Să presupunem că conectez un fir conductor (secțiune transversală 1 mm $ ^ 2 $ ) la un obiect din aluminiu. Deoarece aluminiul este extrem de conductiv, electricitatea va curge lin în interiorul obiectului cu o rezistență redusă. Cu toate acestea, deoarece aluminiul este, de asemenea, foarte reactiv, pe suprafața obiectului există un strat subțire de oxid de aluminiu foarte rezistiv. Wikipedia spune că acest strat are aproximativ 4 nm grosime (citând această lucrare ). Naiv, putem calcula rezistența stratului de oxid folosind rezistivitatea aluminei, care este aproximativ $ 10 ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ aproximativ 4 \ ori 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Desigur, nu măsurăm de fapt o rezistență atât de mare. Dar de ce nu? Cum trece exact un curent electric stratul de oxid?
Răspunsul evident este că electronii tunelează pur și simplu prin stratul de oxid. Deci, să calculăm probabilitatea de tunelare. Conform acest document de la MIT OpenCourseWare , stratul de oxid de aluminiu prezintă o barieră potențială de 10 eV. Apoi, coeficientul de transmisie pe un strat de 4 nm este dat de
$$ T \ approx e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ right) (4 \ text {nm})} = 5,16 \ ori 10 ^ {- 57} $$
Acesta este un număr extrem de mic. În principiu, am putea găsi acum rata reală din densitatea stărilor și regula de aur a lui Fermi, dar se pare că rezultatul va fi un curent foarte mic.
Este posibil ca parametrii care Folosesc s-ar putea să fie incorect. Am verificat câteva alte surse și am găsit valori variabile pentru bariera potențială și grosimea oxidului. Cu toate acestea, faptul că aluminiu ușor anodizat cu un strat de oxid mai gros (de exemplu, câteva zeci de nm) conduce electricitate mă face să cred că tunelarea nu este o explicație completă, deoarece rata de tunelare scade exponențial cu grosimea stratului de oxid.
O altă explicație posibilă ar putea fi defectarea electrică sau o altă modificare a structurii cristalului de oxid, cum ar fi topirea. Dar dacă acesta este răspunsul corect, ce se schimbă exact în stratul de oxid pentru a-l face conductiv electric? În mod normal, oxizii nu sunt conductori, deoarece atomii de oxigen elimină electronii liberi. Se oprește acest lucru dintr-un anumit motiv?
Sunt dispus să accept un răspuns teoretic bun, dar sper că există dovezi experimentale, dacă este posibil.
Comentarii
- Dacă aplicați un câmp electric suficient de puternic, atunci un izolator începe să conducă electricitate din cauza defectării electrice. Pentru oxidul de aluminiu, câmpul electric defalcat este de ~ 5 MV / cm (IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 47, NO. 1, IANUARIE 2000), deci se pare că o diferență de potențial de doi volți pe stratul de 4 nm ar trebui să fie suficientă pentru faceți-o.
- @ MaximUmansky Înțeleg conceptul general de avarie electrică, dar filmele subțiri au adesea tensiuni de avarie mai mari decât se așteptau. Intensitatea câmpului de defalcare este încă aplicabilă unui film cu o grosime de doar câțiva nm?
- @MaximUmansky De asemenea, dacă se întâmplă să știți mai multe despre subiect, eu ‘ Sunt curios să aflu mai multe despre ce se întâmplă exact atunci când un strat de oxid se descompune. Cum se schimbă structura cristalină pentru a permite materialului să conducă curent electric? Putem observa efectele cu, să zicem, un STM?
- @Thorondor Nu, nu sunt expert în defecțiuni electrice, am căutat rapid numerele și am ajuns la concluzia că pare plauzibil. Pentru filmele subțiri de oxid de aluminiu de 200 nm, oamenii raportează 0,1 V / nm pentru câmpul de defecțiune. Doar googling oferă numeroase referințe.
- O modalitate de a verifica o ipoteză de defalcare este de a măsura o curbă IV de tablă de aluminiu. Ar trebui să existe un salt clar și, eventual, histerezis. Nu ‘ nu cred că se întâmplă fie cu aluminiu obișnuit, cel mai probabil ideea de defalcare este stodia completă.
Răspuns
Cred că @Maxim Umansky este corect în comentariul său: potențialul de defalcare al stratului de oxid de aluminiu este de doar câțiva volți (a se vedea, de exemplu, figura 8 din 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, octombrie 1976, p. 1479). Pentru o grosime a stratului de aproximativ 4 nm obținem o tensiune de avarie de câțiva volți.
Răspuns
Oxidul nativ care acoperă aluminiu este ușor poros , iar porii au tendința de a prinde cantități mici de umiditate în ele, ceea ce îi face activi din punct de vedere electrochimic și ușor conductivi.(De fapt, pentru ca stratul de oxid de aluminiu să crească în grosime în medii fierbinți, este necesar ca ambii atomi de aluminiu să fie capabili să difuzeze prin oxidul existent pentru a ajunge la oxigen în atmosferă, iar atomii de oxigen să fie capabili să difuzeze în jos prin ajungeți la aluminiu nereacționat sub oxid.)
