Stel dat ik een geleidende draad (doorsnede 1 mm $ ^ 2 $ ) aansluit op een aluminium object. Omdat aluminium zeer geleidend is, zal elektriciteit soepel en met weinig weerstand in het object stromen. Omdat aluminium echter ook zeer reactief is, bevindt zich een dunne laag aluminiumoxide met een hoge weerstand op het oppervlak van het object. Wikipedia zegt dat deze laag ongeveer 4 nm dik is (onder verwijzing naar dit artikel ). Naïef kunnen we de weerstand van de oxidelaag berekenen met behulp van de soortelijke weerstand van aluminiumoxide, die ongeveer $ 10 ^ {14} \, \ is Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ ongeveer 4 \ maal 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Natuurlijk meten we niet echt zon grote weerstand. Maar waarom niet? Hoe gaat een elektrische stroom precies door de oxidelaag?
Het voor de hand liggende antwoord is dat elektronen gewoon door de oxidelaag tunnelen. Laten we dus de kans op tunnelvorming berekenen. Volgens dit document van MIT OpenCourseWare , vertoont de aluminiumoxidelaag een potentiële barrière van 10 eV. Vervolgens wordt de transmissiecoëfficiënt over een laag van 4 nm gegeven door
$$ T \ approx e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ right) (4 \ text {nm})} = 5.16 \ times 10 ^ {- 57} $$
Dit is een extreem klein aantal. In principe konden we nu de werkelijke snelheid vinden uit de toestandsdichtheid en de gouden regel van Fermi, maar het lijkt waarschijnlijk dat het resultaat een zeer kleine stroom zal zijn.
Het is mogelijk dat de parameters die Ik gebruik is mogelijk onjuist. Ik controleerde een paar andere bronnen en vond sterk variërende waarden voor de potentiële barrière en oxidedikte. Het feit dat licht geanodiseerd aluminium met een dikkere oxidelaag (bijvoorbeeld enkele tientallen nm) nog steeds elektriciteit geleidt, doet me denken dat tunnelen geen volledige verklaring is, aangezien de tunnelsnelheid exponentieel afneemt met de dikte van de oxidelaag. p>
Een andere mogelijke verklaring kan een elektrische storing zijn of een andere verandering in de oxidekristalstructuur, zoals smelten. Maar als dit het juiste antwoord is, wat verandert er dan precies in de oxidelaag om deze elektrisch geleidend te maken? Normaal gesproken zijn oxiden niet geleidend omdat de zuurstofatomen vrije elektronen wegvangen. Gebeurt dit om de een of andere reden niet meer?
Ik ben bereid een goed theoretisch antwoord te accepteren, maar ik hoop zo mogelijk op experimenteel bewijs.
Opmerkingen
- Als je een sterk genoeg elektrisch veld toepast, begint een isolator elektriciteit te geleiden als gevolg van een elektrische storing. Voor aluminiumoxide is het elektrische doorslagveld ~ 5 MV / cm (IEEE-TRANSACTIES OP ELECTRONAPPARATEN, VOL. 47, NR. 1, JANUARI 2000), dus het lijkt erop dat een potentiaalverschil van een paar volt over de 4 nm-laag voldoende zou moeten zijn om doe het.
- @MaximUmansky Ik begrijp het algemene concept van elektrische storing, maar dunne films hebben vaak een hoger dan verwachte doorslagspanning. Is de doorslagveldsterkte nog steeds van toepassing op een film met een dikte van slechts enkele nm?
- @MaximUmansky Als je toevallig meer weet over het onderwerp, ‘ Ik ben benieuwd wat er precies gebeurt als een oxidelaag afbreekt. Hoe verandert de kristalstructuur zodat het materiaal elektrische stroom kan geleiden? Kunnen we de effecten waarnemen met bijvoorbeeld een STM?
