Suponha que eu conecte um fio condutor (seção transversal de 1 mm $ ^ 2 $ ) a um objeto de alumínio. Como o alumínio é altamente condutivo, a eletricidade fluirá suavemente dentro do objeto com pouca resistência. No entanto, como o alumínio também é muito reativo, há uma fina camada de óxido de alumínio altamente resistivo na superfície do objeto. A Wikipedia diz que esta camada tem cerca de 4 nm de espessura (citando este artigo ). Ingenuamente, podemos calcular a resistência da camada de óxido usando a resistividade da alumina, que é cerca de $ 10 ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ aproximadamente 4 \ vezes 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Claro, nós não medimos uma resistência tão grande. Mas por que não? Como exatamente uma corrente elétrica passa através a camada de óxido?
A resposta óbvia é que os elétrons simplesmente fazem um túnel através da camada de óxido. Portanto, vamos calcular a probabilidade de tunelamento. De acordo com este documento do MIT OpenCourseWare , a camada de óxido de alumínio apresenta uma barreira potencial de 10 eV. Então o coeficiente de transmissão através de uma camada de 4 nm é dado por
$$ T \ approx e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ right) (4 \ text {nm})} = 5,16 \ vezes 10 ^ {- 57} $$
Isto é um número extremamente pequeno. Em princípio, poderíamos agora encontrar a taxa real da densidade de estados e a regra de ouro de Fermi, mas parece que o resultado será uma corrente muito pequena.
É possível que os parâmetros que Que estou usando pode estar incorreto. Eu verifiquei algumas outras fontes e encontrei valores amplamente variáveis para a barreira potencial e espessura de óxido. No entanto, o fato de que o alumínio ligeiramente anodizado com uma camada de óxido mais espessa (por exemplo, algumas dezenas de nm) ainda conduz eletricidade me faz pensar que o tunelamento não é uma explicação completa, uma vez que a taxa de tunelamento diminui exponencialmente com a espessura da camada de óxido.
Outra explicação possível pode ser quebra elétrica ou alguma outra mudança na estrutura do cristal de óxido, como fusão. Mas se esta for a resposta correta, o que exatamente muda na camada de óxido para torná-la eletricamente condutora? Normalmente, os óxidos não são condutores porque os átomos de oxigênio capturam os elétrons livres. Isso para de acontecer por algum motivo?
Estou disposto a aceitar uma boa resposta teórica, mas espero evidências experimentais, se possível.
Comentários
- Se você aplicar um campo elétrico forte o suficiente, um isolador começa a conduzir eletricidade devido à falha elétrica. Para óxido de alumínio, o campo elétrico de decomposição é de ~ 5 MV / cm (IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 47, NO. 1, JANEIRO de 2000), então parece que uma diferença de potencial de dois volts através da camada de 4 nm deve ser suficiente para faça.
- @MaximUmansky Eu entendo o conceito geral de interrupção elétrica, mas filmes finos geralmente têm tensões de interrupção maiores do que o esperado. A intensidade do campo de decomposição ainda se aplica a um filme de apenas alguns nm de espessura?
- @MaximUmansky Além disso, se você souber mais sobre o assunto, eu ‘ Estou curioso para saber mais sobre o que exatamente acontece quando uma camada de óxido se quebra. Como a estrutura do cristal muda para permitir que o material conduza corrente elétrica? Podemos observar os efeitos com, digamos, um STM?
- @Thorondor Não, não sou um especialista em avarias elétricas, apenas procurei os números rapidamente e concluí que parece plausível. Para filmes finos de 200 nm de óxido de alumínio, as pessoas relatam 0,1 V / nm para o campo de decomposição. Basta pesquisar no Google para obter muitas referências.
- Uma maneira de verificar uma hipótese de quebra é medir a curva IV de uma folha de alumínio. Deve haver um salto claro e possivelmente histerese. Eu não ‘ não acho que isso aconteça com o alumínio comum, muito provavelmente a quebra ideal do corpo inteiro.
Resposta
Eu acredito que @Maxim Umansky está correto em seu comentário: o potencial de degradação da camada de óxido de alumínio é de apenas alguns volts (veja, por exemplo, Fig.8 em 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, p. 1479). Para uma espessura de camada de cerca de 4 nm temos uma tensão de ruptura de alguns volts.
Resposta
O óxido nativo que reveste o alumínio é ligeiramente poroso , e os poros tendem a reter pequenas quantidades de umidade neles, o que os torna eletroquimicamente ativos e ligeiramente condutores.(Na verdade, para a camada de óxido de alumínio crescer em espessura em ambientes quentes requer que ambos os átomos de alumínio sejam capazes de se difundir através do óxido existente para alcançar o oxigênio na atmosfera e os átomos de oxigênio sejam capazes de se difundir através do óxido para alcançar o alumínio não reagido por baixo do óxido.)
