Anta at jeg kobler en ledende ledning (tverrsnitt 1 mm $ ^ 2 $ ) til en aluminiumsgjenstand. Siden aluminium er svært ledende, vil strøm strømme jevnt inn i objektet med liten motstand. Siden aluminium også er veldig reaktivt, er det imidlertid et tynt lag med svært motstandsdyktig aluminiumoksid på overflaten av objektet. Wikipedia sier at dette laget handler om 4 nm tykt (med henvisning til dette papiret ). Naivt kan vi beregne motstanden til oksydlaget ved hjelp av resistiviteten til aluminiumoksyd, som er omtrent $ 10 ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :

$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ ca 4 \ ganger 10 ^ 9 \, \ Omega $$

Vi må selvfølgelig ikke måle så stor motstand. Men hvorfor ikke? Hvordan går en elektrisk strøm nøyaktig gjennom oksidlaget?

Det åpenbare svaret er at elektroner rett og slett tunnel gjennom oksidlaget. Så la oss beregne tunnelsannsynligheten. I følge dette dokumentet fra MIT OpenCourseWare , presenterer aluminiumoksydlaget en potensiell barriere på 10 eV. Deretter blir overføringskoeffisienten over et 4 nm lag gitt av

$$ T \ approx e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} høyre) (4 \ text {nm})} = 5,16 \ ganger 10 ^ {- 57} $$

Dette er et ekstremt lite antall. I prinsippet kunne vi nå finne den faktiske hastigheten fra tettheten til stater og Fermis gyldne regel, men det virker sannsynlig at resultatet vil bli en veldig liten strøm.

Det er mulig at parametrene som Jeg bruker kan være feil. Jeg sjekket noen få andre kilder og fant vidt forskjellige verdier for den potensielle barrieren og oksydtykkelsen. Det faktum at litt anodisert aluminium med et tykkere oksydlag (for eksempel noen titalls nm) fremdeles fører elektrisitet, får meg til å tro at tunneling ikke er en fullstendig forklaring, siden tunneleringshastigheten synker eksponentielt med oksydlagstykkelsen. p>

En annen mulig forklaring kan være elektrisk sammenbrudd eller annen endring i oksydkrystallstrukturen, for eksempel smelting. Men hvis dette er riktig svar, hva endres nøyaktig i oksidlaget for å gjøre det elektrisk ledende? Normalt er oksider ikke ledende fordi oksygenatomer renser frie elektroner. Stopper dette av en eller annen grunn?

Jeg er villig til å godta et godt teoretisk svar, men jeg håper på eksperimentell evidens hvis mulig.

Kommentarer

  • Hvis du bruker sterkt nok elektrisk felt, begynner en isolator å lede strøm på grunn av elektrisk sammenbrudd. For aluminiumoksid er det elektriske feltets nedbryting ~ 5 MV / cm (IEEE-TRANSAKSJONER PÅ ELEKTRONENHETER, VOL. 47, NO. 1, JANUAR 2000), så det ser ut til at et par volt potensialforskjell over 4 nm-laget skal være nok til gjør det.
  • @MaximUmansky Jeg forstår det generelle konseptet med elektrisk sammenbrudd, men tynne filmer har ofte høyere spenninger enn forventet. Gjelder nedbrytningsfeltstyrken fremdeles for en film bare noen få nm tykk?
  • @MaximUmansky Hvis du tilfeldigvis vet mer om emnet, ‘ Jeg er nysgjerrig på å lære mer om hva som skjer når et oksidlag brytes ned. Hvordan endres krystallstrukturen for å la materialet lede elektrisk strøm? Kan vi observere effektene med, for eksempel, en STM?
  • @Thorondor Nei, jeg er ikke ekspert på elektrisk sammenbrudd, bare slo opp tallene raskt og konkluderte med at det ser plausibelt ut. For 200 nm tynne filmer av aluminiumoksid rapporterer folk 0,1 V / nm for nedbrytningsfeltet. Bare å google det gir mange referanser.
  • En måte å sjekke en sammenbruddshypotese på er å måle en IV-kurve av aluminiumsplater. Det skal være et klart hopp og muligens hysterese. Jeg tror ikke ‘ at det ene eller det andre skjer med vanlig aluminium, mest sannsynlig er sammenbruddstanken fullstendig.

Svar

Jeg tror @ Maxim Umansky er riktig i sin kommentar: nedbrytingspotensialet til aluminiumoksidlaget er bare noen få 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, October 1976, s. 1479). For en lagtykkelse på ca 4 nm får vi en spenning på noen få volt.

Svar

Det opprinnelige oksidet som belegger aluminium er litt porøst , og porene har en tendens til å fange opp små mengder fuktighet i dem. Dette gjør dem elektrokjemisk aktive og aldri så lett ledende.(Faktisk, for at aluminiumoksydlaget skal vokse i tykkelse i varme omgivelser, krever at begge aluminiumatomene er i stand til å diffundere opp gjennom det eksisterende oksidet for å nå oksygen i atmosfæren, og oksygenatomene er i stand til å diffundere ned gjennom oksidet nå ureagerte aluminium under oksidet.)

