidissa ei ole kosteutta, mittaisinko erittäin korkean (mega / gigaohm) vastuksen?
- oksidi muodostuu nopeasti … Tällainen koe on tehtävä dekantterilaseissa, jotka ovat täynnä kemiallisia liuoksia ja virtalähteisiin liitetyt elektrodit ja mitä muuta. ’ on erittäin vaikea saada hyödyllisiä tuloksia ilmassa.
- @Thorondor, etsi Wikipedia-artikkeli aiheesta ” anodisointi ”. On joitain lausuntoja oksidikerroksen laadun eroista tavallisen alumiinin ja käsitellyn alumiinin välillä
- ei ole koskaan kokeillut sitä, joten en tiedä ’ en tiedä – mutta muistan, että sinä täytyy leipoa huokoset missä tahansa anodisoidussa kalvossa saadaksesi 100% oksidia.
- @Thorondor Entä paperi komposiitti-alumiinioksidikalvot tämän vastauksen lähteenä? ” Jonkin ajan kuluttua avoimessa piirissä useita satoja volttia kannattanut kalvo yllättäen ylläpitää korkeintaan 10–20 V […] Sen on osoitettu johtuvan veden diffuusiosta sisäkammioihin suojaoksidikerroksen sisällä. Tyhjät tilat täyttyvät anodisella oksidilla uudistamisen aikana. ”
Vastaa
Suunnitteluvastaus on, että virta ei kulje ollenkaan hyvin oksidikerroksen läpi, ja jos haluat saada hyvän kontaktin alumiiniesineeseen, sinun on oltava hyvin varovainen sen suhteen, miten teet sen.
Jos painat vain kuparilangan (esimerkiksi) alumiinijohtoa vasten, saat erittäin korkean vastuksen kontaktin. Todennäköisesti ei 4 gigohmia, mutta ehkä satojen tai tuhansien ohmien luokkaa, joten voi ole jotain aikaisemmista vastauksista, jotka viittaavat siihen, että oksidikerros on tarpeeksi herkkä irtoamaan ja päästämään kosketuksiin.
Mutta esimerkiksi voit hiertää oksidin pois hiekkapaperilla ja tehdä sitten ilmatiiviiksi toisen esineen kytkeminen alumiiniin (tai juotos tai hitsaus) ennen kuin oksidilla on aikaa muodostaa uudelleen.
Riittävän pienille geometrioille (kuten integroitujen piirien sirujen liittämiseen t-johtoihin) perijän lyijykehykset), voit painaa hitsata alumiinia suoraan muihin materiaaleihin, kuten kulta tai hopea. Tämä pyrkii deformoimaan alumiinilangan olennaisesti, minkä on levitettävä oksidi tarpeeksi, jotta se ei häiritse kosketusta.
Tai voit käyttää kemiallista ”pinnoitetta” tai pintakäsittelyä alumiinille pitämään oksidin muodostumisesta. Yksi näistä hoidoista menee useilla nimillä, kuten ”Alodiini”, ”kromaattimuunnos” tai ”kemikalvo”. (Huomaa: perinteistä alodiinihoitoa ei voida käyttää Euroopassa myytäviin tuotteisiin RoHS-direktiivin vuoksi, mutta saatavilla on uudempia kemikaaleja, jotka ovat hyväksyttäviä RoHS-direktiivin mukaisesti.)
Tai voit käyttää erittäin aggressiivista juoksutusta syrjäyttämään oksidi juottamisen aikana. Mutta tämä juoksutus on puhdistettava hyvin perusteellisesti, jotta osien jatkuva korroosio vältetään.
Kommentit
- Tässä vastauksessa on melko vähän mielenkiintoista tietoa, mutta Olen ’ skeptinen ajatuksesta, että ” virta ei ’ kulkeudu oksidin läpi ” Jos yhdistän tavallisen ohmimittarin kaksi anturia palaan alumiinifoliota, en ’ t mittaa satoja tai tuhansia ohmeja; En mittaa periaatteessa mitään vastusta.
- ” deformoi alumiinilangkaa olennaisesti, jonka on levitettävä oksidi riittävän paljon estääkseen sen häiritsemisen kontaktin kanssa. ” – Se. Kun käytät AL-johtoa, ’ on käytettävä vääntömomentti ja korroosionestopasta. Se oli aiemmin paljon enemmän hiipimisen alainen, mutta se on nyt ’ paljon parempi. Jos vääntelit sitä oikein, se ’ kulkee pienen kerroksen ohi.
- Mielestäni suosituin ” pinnoite ” on alumiinille CCA
- @DmitryGrigoryev, joka ’ on yleistä joissakin sovelluksissa, mutta toisissa täysin tuntematon.
Vastaus
Hypoteesini on, että alumiinikappaleen pinnalla oleva alumiinioksidikerros on niin ohut ja taipuvainen, että kun kupari (sanoa) johdin painetaan sitä vasten, alumiinioksidi työnnetään helposti sivuun niin, että sähköinen kosketus syntyy. Uskon, että QM-tunnelointi ei voinut ottaa huomioon suuria virtauksia, kuten havaitsemme tällaisissa tapauksissa.
