Załóżmy, że podłączam przewód przewodzący (o przekroju 1 mm $ ^ 2 $ ) do przedmiot aluminiowy. Ponieważ aluminium jest bardzo przewodzące, prąd elektryczny będzie płynął płynnie wewnątrz obiektu z niewielkim oporem. Ponieważ jednak aluminium jest również bardzo reaktywne, na powierzchni przedmiotu znajduje się cienka warstwa tlenku glinu o wysokiej rezystancji. Wikipedia podaje, że ta warstwa ma około 4 nm grubości (cytując ten artykuł ). Naiwnie, możemy obliczyć rezystancję warstwy tlenku za pomocą rezystywności tlenku glinu, która wynosi około 10 $ ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ około 4 \ times 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Oczywiście nie mierzymy tak dużej rezystancji. Ale dlaczego nie? Jak dokładnie przepływa prąd elektryczny warstwę tlenkową?
Oczywistą odpowiedzią jest to, że elektrony po prostu przechodzą przez warstwę tlenkową. Obliczmy więc prawdopodobieństwo tunelowania. Zgodnie z tym dokumentem MIT OpenCourseWare warstwa tlenku glinu stanowi potencjalną barierę 10 eV. Następnie współczynnik transmisji w warstwie 4 nm jest określony wzorem
$$ T \ ok. E ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ right) (4 \ text {nm})} = 5,16 \ times 10 ^ {- 57} $$
To jest niezwykle mała liczba. W zasadzie moglibyśmy teraz znaleźć aktualną prędkość na podstawie gęstości stanów i złotej zasady Fermiego, ale wydaje się prawdopodobne, że wynikiem będzie bardzo mały prąd.
Jest możliwe, że parametry, które Używam może być nieprawidłowy. Sprawdziłem kilka innych źródeł i znalazłem bardzo zróżnicowane wartości potencjalnej bariery i grubości tlenku. Jednak fakt, że lekko anodowane aluminium z grubszą warstwą tlenku (na przykład kilkadziesiąt nm) nadal przewodzi prąd, wydaje mi się, że tunelowanie nie jest pełnym wyjaśnieniem, ponieważ szybkość tunelowania maleje wykładniczo wraz z grubością warstwy tlenku.
Innym możliwym wyjaśnieniem może być uszkodzenie elektryczne lub inna zmiana struktury kryształu tlenku, taka jak topnienie. Ale jeśli to jest prawidłowa odpowiedź, co dokładnie zmienia się w warstwie tlenku, aby przewodzić prąd elektryczny? Zwykle tlenki nie przewodzą prądu, ponieważ atomy tlenu wychwytują wolne elektrony. Czy to przestało się dziać z jakiegoś powodu?
Jestem gotów zaakceptować dobrą teoretyczną odpowiedź, ale liczę na dowody eksperymentalne, jeśli to możliwe.
Komentarze
- Jeśli zastosujesz wystarczająco silne pole elektryczne, izolator zacznie przewodzić prąd z powodu awarii elektrycznej. Dla tlenku glinu pole elektryczne przebicia wynosi ~ 5 MV / cm (TRANSAKCJE IEEE NA URZĄDZENIACH ELEKTRONOWYCH, TOM 47, NR 1, STYCZEŃ 2000), więc wygląda na to, że różnica potencjałów o wartości kilku woltów na warstwie 4 nm powinna wystarczyć do zrób to.
- @MaximUmansky Rozumiem ogólną koncepcję przebicia elektrycznego, ale cienkie warstwy często mają wyższe niż oczekiwane napięcia przebicia. Czy siła pola przebicia nadal ma zastosowanie do filmu o grubości zaledwie kilku nm?
- @MaximUmansky Ponadto, jeśli wiesz więcej na ten temat, ' Jestem ciekawy, aby dowiedzieć się więcej o tym, co dokładnie dzieje się, gdy rozpada się warstwa tlenku. Jak zmienia się struktura kryształu, aby materiał mógł przewodzić prąd elektryczny? Czy możemy obserwować efekty, powiedzmy, za pomocą STM?
