Supposons que je connecte un fil conducteur (section 1 mm $ ^ 2 $ ) à un objet en aluminium. Étant donné que laluminium est hautement conducteur, lélectricité circulera en douceur à lintérieur de lobjet avec peu de résistance. Cependant, comme laluminium est également très réactif, il existe une fine couche doxyde daluminium hautement résistif sur la surface de lobjet. Wikipédia indique que cette couche a une épaisseur denviron 4 nm (citant cet article ). Naïvement, nous pouvons calculer la résistance de la couche doxyde en utilisant la résistivité de lalumine, qui est environ 10 $ ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ environ 4 \ fois 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Bien sûr, nous ne mesurons pas réellement une résistance aussi grande. Mais pourquoi pas? Comment un courant électrique passe-t-il exactement la couche doxyde?
La réponse évidente est que les électrons tunnel simplement à travers la couche doxyde. Alors calculons la probabilité de tunnel. Selon ce document du MIT OpenCourseWare , la couche doxyde daluminium présente une barrière potentielle de 10 eV. Ensuite, le coefficient de transmission à travers une couche de 4 nm est donné par
$$ T \ approx e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ right) (4 \ text {nm})} = 5.16 \ times 10 ^ {- 57} $$
Cest un nombre extrêmement petit. En principe, nous pourrions maintenant trouver le taux réel à partir de la densité détats et de la règle dor de Fermi, mais il semble probable que le résultat sera un très petit courant.
Il est possible que les paramètres qui Jutilise peut-être incorrect. Jai vérifié quelques autres sources et trouvé des valeurs très variables pour la barrière potentielle et lépaisseur doxyde. Cependant, le fait que laluminium légèrement anodisé avec une couche doxyde plus épaisse (par exemple, quelques dizaines de nm) conduit toujours lélectricité me fait penser que le tunneling nest pas une explication complète, car le taux de tunnel diminue de façon exponentielle avec lépaisseur de la couche doxyde.
Une autre explication possible pourrait être une panne électrique ou un autre changement dans la structure cristalline de loxyde, comme la fusion. Mais si cest la bonne réponse, quest-ce qui change exactement dans la couche doxyde pour la rendre électriquement conductrice? Normalement, les oxydes ne sont pas conducteurs car les atomes doxygène absorbent les électrons libres. Est-ce que cela cesse de se produire pour une raison quelconque?
Je suis prêt à accepter une bonne réponse théorique, mais jespère des preuves expérimentales si possible.
Commentaires
- Si vous appliquez un champ électrique suffisamment fort, un isolant commence à conduire lélectricité en raison dune panne électrique. Pour loxyde daluminium, le champ électrique de claquage est denviron 5 MV / cm (TRANSACTIONS IEEE SUR LES DISPOSITIFS ÉLECTRONIQUES, VOL.47, N ° 1, JANVIER 2000), il semble donc quune différence de potentiel de quelques volts à travers la couche de 4 nm devrait suffire à Faites-le.
- @MaximUmansky Je comprends le concept général de panne électrique, mais les couches minces ont souvent des tensions de claquage plus élevées que prévu. Lintensité du champ de décomposition est-elle toujours applicable à un film de seulement quelques nm dépaisseur?
- @MaximUmansky De plus, si vous en savez plus sur le sujet, je ‘ Je suis curieux den savoir plus sur ce qui se passe exactement lorsquune couche doxyde se décompose. Comment la structure cristalline change-t-elle pour permettre au matériau de conduire le courant électrique? Pouvons-nous observer les effets avec, par exemple, un STM?
- @Thorondor Non, je ne suis pas un expert en panne électrique, jai juste recherché rapidement les chiffres et conclu que cela semblait plausible. Pour des couches minces doxyde daluminium de 200 nm, les gens indiquent 0,1 V / nm pour le champ de claquage. Une simple recherche sur Google donne de nombreuses références.
- Une façon de vérifier une hypothèse de panne est de mesurer une courbe IV dune feuille daluminium. Il devrait y avoir un saut net et éventuellement une hystérésis. ‘ je ne pense pas que cela se produise avec de laluminium ordinaire, il est fort probable que lidée de panne soit la totalité du corps.
Réponse
Je pense que @Maxim Umansky a raison dans son commentaire: le potentiel de claquage de la couche doxyde daluminium nest que de quelques volts (voir, par exemple, Fig.8 dans 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, octobre 1976, p. 1479). Pour une épaisseur de couche denviron 4 nm, on obtient une tension de claquage de quelques volts.