A fim de tornar uma superfície de alumínio oxidado livre de poros, a peça de alumínio deve ser cozida em um forno com uma atmosfera de oxigênio nele, para fechar esses poros.
Na ausência de porosidade no óxido, o mecanismo de condução é a emissão de Frenkel-Poole , onde uma flutuação térmica aleatória ocasionalmente promove um elétron ligado à banda de condução, onde pode então flutuar sob a influência de um campo externo.
Comentários
- Suponha que eu raspei a camada de óxido de superfície do objeto de alumínio completamente seco ar. Depois que uma nova camada de óxido se forma, coloco um fio condutor. Já que nenhuma umidade está presente no óxido, eu mediria uma resistência muito alta (mega / gigaohms)?
- o óxido se forma rapidamente … Este tipo de experimento deve ser feito em béqueres cheios de soluções químicas , e eletrodos conectados a fontes de alimentação e outros enfeites. É ‘ muito difícil obter resultados úteis no ar.
- @Thorondor, consulte o artigo da Wikipedia em ” anodização “. Existem algumas afirmações sobre as diferenças na qualidade da camada de óxido entre o alumínio normal e o alumínio tratado
- nunca tentei, então eu ‘ não sei, mas lembre-se, você tem que endurecer os poros em qualquer filme anodizado para obter 100% de cobertura do óxido.
- @Thorondor E o papel Instabilidade elétrica de filmes compostos de óxido de alumínio como uma fonte para esta resposta? ” Depois de algum tempo em circuito aberto, um filme que suportava várias centenas de volts de repente não sustentará mais do que 10–20 V […] É mostrado que resulta da difusão de água em vazios internos dentro da camada de óxido de barreira. Os vazios são preenchidos com óxido anódico durante a reforma. ”
Resposta
A resposta da engenharia é que a corrente não passa muito bem através da camada de óxido, e se você quiser fazer um bom contato com um objeto de alumínio, deve ter muito cuidado ao fazer isso.
Se você apenas pressionar um fio de cobre (por exemplo) contra um de alumínio, obterá um contato de resistência muito alta. Provavelmente não 4 gigohms, mas talvez na ordem de centenas ou milhares de ohms, então pode haver seja algo para as respostas anteriores que sugerem que a camada de óxido é frágil o suficiente para se separar e permitir algum contato.
Mas, por exemplo, você pode limpar o óxido com uma lixa e depois fazer uma impermeabilização conexão de (ou soldar ou soldar) o outro objeto ao alumínio antes que o óxido tenha tempo de se formar novamente.
Para geometrias pequenas o suficiente (como os fios de ligação usados para conectar chips de circuito integrado a t herdeiros de chumbo), você pode soldar alumínio diretamente a outros materiais como ouro ou prata. Isso tende a deformar substancialmente o fio de alumínio, que deve espalhar o óxido o suficiente para evitar que interfira no contato.
Ou você pode usar um “revestimento” químico ou tratamento de superfície no alumínio para manter o óxido de formar. Um desses tratamentos tem vários nomes como “Alodine”, “conversão de cromato” ou “filme químico”. (Observação: o tratamento tradicional com Alodine não pode ser usado para produtos vendidos na Europa devido à diretiva RoHS, mas os tratamentos químicos mais recentes estão disponíveis e são aceitáveis sob RoHS)
Ou você pode usar um fluxo muito agressivo para deslocar o óxido durante a soldagem. Mas este fluxo deve ser limpo muito bem para evitar corrosão contínua de suas peças.
Comentários
- Esta resposta tem um pouco de informação interessante, mas Eu ‘ sou cético quanto à ideia de que a ” corrente não ‘ passa pelo óxido camada muito bem em tudo. ” Se eu conectar as duas sondas de um ohmímetro padrão a um pedaço de folha de alumínio, eu não ‘ t medir centenas ou milhares de ohms; Eu medi basicamente nenhuma resistência.
- ” deformar o fio de alumínio substancialmente, que deve espalhar o óxido o suficiente para evitar que interfira com o contato. ” – Isso. Quando você usa o fio AL, ‘ s uma especificação de torque e pasta anticorrosão que você deve usar. Costumava ser muito mais sujeito a fluência, mas ‘ está muito melhor agora. Se você apertou corretamente, ele ‘ ultrapassou aquela camada minúscula.