Pentru a face o suprafață de aluminiu oxidată fără pori, piesa de aluminiu trebuie coaptă într-un cuptor cu atmosferă de oxigen în el, pentru a închide acei pori.
În absența porozității în oxid, mecanismul de conducere este emisia Frenkel-Poole , unde o fluctuație termică aleatorie va promova ocazional un electron legat în banda de conducție, unde poate apoi să se deplaseze sub influența unui câmp extern.
Comentarii
- Să presupunem că am răzuit stratul de oxid de suprafață de pe obiectul de aluminiu în stare complet uscată aer. După ce se formează un nou strat de oxid, atașez un fir conductor. Deoarece nu există umiditate în oxid, aș măsura o rezistență foarte mare (mega / gigaohmi)?
- oxidul se formează rapid … Acest tip de experiment trebuie făcut în pahare pline cu soluții chimice , și electrozi conectați la surse de alimentare și altele. ‘ este foarte greu să obțineți rezultate utile în aer.
- @Thorondor, căutați articolul Wikipedia pe ” anodizare „. Există câteva afirmații cu privire la diferențele dintre calitatea stratului de oxid dintre aluminiu obișnuit și aluminiu tratat
- nu l-am încercat niciodată, așa că nu ‘ știu trebuie să coaceți porii din orice film anodizat pentru a obține o acoperire de 100% a oxidului.
- @Thorondor Ce zici de hârtie Instabilitate electrică a pelicule compozite de oxid de aluminiu ca sursă pentru acest răspuns? ” După o perioadă de timp în circuit deschis, un film care suportase câteva sute de volți va susține brusc nu mai mult de 10-20 V […] Se arată că rezultă din difuzia apei în golurile interne din stratul de oxid de barieră. Golurile devin umplute cu oxid anodic în timpul reformării. ”
Răspuns
Răspunsul tehnic este că curentul nu trece deloc foarte bine prin stratul de oxid și, dacă doriți să faceți un contact bun cu un obiect din aluminiu, trebuie să fiți foarte atenți la modul în care îl faceți.
Dacă apăsați doar un fir de cupru (de exemplu) pe unul de aluminiu, veți obține un contact de rezistență foarte mare. Probabil nu 4 gigohmi, dar poate de ordinul a sute sau mii de ohmi, deci să fie ceva pentru răspunsurile anterioare, care sugerează că stratul de oxid este suficient de fragil pentru a se desprinde și pentru a permite un anumit contact.
Dar, de exemplu, puteți abra oxidul cu hârtie de șlefuit și apoi faceți un etanș la aer conectarea (sau lipirea sau sudarea) celuilalt obiect la aluminiu înainte ca oxidul să aibă timp să se reformeze.
Pentru geometrii suficient de mici (cum ar fi firele de legătură utilizate pentru a conecta cipurile de circuite integrate la t cadru de plumb moștenitor) puteți sudura aluminiu sub presiune direct pe alte materiale, cum ar fi aurul sau argintul. Acest lucru tinde să deformeze în mod substanțial firul de aluminiu, care trebuie să răspândească oxidul suficient pentru a preveni interferența cu contactul.
Sau puteți utiliza un „strat de acoperire” chimic sau un tratament de suprafață pe aluminiu pentru a păstra oxidul. de la formare. Unul dintre aceste tratamente poartă mai multe nume, cum ar fi „Alodine”, „conversie cromatică” sau „film chimic”. (Notă: tratamentul tradițional cu Alodine nu este utilizabil pentru produsele care urmează să fie vândute în Europa datorită directivei RoHS, dar sunt disponibile tratamente chimice mai noi care sunt acceptabile în conformitate cu RoHS)
Sau puteți utiliza un flux foarte agresiv pentru a deplasa oxidul în timpul lipirii. Dar acest flux trebuie curățat foarte bine pentru a evita coroziunea continuă a pieselor dvs.
Comentarii
- Acest răspuns are destul de puține informații interesante, dar ‘ sunt sceptic cu privire la ideea că ” curentul nu ‘ nu trece prin oxid strat foarte bine deloc. ” Dacă conectez cele două sonde ale unui ohmmetru standard la o bucată de folie de aluminiu, nu ‘ t măsoară sute sau mii de ohmi; Practic nu măsoară deloc rezistență.
- ” deformează firul de aluminiu în mod substanțial, care trebuie să răspândească oxidul suficient pentru a preveni interferența acestuia cu contactul. ” – Asta. Când utilizați fir AL, ‘ este o specificație de cuplu și o pastă anticorozivă pe care trebuie să o utilizați. A fost mult mai supus la fluaj, dar ‘ este mult mai bine acum. Dacă l-ați strâns corect, ‘ s-a îndepărtat de acel strat minuscul.
- Cred că cel mai popular ” acoperire ” este pentru aluminiu este CCA
- @DmitryGrigoryev, care ‘ este comun în unele aplicații, dar complet necunoscut în altele.