Réponse
Loxyde natif qui recouvre laluminium est légèrement poreux , et les pores ont tendance à emprisonner de petites quantités dhumidité, ce qui les rend électrochimiquement actifs et très légèrement conducteurs.(En fait, pour que la couche doxyde daluminium augmente en épaisseur dans des environnements chauds, il faut que les atomes daluminium soient capables de diffuser à travers loxyde existant pour atteindre loxygène dans latmosphère et que les atomes doxygène soient capables de diffuser à travers loxyde jusquà atteindre laluminium nayant pas réagi sous loxyde.)
Afin de rendre une surface en aluminium oxydé sans pores, la pièce daluminium doit être cuite dans un four avec une atmosphère doxygène à lintérieur, pour fermer ces pores.
En labsence de porosité dans loxyde, le mécanisme de conduction est émission de Frenkel-Poole , où une fluctuation thermique aléatoire favorisera occasionnellement un électron lié dans la bande de conduction, où il peut alors dériver sous linfluence dun champ externe.
Commentaires
- Supposons que jai gratté la couche doxyde de surface sur lobjet en aluminium en complètement sec air. Après la formation dune nouvelle couche doxyde, jattache un fil conducteur. Puisquaucune humidité nest présente dans loxyde, est-ce que je mesurerais une résistance très élevée (méga / gigaohms)?
- loxyde se forme rapidement … Ce genre dexpérience doit être fait dans des béchers remplis de solutions chimiques , et électrodes connectées aux alimentations électriques et ainsi de suite. Il est ‘ très difficile d’obtenir des résultats utiles dans les airs.
- @Thorondor, consultez l’article Wikipedia sur » anodisation « . Il y a quelques déclarations sur les différences de qualité de la couche doxyde entre laluminium ordinaire et laluminium traité
- je ne lai jamais essayé, donc je ne sais ‘ – mais rappelez-vous, vous doivent cuire les pores de tout film anodisé pour obtenir une couverture à 100% de loxyde.
- @Thorondor Quen est-il du papier Instabilité électrique de films composites doxyde daluminium comme source de cette réponse? » Après un certain temps en circuit ouvert, un film qui avait supporté plusieurs centaines de volts ne soutiendra soudainement pas plus de 10–20 V […] Il est démontré quil résulte de la diffusion de leau dans les vides internes de la couche doxyde barrière. Les vides se remplissent doxyde anodique lors de la reformation. »
Réponse
La réponse technique est que le courant ne passe pas très bien à travers la couche doxyde du tout, et si vous voulez établir un bon contact avec un objet en aluminium, vous devez faire très attention à la façon dont vous le faites.
Si vous appuyez simplement sur un fil de cuivre (par exemple) contre un en aluminium, vous obtiendrez un contact à très haute résistance. Probablement pas 4 gigohms, mais peut-être de lordre de centaines ou de milliers dohms, donc il peut être quelque chose aux réponses précédentes qui suggèrent que la couche doxyde est suffisamment fragile pour se détacher et permettre un certain contact.
Mais, par exemple, vous pouvez abraser loxyde avec du papier de verre, puis rendre étanche à lair connexion de (ou souder ou souder) lautre objet à laluminium avant que loxyde nait le temps de se reformer.
Pour des géométries suffisamment petites (comme les fils de liaison utilisés pour connecter les puces de circuits intégrés à t Héritiers plombs), vous pouvez souder directement laluminium à dautres matériaux comme lor ou largent. Cela a tendance à déformer sensiblement le fil daluminium, ce qui doit étaler suffisamment loxyde pour éviter quil ninterfère avec le contact.
Ou vous pouvez utiliser un « revêtement » chimique ou un traitement de surface sur laluminium pour conserver loxyde de la formation. Lun de ces traitements porte plusieurs noms tels que « Alodine », « Chromate Conversion » ou « Chem film ». (Remarque: le traitement traditionnel à lalodine nest pas utilisable pour les produits vendus en Europe en raison de la directive RoHS, mais des traitements chimiques plus récents sont disponibles qui sont acceptables sous RoHS)
Ou vous pouvez utiliser un flux très agressif pour déplacer loxyde pendant le brasage. Mais ce flux doit être nettoyé très soigneusement pour éviter la corrosion continue de vos pièces.
Commentaires
- Cette réponse contient de nombreuses informations intéressantes, mais Je ‘ suis sceptique quant à l’idée que » le courant ne ‘ passe à travers l’oxyde » Si je connecte les deux sondes dun ohmmètre standard à un morceau de papier daluminium, je ne ‘ t mesurer des centaines ou des milliers dohms; Je ne mesure pratiquement aucune résistance.
- » déforme sensiblement le fil daluminium, ce qui doit étaler suffisamment loxyde pour éviter quil ninterfère avec le contact. » – Ça. Lorsque vous utilisez un fil AL, vous devez utiliser ‘ une spécification de couple et une pâte anti-corrosion. Il était beaucoup plus sujet au fluage, mais ‘ est beaucoup mieux maintenant. Si vous lavez serré correctement, il ‘ passe cette minuscule couche.