- @Thorondor Nee, ik ben geen expert op het gebied van elektrische storingen, ik heb de cijfers gewoon snel opgezocht en geconcludeerd dat het er aannemelijk uitziet. Voor 200 nm dunne films van aluminiumoxide rapporteren mensen 0,1 V / nm voor het doorslagveld. Gewoon googlen levert veel referenties op.
- Een manier om een defecthypothese te controleren, is door een IV-curve van aluminiumplaat te meten. Er moet een duidelijke sprong zijn en mogelijk een hysterese. Ik denk niet dat ‘ ofwel gebeurt met gewoon aluminium, hoogstwaarschijnlijk is het idee van de afbraak de volledige stody.
Antwoord
Ik denk dat @Maxim Umansky gelijk heeft in zijn opmerking: het doorslagpotentieel van de aluminiumoxidelaag is slechts een paar volt (zie bijvoorbeeld figuur 8 in 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, p. 1479). Voor een laagdikte van ongeveer 4 nm krijgen we een doorslagspanning van enkele volt.
Antwoord
Het natuurlijke oxide dat aluminium omhult, is enigszins poreus , en de poriën hebben de neiging om kleine hoeveelheden vocht erin op te sluiten, waardoor ze elektrochemisch actief en enigszins geleidend worden.(Om de aluminiumoxidelaag in warme omgevingen in dikte te laten groeien, moeten beide aluminiumatomen in staat zijn om omhoog te diffunderen door het bestaande oxide om zuurstof in de atmosfeer te bereiken en dat de zuurstofatomen in staat zijn om omlaag te diffunderen door het oxide naar bereiken niet-gereageerd aluminium onder het oxide.)
Om een geoxideerd aluminium oppervlak poriënvrij te maken, moet het aluminium stuk worden gebakken in een oven met een zuurstofatmosfeer erin, om die poriën af te sluiten.
Bij afwezigheid van poreusheid in het oxide, is het geleidingsmechanisme Frenkel-Poole-emissie , waarbij een willekeurige thermische fluctuatie af en toe een gebonden elektron in de geleidingsband brengt, waar het kan dan drijven onder invloed van een extern veld.
Opmerkingen
- Stel dat ik de oxidelaag aan het oppervlak van het aluminium object volledig droog heb afgeschraapt lucht. Nadat een nieuwe oxidelaag is gevormd, bevestig ik een geleidende draad. Zou ik, aangezien er geen vocht in het oxide aanwezig is, een zeer hoge (mega / gigaohm) weerstand meten?
- het oxide vormt zich snel … Dit soort experimenten moet worden gedaan in bekers vol met chemische oplossingen , en elektroden aangesloten op voedingen en dergelijke. Het ‘ is erg moeilijk om bruikbare resultaten in de lucht te krijgen.
- @Thorondor, zoek Wikipedia-artikel op ” anodiseren “. Er zijn enkele uitspraken over verschillen in de kwaliteit van de oxidelaag tussen gewoon aluminium en behandeld aluminium.
- heb het nooit geprobeerd, dus ik weet het niet ‘ – maar onthoud dat jij moeten de poriën in een geanodiseerde film eruit bakken om 100% dekking van het oxide te krijgen.
- @Thorondor Hoe zit het met het papier Elektrische instabiliteit van samengestelde aluminiumoxidefilms als bron voor dit antwoord? ” Na enige tijd op een open circuit zal een film die honderden volt heeft ondersteund plotseling niet meer ondersteunen dan 10-20 V […] Het is aangetoond dat het het resultaat is van diffusie van water in interne holtes binnen de barrière-oxidelaag. De holtes worden gevuld met anodisch oxide tijdens de reformatie. ”
Antwoord
Het technische antwoord is dat de stroom helemaal niet zo goed door de oxidelaag gaat, en als je een goed contact wilt maken met een aluminium object, moet je heel voorzichtig zijn met hoe je het doet.