For å gjøre en oksidert aluminiumsoverflate porefri, må aluminiumstykket stekes i en ovn med en oksygenatmosfære i, for å lukke porene.

I fravær av porøsitet i oksidet, er ledningsmekanismen Frenkel-Poole-utslipp , hvor en tilfeldig termisk svingning av og til vil fremme et bundet elektron inn i ledningsbåndet, hvor det kan da drive under påvirkning av et eksternt felt.

Kommentarer

  • Anta at jeg skrapet av overflatoksydlaget på aluminiumsobjektet i helt tørt luft. Etter at det dannes et nytt oksydlag, fester jeg en ledende ledning. Siden det ikke er fuktighet i oksidet, ville jeg måle en veldig høy (mega / gigaohms) motstand?
  • oksidet dannes raskt … Denne typen eksperiment må gjøres i begerglass fulle av kjemiske løsninger , og elektroder koblet til strømforsyninger og hva annet. Det ‘ er veldig vanskelig å få nyttige resultater i luften.
  • @Thorondor, slå opp Wikipedia-artikkelen på » anodisering «. Det er noen uttalelser om forskjeller i oksidlagskvaliteten mellom vanlig aluminium og behandlet aluminium
  • har aldri prøvd det, så jeg vet ikke ‘, men husk, du må bake ut porene i en hvilken som helst anodisert film for å få 100% dekning av oksidet.
  • @Thorondor Hva med papiret Elektrisk ustabilitet av sammensatte aluminiumoksydfilmer som kilde til dette svaret? » Etter en stund på åpen krets vil en film som hadde støttet flere hundre volt plutselig ikke opprettholde mer enn 10–20 V […] Det er vist å skyldes diffusjon av vann inn i indre hulrom i barriereoksydlaget. Hulrommene blir fylt med anodisk oksid under reformasjonen. »

Svar

Det tekniske svaret er at strøm ikke passerer veldig bra gjennom oksidlaget, og hvis du vil ha en god kontakt med en aluminiumsgjenstand, må du være veldig forsiktig med hvordan du gjør det.

Hvis du bare trykker en kobbertråd (for eksempel) mot en aluminium, vil du få en veldig høy motstandskontakt. Sannsynligvis ikke 4 gigohms, men kanskje i størrelsesorden hundrevis eller tusen ohm, så det kan være noe med de tidligere svarene som antyder at oksydlaget er skjørt nok til å bryte vekk og tillate kontakt.

Men for eksempel kan du slipe oksidet med sandpapir, og deretter gjøre et lufttett tilkobling (eller lodding eller sveising) av det andre objektet til aluminiumet før oksidet rekker å formes på nytt.

For små nok geometrier (som bindeledningene som brukes til å koble integrerte kretsbrikker til t arving blyrammer) kan du sveise aluminium direkte på andre materialer som gull eller sølv. Dette har en tendens til å deformere aluminiumstråden vesentlig, som må spre oksidet ut nok til å forhindre at det forstyrrer kontakten.

Eller du kan bruke et kjemisk «belegg» eller overflatebehandling på aluminiumet for å holde oksidet fra å danne. En av disse behandlingene går under flere navn som «Alodine», «chromate conversion» eller «chem film». (Merk: tradisjonell alodinbehandling er ikke brukbar for produkter som skal selges i Europa på grunn av RoHS-direktivet, men nyere kjemiske behandlinger er tilgjengelige som er akseptable under RoHS).

Eller du kan bruke en veldig aggressiv flux for å fortrenge oksidet under lodding. Men denne fluxen må rengjøres grundig for å unngå fortsatt korrosjon av delene dine.

Kommentarer

  • Dette svaret har ganske mye interessant informasjon, men Jeg ‘ er skeptisk til ideen om at » strøm ikke ‘ t passerer gjennom oksidet lag veldig bra i det hele tatt. » Hvis jeg kobler de to sonder til et standard ohmmeter til et stykke aluminiumsfolie, trenger jeg ikke ‘ t måle hundrevis eller tusenvis av ohm; Jeg måler i utgangspunktet ingen motstand i det hele tatt.
  • » deformerer aluminiumtråden vesentlig, som må spre oksydet ut nok til å forhindre at det forstyrrer med kontakten. » – Det. Når du bruker AL-ledning, er ‘ et dreiemomentspesifikasjon og korrosjonspasta du må bruke. Det pleide å være mye mer utsatt for kryp, men det ‘ er mye bedre nå. Hvis du dreide det riktig, er det ‘ langt forbi det lille laget.
  • Jeg tror det mest populære » belegg » er for aluminium er CCA
  • @DmitryGrigoryev, at ‘ er vanlig i noen applikasjoner, men helt ukjent i andre.