- Acho que o ” revestimento ” mais popular para alumínio é CCA
- @DmitryGrigoryev, que ‘ é comum em alguns aplicativos, mas totalmente desconhecido em outros.
Resposta
Minha hipótese é que a camada de óxido de alumínio na superfície de uma peça de alumínio é tão fina e maleável que, quando um cobre (digamos) o condutor é pressionado contra ele, o óxido de alumínio é facilmente empurrado para o lado para que o contato elétrico seja feito. Eu acredito que o tunelamento QM não pode levar em conta os grandes fluxos de corrente, como observamos nesses casos.
Correção : embora a camada de alumina seja realmente muito fina (devido à alta reatividade ao oxigênio do alumínio combinada com a capacidade do óxido de alumínio de prevenir a oxidação adicional da superfície do alumínio, razão pela qual o alumínio pode permanecer brilhante), não é maleável como em comparação com o alumínio. Ele tem um vínculo muito forte e é duro. Como a referência em meu comentário diz, a resistência da camada de alumina é baixa apenas por causa de sua finura.
Eu soldei com sucesso um fio multistrand de cobre diretamente a um chassi de alumínio simplesmente arranhando a superfície do alumínio com um escova de arame de aço repetidamente enquanto aplica a solda (60/40 chumbo / estanho em torno do fluxo de colofónia) e o ferro de solda (tipo de pistola), depois solda no fio. A junta resultante parecia boa e conduzia eletricidade sem resistência mensurável.
Comentários
- Isn ‘ t o camada de óxido fortemente ligada ao alumínio? Se fosse realmente tão fácil empurrar a camada de óxido para o lado, eu esperaria ver pequenos pedaços de filme de óxido de alumínio caindo toda vez que eu sacudir um objeto de alumínio ou bater em algo.
- @Thorondor, você disse que a camada de óxido tem aproximadamente quatro nanômetros de espessura. Que ‘ s menos de 1/100 dos comprimentos de onda visíveis mais curtos da luz. Mesmo que tenha saído em flocos, você ‘ não vai vê-los.
- em princípio, dependendo dos substratos, você pode ver a diferença entre ter filmes atomicamente finos e sem nenhum deles …. (por exemplo, mudança de contraste de cor roxa por grafeno em pastilha de SiO2)
- ” é pressionado ” – eh, mais como apertou com uma chave allen tanto que ‘ está basicamente dentro dela, mas +1 de qualquer maneira .
- Eu vi fios de alumínio usados na fiação elétrica doméstica. Nesse caso, sim, os fios de alumínio foram pressionados contra os fios de cobre usando pequenos suportes de cobre. Referência: en.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . A seção ” Oxidação de alumínio ” explica que a camada de alumina é tão fina que sua resistência é pequena (a camada de óxido se liga muito firmemente, então não pode descascar). Obviamente, a alumina a granel é um bom isolante, semelhante à cerâmica. Consulte também a seção ” Junção de fios de alumínio e cobre “, que menciona corrosão galvânica.
Resposta
Quando o óxido de alumínio é formado naturalmente, ele inevitavelmente contém defeitos como partículas de poeira, contaminação por metal, umidade retida etc. Além disso, a pressão aplicada ao a conexão mecânica é suficiente para quebrar a camada de óxido. Como resultado, se a área de contato for grande o suficiente, a espessura efetiva da camada de óxido será muito menor do que os 4 nm esperados, essencialmente, será zero. Como resultado, não haverá tensão de ruptura mensurável sob condições típicas e, quando você conecta fios a um objeto de alumínio, ele simplesmente age como um condutor.
A propósito, a camada de óxido não é um recurso exclusivo de alumínio. O que é notável é a rapidez com que oxida (evitando a soldagem na maioria dos casos) e quão ruim é a corrosão galvânica quando está conectada a um metal diferente, como o cobre (que causou muitos incêndios domésticos naquela época). Mas, essencialmente, quando você conecta dois fios de cobre, aplica-se o mesmo raciocínio sobre camadas de óxido.
Resposta
A resistência do óxido de alumínio é 1×10 ^ 14 / cm ohms. Tem boa condutividade térmica e pode reduzir a resistência ao choque térmico. A alumina é muito útil porque está disponível em uma variedade de faixas de pureza de 94% a 99,9%. Geralmente é branca, mas às vezes é rosa (88% alumina) e marrom (96% de alumina). A composição de óxido de alumínio pode ser facilmente alterada para melhorar certas características desejáveis do material, como dureza ou cor. O óxido de alumínio é um material eletricamente isolante com alta resistividade que aumenta com a pureza >
Embora seja um bom isolante, não é um isolante puro, então a corrente viajar por ele.