- @Thorondor Nie, nie jestem ekspertem od awarii elektrycznych, po prostu szybko sprawdziłem liczby i stwierdziłem, że wygląda to wiarygodnie. Dla cienkich warstw tlenku glinu o długości 200 nm ludzie zgłaszają 0,1 V / nm dla pola przebicia. Wystarczy googlować, aby uzyskać wiele odniesień.
- Jednym ze sposobów sprawdzenia hipotezy rozbicia jest zmierzenie krzywej IV blachy aluminiowej. Powinien być wyraźny skok i ewentualnie histereza. Nie ' nie wydaje mi się, żeby coś się zdarzyło w przypadku zwykłego aluminium, najprawdopodobniej pomysł na awarię jest pełną historią.
Odpowiedź
Uważam, że @Maxim Umansky ma rację w swoim komentarzu: potencjał przebicia warstwy tlenku glinu wynosi zaledwie kilka woltów (patrz np. rys. 8 w 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, październik 1976, str. 1479). Dla grubości warstwy około 4 nm otrzymujemy napięcie przebicia kilku woltów.
Odpowiedź
Natywny tlenek pokrywający aluminium jest lekko porowaty , a pory mają tendencję do zatrzymywania w nich niewielkich ilości wilgoci, co czyni je aktywnymi elektrochemicznie i nawet lekko przewodzącymi.(W rzeczywistości, aby warstwa tlenku glinu rosła w grubości w gorącym środowisku, wymaga, aby zarówno atomy glinu były zdolne do dyfuzji w górę przez istniejący tlenek, aby dotrzeć do tlenu w atmosferze, jak i atomy tlenu były zdolne do dyfuzji w dół przez tlenek do dotrzeć do nieprzereagowanego aluminium pod tlenek.)
Aby oczyścić powierzchnię z utlenionego aluminium, kawałek aluminium należy wypalić w piecu z atmosferą tlenu, aby zamknąć te pory.
W przypadku braku porowatości w tlenku, mechanizm przewodzenia to emisja Frenkla-Poolea , w której przypadkowe fluktuacje termiczne od czasu do czasu promują związany elektron w paśmie przewodnictwa, gdzie może wtedy dryfować pod wpływem pola zewnętrznego.
Komentarze
- Załóżmy, że zeskrobałem warstwę tlenku powierzchniowego przedmiotu aluminiowego w całkowicie suchym powietrze. Po utworzeniu nowej warstwy tlenku mocuję drut przewodzący. Ponieważ w tlenku nie ma wilgoci, czy zmierzyłbym bardzo wysoką (mega / gigaomów) rezystancję?
- tlenek tworzy się szybko … Ten rodzaj eksperymentu należy przeprowadzić w zlewkach pełnych roztworów chemicznych i elektrody podłączone do zasilaczy i tak dalej. Bardzo trudno jest ' uzyskać przydatne wyniki w powietrzu.
- @Thorondor, sprawdź artykuł w Wikipedii pod adresem ” anodowanie „. Istnieją pewne stwierdzenia na temat różnic w jakości warstwy tlenku między zwykłym aluminium a aluminium poddanym obróbce
- nigdy tego nie próbowałem, więc nie ' wiem – ale pamiętaj, że trzeba wypalić pory w dowolnej anodowanej folii, aby uzyskać 100% pokrycie tlenku.
- @Thorondor A co z papierem Niestabilność elektryczna kompozytowe folie tlenku glinu jako źródło tej odpowiedzi? ” Po pewnym czasie w obwodzie otwartym film, który utrzymywał kilkaset woltów, nagle wytrzyma nie więcej niż 10–20 V […] Wykazano, że jest to efekt dyfuzji wody w wewnętrzne puste przestrzenie w warstwie tlenku barierowego. Puste przestrzenie zostają wypełnione tlenkiem anodowym podczas reformacji. ”
Odpowiedź
Inżynierska odpowiedź jest taka, że prąd w ogóle nie przechodzi dobrze przez warstwę tlenku, a jeśli chcesz uzyskać dobry kontakt z przedmiotem aluminiowym, musisz bardzo uważać, jak to zrobić.