Svar

Min hypotese er at laget av aluminiumoksid på overflaten av et stykke aluminium er så tynt og formbart at når et kobber (si) leder presses mot den, skyves aluminiumoksydet lett til side slik at det blir elektrisk kontakt. Jeg tror at QM-tunneling ikke kunne redegjøre for de store strømmen som vi observerer i slike tilfeller.

Retting : mens aluminiumoksydlaget er veldig tynt (på grunn av den høye oksygenreaktiviteten til aluminium kombinert med aluminiumoksydets evne til å forhindre ytterligere oksidasjon av aluminiumsoverflaten, og derfor kan aluminium forbli skinnende), er det ikke formbart sammenlignet med aluminium. Det binder veldig tett og er vanskelig. Som referansen i kommentaren min sier, er motstanden til aluminiumoksydsjiktet lav bare på grunn av tynnheten.

Jeg har med hell loddet en kobberflertrådstråd direkte til et aluminiums chassis ved ganske enkelt å skrape aluminiumsoverflaten med en stålbørste gjentatte ganger mens du bruker loddetinn (60/40 bly / tinn rundt kolofluks) og loddejernet (pistoltype), og lodder deretter inn ledningen. Den resulterende skjøten så bra ut og ledet elektrisitet uten målbar motstand.

Kommentarer

  • Er ikke ‘ t the oksydlag bundet sterkt til aluminium? Hvis det virkelig var så lett å skyve oksidlaget til side, ville jeg forvente å se små biter av aluminiumoksidfilm falle av hver gang jeg rister en aluminiumsgjenstand eller slår den mot noe.
  • @Thorondor, Du sa at oksydlaget er omtrent fire nanometer tykt. At ‘ er mindre enn 1/100 av de korteste synlige bølgelengder av lys. Selv om det kom av med flak, vil du ikke ‘ ikke se dem.
  • I prinsippet, avhengig av underlag, kan du se forskjellen mellom å ha atomisk tynne filmer og ikke har noen av dem …. (f.eks. lilla fargekontrastendring av grafen på SiO2-wafer)
  • » trykkes » – eh, mer som strammet ned med en skiftenøkkel så mye at den ‘ i utgangspunktet er inne i den, men +1 uansett .
  • Jeg har sett aluminiumsledninger brukt i elektriske ledninger. I dette tilfellet, ja, ble aluminiumtrådene presset mot kobbertrådene ved hjelp av små kobberbraketter. Referanse: no.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . Avsnitt » Oksidasjon av aluminium » forklarer at aluminiumoksydlaget er så tynt at dets motstand er liten (oksidlaget binder veldig tett, så det kan ikke flasse av). Selvfølgelig er aluminiumoksyd i bulk en god isolator, lik keramikk. Se også avsnitt » Sammenføyning av aluminiums- og kobbertråder «, som nevner galvanisk korrosjon.

Svar

Når aluminiumoksid dannes naturlig, vil det uunngåelig inneholde defekter som støvpartikler, metallforurensning, fanget fuktighet etc. I tillegg vil trykket på mekanisk forbindelse er nok til å bryte oksydlaget. Som et resultat, hvis kontaktarealet er stort nok, vil den effektive tykkelsen av oksydlaget være mye mindre enn den forventede 4 nm, i det vesentlige vil det være null. Som et resultat vil det ikke være noen målbar nedbrytningsspenning under typiske forhold, og når du kobler ledninger til en aluminiumsgjenstand, fungerer den ganske enkelt som en leder.

Forresten er oksidlag ikke et unikt trekk av aluminium. Det som er bemerkelsesverdig er hvor raskt det oksiderer (forhindrer lodding i de fleste tilfeller) og hvor ille den galvaniske korrosjonen er når den er koblet til et ulikt metall som kobber (som forårsaket mange husbranner på dagen). Men egentlig når du kobler til to kobbertråder, samme resonnement om oksydlag gjelder.

Svar

Motstanden til aluminiumoksid er 1×10 ^ 14 / cm ohm. Den har god varmeledningsevne og kan redusere motstand mot termisk sjokk. Alumina er veldig nyttig fordi den er tilgjengelig i en rekke renhetsområder fra 94% til 99,9%. Den er vanligvis hvit, men er noen ganger rosa (88% aluminiumoksyd) og brunt (96% aluminiumoksyd). Sammensetningen av aluminiumoksyd kan lett endres for å forbedre visse ønskelige materialegenskaper som hardhet eller farge. Aluminiumoksid er et elektrisk isolerende materiale med høy resistivitet som øker med renhet.

Selv om det er en god isolator, er det ikke en ren isolator, så gjeldende vil reise gjennom den.

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert. Obligatoriske felt er merket med *