Als je gewoon een koperdraad (bijvoorbeeld) tegen een aluminium draad drukt, krijg je een contact met een zeer hoge weerstand. Waarschijnlijk niet 4 gigohm, maar misschien in de orde van honderden of duizenden ohm, dus er kan iets anders zijn dan de eerdere antwoorden die suggereren dat de oxidelaag kwetsbaar genoeg is om weg te breken en enig contact mogelijk te maken.
Maar je kunt het oxide bijvoorbeeld wegschuren met schuurpapier, en dan luchtdicht maken verbinding van (of soldeer of las) het andere object aan het aluminium voordat het oxide tijd heeft om zich opnieuw te vormen.
Voor geometrieën die klein genoeg zijn (zoals de verbindingsdraden die worden gebruikt om geïntegreerde circuitchips aan te sluiten op t erfgenaam lead-frames) kunt u aluminium direct onder druk lassen op andere materialen zoals goud of zilver. Dit heeft de neiging om de aluminiumdraad aanzienlijk te vervormen, waardoor het oxide voldoende moet worden verspreid om te voorkomen dat het het contact verstoort.
Of u kunt een chemische “coating” of oppervlaktebehandeling op het aluminium gebruiken om het oxide te behouden van vorming. Een van deze behandelingen heeft verschillende namen, zoals “Alodine”, “chromaatconversie” of “chemfilm”. (Opmerking: traditionele Alodine-behandeling is niet bruikbaar voor producten die in Europa worden verkocht vanwege de RoHS-richtlijn, maar er zijn nieuwere chemische behandelingen beschikbaar die aanvaardbaar zijn onder RoHS)
Of u kunt een zeer agressieve flux gebruiken om het oxide tijdens het solderen. Maar deze flux moet zeer grondig worden gereinigd om voortdurende corrosie van uw onderdelen te voorkomen.
Opmerkingen
- Dit antwoord bevat nogal wat interessante informatie, maar Ik ‘ sta sceptisch tegenover het idee dat ” stroom niet ‘ door het oxide gaat laag helemaal goed. ” Als ik de twee sondes van een standaard ohmmeter aansluit op een stuk aluminiumfolie, doe ik ‘ t meet honderden of duizenden ohm; Ik meet eigenlijk helemaal geen weerstand.
- ” vervorm de aluminiumdraad aanzienlijk, waardoor het oxide voldoende moet worden uitgespreid om te voorkomen dat het interfereert met de contactpersoon. ” – Dat. Wanneer je AL-draad gebruikt, moet je ‘ een torsiespecificatie en anticorrosiepasta gebruiken. Vroeger was het veel meer onderhevig aan kruip, maar het ‘ is nu een stuk beter. Als je het goed hebt aangehaald, is het ‘ ver voorbij dat minuscule laagje.
- Ik denk dat de meest populaire ” coating ” voor aluminium CCA
- @DmitryGrigoryev, dat ‘ gebruikelijk is in sommige toepassingen, maar volkomen onbekend in andere.
Antwoord
Mijn hypothese is dat de laag aluminiumoxide op het oppervlak van een stuk aluminium zo dun en kneedbaar is dat wanneer een koper (zeg maar) geleider wordt er tegenaan gedrukt, het aluminiumoxide wordt gemakkelijk opzij geschoven zodat elektrisch contact wordt gemaakt. Ik geloof dat QM-tunneling geen rekening kon houden met de grote stroomstromen zoals we die in dergelijke gevallen waarnemen.
Correctie : hoewel de aluminiumoxidelaag erg dun is (vanwege de hoge zuurstofreactiviteit van aluminium in combinatie met het vermogen van aluminiumoxide om verdere oxidatie van het aluminiumoppervlak te voorkomen, waardoor aluminium glanzend kan blijven), is het niet kneedbaar zoals vergeleken met aluminium. Het hecht zeer stevig en is moeilijk. Zoals de referentie in mijn opmerking zegt, is de weerstand van de aluminiumoxidelaag laag alleen vanwege de dunheid ervan.