Răspuns
Ipoteza mea este că stratul de oxid de aluminiu de pe suprafața unei bucăți de aluminiu este atât de subțire și maleabil încât atunci când un cupru (să zicem) conductorul este apăsat împotriva acestuia, oxidul de aluminiu este ușor împins deoparte, astfel încât să se facă contactul electric. Cred că tunelarea QM nu ar putea explica fluxurile mari de curent, așa cum observăm în astfel de cazuri.
Corecție : în timp ce stratul de alumină este într-adevăr foarte subțire (datorită reactivității ridicate la oxigen a aluminiului combinată cu capacitatea oxidului de aluminiu de a preveni oxidarea suplimentară a suprafeței de aluminiu, motiv pentru care aluminiu poate rămâne strălucitor), nu este maleabil comparativ cu aluminiul. Se leagă foarte strâns și este greu. După cum spune referința din comentariul meu, rezistența stratului de alumină este scăzută doar din cauza subțirii sale.
Am lipit cu succes un fir de cupru multistrand direct pe un șasiu de aluminiu prin simpla zgâriere a suprafeței de aluminiu cu un peria de sârmă de oțel în mod repetat în timp ce aplicați lipirea (60/40 plumb / tablă în jurul fluxului de colofon) și fierul de lipit (tip pistol), apoi lipirea în sârmă. Articulația rezultată a arătat bine și a condus electricitatea fără rezistență măsurabilă.
Comentarii
- Nu este ‘ strat de oxid legat puternic de aluminiu? Dacă ar fi atât de ușor să împing stratul de oxid deoparte, m-aș aștepta să văd bucăți mici de folie de oxid de aluminiu căzând de fiecare dată când scutur un obiect din aluminiu sau îl lovesc împotriva a ceva.
- @Torondor, Tu a spus că stratul de oxid are o grosime de aproximativ patru nanometri. Că ‘ este mai mică de 1/100 din lungimea de undă vizibilă cea mai scurtă a luminii. Chiar dacă s-a desprins în fulgi, nu ‘ le veți vedea.
- în principiu, în funcție de substraturi, puteți vedea diferența dintre a avea pelicule subțiri atomic și fără niciunul dintre ele …. (de exemplu, schimbarea contrastului de culoare violet cu grafen pe placă SiO2)
- ” este apăsat ” – eh, mai degrabă ca strâns cu o cheie Allen atât de mult încât ‘ este practic în interiorul său, dar +1 oricum .
- Am văzut fire de aluminiu utilizate în cablurile electrice de uz casnic. În acest caz, da, firele de aluminiu au fost apăsate pe firele de cupru folosind suporturi mici de cupru. Referință: en.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . Secțiunea ” Oxidarea aluminiului ” explică faptul că stratul de alumină este atât de subțire încât rezistența sa este mică (stratul de oxid se leagă foarte strâns, deci nu se poate desprinde). Desigur, alumina în vrac este un bun izolator, asemănător cu ceramica. Vedeți și secțiunea ” Îmbinarea firelor de aluminiu și cupru „, care menționează coroziunea galvanică.
Răspuns
Când oxidul de aluminiu se formează în mod natural, acesta va conține în mod inevitabil defecte precum particule de praf, contaminarea metalelor, umezeala prinsă etc. În plus, presiunea aplicată conexiunea mecanică este suficientă pentru a sparge stratul de oxid. Ca rezultat, dacă zona de contact este suficient de mare, grosimea efectivă a stratului de oxid va fi mult mai mică decât cea așteptată de 4 nm, în esență, va fi zero. Ca urmare, nu va exista o tensiune de avarie măsurabilă în condiții tipice, iar atunci când conectați firele la un obiect din aluminiu, acesta acționează pur și simplu ca un conductor.
Apropo, stratul de oxid nu este o caracteristică unică din aluminiu. Ceea ce este remarcabil este cât de repede se oxidează (prevenind lipirea în majoritatea cazurilor) și cât de gravă este coroziunea galvanică atunci când este conectată la un metal diferit, cum ar fi cuprul (care a provocat multe incendii în casă în timpul zilei). Dar, în esență, când conectați două fire de cupru, se aplică același raționament cu privire la straturile de oxid.
Răspuns
Rezistența oxidului de aluminiu este 1×10 ^ 14 / cm ohmi. Are o conductivitate termică bună și poate reduce rezistența la șoc termic. Alumina este foarte utilă deoarece este disponibilă într-o varietate de puritate, de la 94% la 99,9%. Este de obicei alb, dar uneori este roz (88% alumină) și maro (96% alumină) .Compoziția oxidului de aluminiu poate fi ușor modificată pentru a spori anumite caracteristici materiale dorite, cum ar fi duritatea sau culoarea. Oxidul de aluminiu este un material izolator electric cu rezistivitate ridicată care crește cu puritatea.
Deși este un bun izolator, nu este un izolator pur, așa că va fi curentul călătoriți prin el.