Jeśli po prostu dociśniesz drut miedziany (na przykład) do aluminiowego, uzyskasz styk o bardzo wysokiej rezystancji. Prawdopodobnie nie 4 gigomy, ale może rzędu setek lub tysięcy omów, więc może być czymś we wcześniejszych odpowiedziach, które sugerują, że warstwa tlenku jest wystarczająco krucha, aby oderwać się i pozwolić na pewien kontakt.
Ale na przykład możesz zetrzeć tlenek papierem ściernym, a następnie zrobić szczelny połączenie (lub lutowanie lub spawanie) innego przedmiotu z aluminium, zanim tlenek zdąży ponownie uformować.
Dla wystarczająco małych geometrii (takich jak druty łączące używane do łączenia układów scalonych spadkobierców ołowianych ram) można spawać ciśnieniowo aluminium bezpośrednio z innymi materiałami, takimi jak złoto lub srebro. Ma to tendencję do znacznego odkształcania drutu aluminiowego, który musi rozprowadzać tlenek na tyle, aby nie zakłócał kontaktu.
Lub możesz zastosować chemiczną „powłokę” lub obróbkę powierzchniową aluminium, aby utrzymać tlenek od formowania. Jeden z tych zabiegów nosi kilka nazw, takich jak „Alodine”, „chromate conversion” lub „chem film”. (Uwaga: tradycyjna obróbka alodyną nie nadaje się do produktów sprzedawanych w Europie ze względu na dyrektywę RoHS, ale dostępne są nowsze metody obróbki chemicznej, które są dopuszczalne zgodnie z dyrektywą RoHS)
Lub możesz użyć bardzo agresywnego topnika, aby wyprzeć tlenek podczas lutowania. Jednak topnik ten należy bardzo dokładnie wyczyścić, aby uniknąć dalszej korozji części.
Komentarze
- Ta odpowiedź zawiera sporo interesujących informacji, ale ' sceptycznie podchodzę do pomysłu, że ” prąd nie ' nie przechodzi przez tlenek warstwa bardzo dobrze. ” Jeśli podłączę dwie sondy standardowego omomierza do kawałka folii aluminiowej, nie ' t mierzyć setki lub tysiące omów; Nie mierzę w zasadzie żadnego oporu.
- ” zasadniczo odkształca drut aluminiowy, co musi rozprowadzić tlenek na tyle, aby nie przeszkadzał z kontaktem. ” – To. Kiedy używasz drutu AL, ' jest specyfikacja momentu obrotowego i pasta antykorozyjna, której musisz użyć. Kiedyś był znacznie bardziej podatny na pełzanie, ale teraz ' jest dużo lepszy. Jeśli dobrze go dokręciłeś, ' jest daleko poza tą maleńką warstwą.
- Myślę, że najpopularniejsza ” powłoka ” przeznaczona jest do aluminium to CCA
- @DmitryGrigoryev, który ' jest powszechny w niektórych aplikacjach, ale zupełnie nieznany w innych.
Odpowiedź
Moja hipoteza jest taka, że warstwa tlenku glinu na powierzchni kawałka aluminium jest tak cienka i plastyczna, że gdy miedź (powiedzmy) przewodnik jest dociskany do niego, tlenek glinu jest łatwo odsuwany na bok, dzięki czemu powstaje kontakt elektryczny. Uważam, że tunelowanie QM nie może uwzględniać dużych przepływów prądu, jakie obserwujemy w takich przypadkach.
Poprawka : chociaż warstwa tlenku glinu jest rzeczywiście bardzo cienka (ze względu na wysoką reaktywność tlenową aluminium w połączeniu ze zdolnością tlenku glinu do zapobiegania dalszemu utlenianiu powierzchni aluminium, przez co aluminium może pozostać błyszczące), nie jest plastyczny, ponieważ w porównaniu z aluminium. Wiąże się bardzo mocno i jest twardy. Jak mówi odniesienie w moim komentarzu, oporność warstwy tlenku glinu jest niska tylko ze względu na jej cienkość.