Korjaus : Vaikka alumiinioksidikerros on todellakin hyvin ohut (johtuen alumiinin korkeasta happireaktiivisuudesta yhdistettynä alumiinioksidin kykyyn estää alumiinin pinnan jatkohapettuminen, minkä vuoksi alumiini voi pysyä kiiltävänä), se ei ole muokattavissa kuin verrattuna alumiiniin. Se tarttuu hyvin tiukasti ja on kovaa. Kuten kommenttini viitteessä sanotaan, alumiinioksidikerroksen vastus on alhainen vain sen ohuuden takia.
Olen juotenut kuparisen monisäikeisen langan suoraan alumiinirunkoon naarmuttamalla alumiinipintaa yksinkertaisesti. teräsvaijeriharja toistuvasti samalla kun juotat (60/40 lyijy / tina hartsivirtauksen ympärillä) ja juotinta (pistoolityyppi) ja juotat sitten vaijeriin. Tuloksena oleva liitos näytti hyvältä ja johti sähköä ilman mitattavaa vastusta.
Kommentit
- Ei ’ t oksidikerros sitoutunut voimakkaasti alumiiniin? Jos oksidikerroksen työntäminen syrjään olisi todella helppoa, odotan, että pienet palat alumiinioksidikalvoa putoavat joka kerta, kun ravistan alumiiniesineitä tai lyön sitä johonkin.
- @Thorondor, You sanoi, että oksidikerros on noin neljä nanometriä paksu. Että ’ on alle 1/100 lyhyimmistä näkyvistä valon aallonpituuksista. Vaikka se irtoaisikin hiutaleina, et ’ aio nähdä niitä.
- periaatteessa, substraateista riippuen, näet eron atomisesti ohuet kalvot, joissa ei ole yhtään niistä … (esim. violetti värikontrastin muutos grafeenilla SiO2-kiekolla)
- ” painetaan ” – eh, enemmän kuin kiristetty kuusiokoloavaimella niin paljon, että se ’ on periaatteessa sen sisällä, mutta silti +1 .
- Olen nähnyt alumiinijohtoja kotitalouksien sähköjohdoissa. Tässä tapauksessa kyllä, alumiinilangat puristettiin kuparilankoja vasten pienillä kuparikiinnikkeillä. Viite: fi.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . Osi ” Alumiinin hapettuminen ” selittää, että alumiinioksidikerros on niin ohut, että sen vastus on pieni (oksidikerros sitoutuu hyvin tiukasti, joten se ei voi hilseillä). Tietysti irtotavarana oleva alumiinioksidi on hyvä eriste, samanlainen kuin keramiikka. Katso myös osio ” Alumiini- ja kuparilangan liittäminen ”, jossa mainitaan galvaaninen korroosio.
vastaus
Kun alumiinioksidi muodostuu luonnollisesti, se sisältää väistämättä vikoja, kuten pölyhiukkasia, metallikontaminaatiota, kosteuden loukkuun jne. Lisäksi mekaaninen liitäntä riittää oksidikerroksen murtamiseksi. Tämän seurauksena, jos kosketuspinta-ala on riittävän suuri, oksidikerroksen tehollinen paksuus on paljon pienempi kuin odotettu 4 nm, olennaisesti se on nolla. Tämän seurauksena mitattavissa olevaa jännitettä ei tule tyypillisissä olosuhteissa, ja kun kytket johdot alumiinikappaleeseen, se toimii yksinkertaisesti johtimena. alumiinia. Huomionarvoista on se, kuinka nopeasti se hapettuu (estäen juottamisen useimmissa tapauksissa) ja kuinka pahaa galvaaninen korroosio on, kun se on kytketty erilaisiin metalleihin, kuten kupariin (joka aiheutti päivittäin monia talonpaloja). liität kaksi kuparijohtoa, sama syy oksidikerroksiin pätee.
Vastaus
Alumiinioksidin vastus on 1×10 ^ 14 / cm ohmia. Sillä on hyvä lämmönjohtavuus ja se voi vähentää lämpöiskunkestävyyttä. Alumiinioksidia on erittäin hyödyllinen, koska sitä on saatavana useilla puhtausasteilla 94–99,9%. Se on yleensä valkoista, mutta joskus vaaleanpunaista (88%) alumiinioksidi) ja ruskea (96% alumiinioksidi). Alumiinioksidin koostumusta voidaan helposti muuttaa tiettyjen toivottujen materiaalien ominaisuuksien, kuten kovuuden tai värin, parantamiseksi. Alumiinioksidi on sähköä eristävä materiaali, jolla on suuri resistanssi ja joka kasvaa puhtauden kanssa. >
Vaikka se on hyvä eristin, se ei ole puhdas eristin, joten virta tulee matkustaa sen läpi.