Ik heb met succes een koperen meeraderige draad rechtstreeks op een aluminium chassis gesoldeerd door simpelweg het aluminium oppervlak te krassen met een staaldraadborstel herhaaldelijk tijdens het aanbrengen van het soldeer (60/40 lood / tin rond harsflux) en de soldeerbout (pistooltype) en vervolgens in de draad solderen. De resulterende verbinding zag er goed uit en geleidde elektriciteit zonder meetbare weerstand.
Opmerkingen
- Isn ‘ t de oxidelaag sterk aan het aluminium gehecht? Als het echt zo gemakkelijk zou zijn om de oxidelaag opzij te duwen, zou ik verwachten dat er kleine stukjes aluminiumoxidefilm eraf vallen elke keer dat ik een aluminium voorwerp schud of ergens tegenaan stoot.
- @Thorondor, Jij zei dat de oxidelaag ongeveer vier nanometer dik is. Dat ‘ is minder dan 1 / 100ste van de kortste zichtbare golflengten van licht. Zelfs als het in vlokken loskomt, ‘ ga je ze niet zien.
- in principe kun je, afhankelijk van de substraten, het verschil zien tussen atomair dunne films en geen van hen hebben … (bijv. paarse kleurcontrastverandering door grafeen op SiO2-wafer)
- ” is ingedrukt ” – eh, meer als vastgedraaid met een inbussleutel zo sterk dat hij ‘ er in feite in zit, maar toch +1 .
- Ik heb aluminiumdraden gezien die worden gebruikt in elektrische bedrading van huishoudens. In dit geval, ja, de aluminium draden werden met kleine koperen beugels tegen de koperen draden gedrukt. Referentie: en.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . Sectie ” Aluminiumoxidatie ” legt uit dat de aluminiumoxidelaag zo dun is dat de weerstand klein is (de oxidelaag hecht zeer nauw, kan niet afschilferen). Aluminiumoxide in bulk is natuurlijk een goede isolator, vergelijkbaar met keramiek. Zie ook sectie ” Aluminium- en koperdraden verbinden “, waarin wordt gesproken over galvanische corrosie.
Answer
Wanneer aluminiumoxide op natuurlijke wijze wordt gevormd, bevat het onvermijdelijk defecten zoals stofdeeltjes, metaalverontreiniging, opgesloten vocht enz. Bovendien wordt de druk uitgeoefend op de mechanische verbinding is voldoende om de oxidelaag te breken. Als resultaat zal, als het contactoppervlak groot genoeg is, de effectieve dikte van de oxidelaag veel kleiner zijn dan de verwachte 4 nm, in wezen nul. Als gevolg hiervan is er onder normale omstandigheden geen meetbare doorslagspanning en wanneer u draden aansluit op een aluminium object, fungeert deze gewoon als een geleider.
Overigens is de oxidelaag geen uniek kenmerk. van aluminium. Opvallend is hoe snel het oxideert (waardoor solderen in de meeste gevallen wordt voorkomen) en hoe erg de galvanische corrosie is wanneer het is verbonden met een ander metaal zoals koper (dat vroeger veel huisbranden veroorzaakte). je verbindt twee koperdraden, dan geldt dezelfde redenering over oxidelagen.
Antwoord
De weerstand van aluminiumoxide is 1×10 ^ 14 / cm ohm. Het heeft een goede thermische geleidbaarheid en kan de thermische schokbestendigheid verminderen. Alumina is erg handig omdat het verkrijgbaar is in verschillende zuiverheidsbereiken van 94% tot 99,9%. Het is meestal wit, maar is soms roze (88% aluminiumoxide) en bruin (96% aluminiumoxide). De samenstelling van aluminiumoxide kan gemakkelijk worden gewijzigd om bepaalde gewenste materiaaleigenschappen zoals de hardheid of kleur te verbeteren. Aluminiumoxide is een elektrisch isolerend materiaal met een hoge soortelijke weerstand dat toeneemt met de zuiverheid.
Hoewel het een goede isolator is, is het geen pure isolator, dus de huidige reis erdoorheen.