Z powodzeniem przylutowałem miedziany drut wielożyłowy bezpośrednio do aluminiowej obudowy, po prostu zarysowując powierzchnię aluminium za pomocą stalowa szczotka druciana kilkakrotnie nakładając lut (ołów / cyna 60/40 wokół topnika kalafoniowego) i lutownicę (typ pistoletowy), a następnie wlutowując drut. Powstałe połączenie wyglądało dobrze i przewodziło prąd bez mierzalnego oporu.
Komentarze
- Isn ' t warstwa tlenku mocno związana z aluminium? Gdyby naprawdę tak łatwo było odepchnąć warstwę tlenku na bok, spodziewałbym się, że maleńkie kawałki warstwy tlenku glinu odpadają za każdym razem, gdy potrząsam aluminiowym przedmiotem lub uderzę nim o coś.
- @Thorondor, You powiedział, że warstwa tlenku ma grubość około czterech nanometrów. To ' to mniej niż 1/100 najkrótszej widocznej długości fali światła. Nawet jeśli odpadnie w postaci płatków, nie ' nie zobaczysz ich.
- w zasadzie, w zależności od podłoża, możesz zobaczyć różnicę między warstwy atomowo cienkie i nie posiadające żadnego z nich… (np. zmiana kontrastu koloru fioletowego przez grafen na płytce SiO2)
- ” jest wciśnięty ” – eh, bardziej jak dokręcony kluczem imbusowym do tego stopnia, że ' jest w zasadzie w środku, ale i tak +1 .
- Widziałem druty aluminiowe używane w domowych instalacjach elektrycznych. W tym przypadku tak, druty aluminiowe zostały dociśnięte do drutów miedzianych za pomocą małych miedzianych wsporników. Źródła: en.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . Sekcja ” Utlenianie glinu ” wyjaśnia, że warstwa tlenku glinu jest tak cienka, że jej opór jest niewielki (warstwa tlenku wiąże się bardzo mocno, więc nie odpryskuje). Oczywiście tlenek glinu luzem jest dobrym izolatorem, podobnie jak ceramika. Zobacz także sekcję ” Łączenie drutów aluminiowych i miedzianych „, w której wspomniano o korozji galwanicznej.
Odpowiedź
Gdy tlenek glinu powstaje w sposób naturalny, nieuchronnie będzie zawierał defekty, takie jak cząsteczki kurzu, zanieczyszczenia metalami, uwięziona wilgoć itp. Ponadto ciśnienie wywierane na wystarczy połączenie mechaniczne, aby zerwać warstwę tlenku. W rezultacie, jeśli powierzchnia styku jest wystarczająco duża, efektywna grubość warstwy tlenku będzie znacznie mniejsza niż oczekiwane 4nm, zasadniczo będzie wynosić zero. W rezultacie w typowych warunkach nie będzie mierzalnego napięcia przebicia, a po podłączeniu przewodów do przedmiotu aluminiowego działa on po prostu jak przewodnik.
Nawiasem mówiąc, warstwa tlenku nie jest unikalną cechą. z aluminium. Godne uwagi jest to, jak szybko się utlenia (zapobiegając w większości przypadków lutowaniu) i jak silna jest korozja galwaniczna, gdy jest ona połączona z innym metalem, takim jak miedź (co spowodowało wiele pożarów domów w tamtych czasach). Ale zasadniczo, kiedy podłączasz dwa druty miedziane, obowiązuje to samo rozumowanie co do warstw tlenków.
Odpowiedź
Oporność tlenku glinu wynosi 1×10 ^ 14 / cm omów. Ma dobrą przewodność cieplną i może zmniejszyć odporność na szok termiczny. Tlenek glinu jest bardzo przydatny, ponieważ jest dostępny w różnych zakresach czystości od 94% do 99,9%. Zwykle jest biały, ale czasami jest różowy (88% tlenek glinu) i brąz (96% tlenku glinu). Skład tlenku glinu można łatwo zmienić, aby poprawić pewne pożądane właściwości materiału, takie jak twardość lub kolor. Tlenek glinu jest materiałem elektroizolacyjnym o wysokiej rezystywności, która rośnie wraz z czystością.
Chociaż jest to dobry izolator, nie jest to czysty izolator, więc prąd będzie podróżować przez to.