- Je pense que le » revêtement » le plus populaire est pour laluminium est CCA
- @DmitryGrigoryev, que ‘ est commun dans certaines applications, mais totalement inconnu dans dautres.
Réponse
Mon hypothèse est que la couche doxyde daluminium à la surface dun morceau daluminium est si fine et malléable que lorsquun cuivre (disons) le conducteur est pressé contre lui, loxyde daluminium est facilement écarté de sorte quun contact électrique est établi. Je crois que le tunnel QM ne pouvait pas tenir compte des flux de courant importants tels que nous observons dans de tels cas.
Correction : alors que la couche dalumine est en effet très mince (en raison de la forte réactivité de laluminium à loxygène combinée à la capacité de loxyde daluminium à empêcher une oxydation supplémentaire de la surface de laluminium, raison pour laquelle laluminium peut rester brillant), elle nest pas malléable car par rapport à laluminium. Il adhère très étroitement et est dur. Comme le dit la référence dans mon commentaire, la résistance de la couche dalumine est faible simplement en raison de sa finesse.
Jai soudé avec succès un fil multibrins en cuivre directement sur un châssis en aluminium en grattant simplement la surface en aluminium avec un brosse en fil dacier à plusieurs reprises tout en appliquant la soudure (60/40 plomb / étain autour du flux de colophane) et le fer à souder (type pistolet), puis soudure dans le fil. Le joint résultant avait lair bien et conduit de lélectricité sans résistance mesurable.
Commentaires
- Isn ‘ couche doxyde fortement liée à laluminium? Sil était vraiment si facile de pousser la couche doxyde de côté, je mattendrais à voir de minuscules morceaux de film doxyde daluminium tomber à chaque fois que je secoue un objet en aluminium ou que je le heurte contre quelque chose. dit que la couche doxyde a une épaisseur denviron quatre nanomètres. Cela ‘ est inférieur à 1 / 100e des longueurs donde visibles les plus courtes de la lumière. Même sil sest détaché en flocons, vous nallez pas ‘ les voir.
- en principe, en fonction des substrats, vous pouvez voir la différence entre avoir films atomiquement minces et nen ayant aucun …. (par exemple, changement de contraste de couleur violette par le graphène sur une plaquette de SiO2)
- » est pressé » – eh, plus comme resserré avec une clé Allen à tel point quil ‘ est essentiellement à lintérieur, mais +1 quand même .
- Jai vu des fils daluminium utilisés dans le câblage électrique domestique. Dans ce cas, oui, les fils daluminium ont été pressés contre les fils de cuivre à laide de petits supports en cuivre. Référence: en.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . La section » Oxydation de laluminium » explique que la couche dalumine est si fine que sa résistance est faible (la couche doxyde se lie très étroitement, ne peut pas sécailler). Bien entendu, lalumine en vrac est un bon isolant, similaire à la céramique. Voir aussi la section » Assemblage de fils daluminium et de cuivre « , qui mentionne la corrosion galvanique.
Réponse
Lorsque loxyde daluminium se forme naturellement, il contiendra inévitablement des défauts tels que des particules de poussière, une contamination métallique, de lhumidité piégée, etc. la connexion mécanique suffit à casser la couche doxyde. En conséquence, si la zone de contact est suffisamment grande, lépaisseur effective de la couche doxyde sera bien inférieure aux 4 nm attendus, essentiellement, elle sera nulle. En conséquence, il ny aura pas de tension de claquage mesurable dans des conditions typiques, et lorsque vous connectez des fils à un objet en aluminium, il agit simplement comme un conducteur.
En passant, la couche doxyde nest pas une caractéristique unique daluminium. Ce qui est remarquable, cest la vitesse à laquelle il soxyde (empêchant le brasage dans la plupart des cas) et la gravité de la corrosion galvanique lorsquil est connecté à un métal différent comme le cuivre (qui a provoqué de nombreux incendies dans la maison dans la journée). Mais essentiellement, quand vous connectez deux fils de cuivre, le même raisonnement sapplique aux couches doxyde.
Réponse
La résistance de loxyde daluminium est de 1×10 ^ 14 / cm ohms. Il a une bonne conductivité thermique et peut réduire la résistance aux chocs thermiques. Lalumine est très utile en ce quelle est disponible dans une variété de plages de pureté allant de 94% à 99,9%. Il est généralement blanc, mais parfois rose (88% alumine) et marron (96% dalumine). La composition de loxyde daluminium peut être facilement modifiée pour améliorer certaines caractéristiques souhaitables du matériau telles que la dureté ou la couleur. Loxyde daluminium est un matériau électriquement isolant à haute résistivité qui augmente avec la pureté.
Bien que ce soit un bon isolant, ce nest pas un isolant pur donc le courant voyagez à travers.