Antag att jag ansluter en ledande tråd (tvärsnitt 1 mm $ ^ 2 $ ) till en aluminiumföremål. Eftersom aluminium är mycket ledande kommer el att strömma smidigt inuti objektet med lite motstånd. Eftersom aluminium också är mycket reaktivt finns det emellertid ett tunt skikt av mycket resistiv aluminiumoxid på objektets yta. Wikipedia säger att detta lager är ungefär 4 nm tjockt (med hänvisning till detta dokument ). Naivt kan vi beräkna oxidskiktets motstånd med hjälp av aluminiumoxidens resistivitet, som är ungefär $ 10 ^ {14} \, \ Omega \ cdot \ text {cm} $ :
$$ R = \ rho \ frac {l} {A} \ ca 4 \ gånger 10 ^ 9 \, \ Omega $$
Naturligtvis mäter vi faktiskt inte så stort motstånd. Men varför inte? Hur passerar en elektrisk ström exakt oxidlagret?
Det uppenbara svaret är att elektroner helt enkelt tunnlar genom oxidlagret. Så låt oss beräkna tunnelsannolikheten. Enligt detta dokument från MIT OpenCourseWare utgör aluminiumoxidskiktet en potentiell barriär på 10 eV. Sedan ges överföringskoefficienten över ett 4 nm lager av
$$ T \ approx e ^ {- 2 \ left (\ sqrt {2 m_e / \ hbar ^ 2 \ cdot (10 \ text {eV})} höger) (4 \ text {nm})} = 5,16 \ gånger 10 ^ {- 57} $$
Detta är ett extremt litet antal. I princip kunde vi nu hitta den faktiska hastigheten från tätheten av stater och Fermis gyllene regel, men det verkar troligt att resultatet blir en mycket liten ström.
Det är möjligt att parametrarna som Jag använder kan vara felaktigt. Jag kollade några andra källor och hittade mycket olika värden för den potentiella barriären och oxidtjockleken. Det faktum att lätt anodiserat aluminium med ett tjockare oxidskikt (till exempel några tiotals nm) fortfarande leder elektricitet får mig att tänka att tunnling inte är en fullständig förklaring, eftersom tunnelhastigheten minskar exponentiellt med oxidskikttjockleken.
En annan möjlig förklaring kan vara elektrisk nedbrytning eller någon annan förändring i oxidkristallstrukturen, såsom smältning. Men om detta är rätt svar, vad förändras exakt i oxidskiktet för att göra det elektriskt ledande? Normalt är oxider inte ledande eftersom syreatomerna tar bort fria elektroner. Slutar detta hända av någon anledning?
Jag är villig att acceptera ett bra teoretiskt svar, men jag hoppas på experimentellt bevis om det är möjligt.
Kommentarer
- Om du använder tillräckligt starkt elektriskt fält börjar en isolator leda elektricitet på grund av elektriska nedbrytningar. För aluminiumoxid är det elektriska fältets nedbrytning ~ 5 MV / cm (IEEE-TRANSAKTIONER PÅ ELEKTRONISKA ENHETER, VOL. 47, NO. 1, JANUARI 2000) så det ser ut som att ett par volt potentialskillnad över 4 nm-skiktet borde vara tillräckligt för gör det.
- @MaximUmansky Jag förstår det allmänna begreppet elektrisk nedbrytning, men tunna filmer har ofta högre spänningar än förväntat. Är uppdelningsfältets styrka fortfarande tillämplig på en film bara några nm tjock?
- @MaximUmansky Om du råkar veta mer om ämnet, ’ Jag är nyfiken på att lära mig mer om vad som exakt händer när ett oxidskikt bryts ner. Hur förändras kristallstrukturen så att materialet kan leda elektrisk ström? Kan vi observera effekterna med, till exempel, en STM?
- @Thorondor Nej, jag är inte expert på elstörning, jag letade bara upp siffrorna snabbt och drog slutsatsen att det ser troligt ut. För 200 nm tunna filmer av aluminiumoxid rapporterar människor 0,1 V / nm för uppdelningsfältet. Bara googla det ger många referenser.
- Ett sätt att kontrollera en uppdelningshypotes är att mäta en IV-kurva av aluminiumplåt. Det bör vara ett tydligt hopp och eventuellt hysteres. Jag tror inte ’ antingen hända med vanligt aluminium, troligtvis är uppdelningsidén den fullständiga stodin.
Svar
Jag tror @Maxim Umansky stämmer i sin kommentar: nedbrytningspotentialen för aluminiumoxidskiktet är bara några volt (se t.ex. fig. 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, oktober 1976, s. 1479). För en skikttjocklek på cirka 4 nm får vi en nedbrytningsspänning på några volt.
Svar
Den inhemska oxid som täcker aluminium är något porös och porerna tenderar att fånga in små mängder fukt i dem, vilket gör dem elektrokemiskt aktiva och någonsin så lätt ledande.(För att aluminiumoxidskiktet ska växa i tjocklek i heta miljöer krävs det att både aluminiumatomerna kan diffundera upp genom den befintliga oxiden för att nå syre i atmosfären och syreatomerna kan diffundera ner genom oxiden till nå oreagerat aluminium under oxiden.)
För att göra en oxiderad aluminiumyta porfri måste aluminiumstycket bakas i en ugn med en syreatmosfär i, för att stänga av dessa porer.
I avsaknad av porositet i oxiden är ledningsmekanismen Frenkel-Poole-emission där en slumpmässig termisk fluktuering ibland kommer att främja en bunden elektron in i ledningsbandet, där den kan sedan drivas under påverkan av ett externt fält.
Kommentarer
- Antag att jag skrapade av ytoxidskiktet på aluminiumföremålet helt torrt luft. Efter att ett nytt oxidskikt bildats fäster jag en ledande tråd. Eftersom det inte finns någon fukt i oxiden, skulle jag mäta ett mycket högt (mega / gigaohms) motstånd?
- oxiden bildas snabbt … Denna typ av experiment måste göras i bägare fulla av kemiska lösningar , och elektroder anslutna till strömförsörjning och annat. Det är ’ mycket svårt att få användbara resultat i luften.
- @Thorondor, leta upp Wikipedia-artikeln på ” anodiserar ”. Det finns några uttalanden om skillnader i oxidlagerskvaliteten mellan vanlig aluminium och behandlad aluminium
- har aldrig provat det, så jag vet inte ’ men kom ihåg, du måste baka ut porerna i vilken eloxerad film som helst för att få 100% täckning av oxiden.
- @Thorondor Vad sägs om papperet Elektrisk instabilitet hos sammansatta aluminiumoxidfilmer som källa för detta svar? ” Efter en tid på öppen krets kommer en film som stöttat flera hundra volt plötsligt att upprätthålla högst 10–20 V […] Det visas att den härrör från spridning av vatten in i inre håligheter i barriäroxidskiktet. Hålrummen fylls med anodoxid under reformationen. ”
Svar
Det tekniska svaret är att strömmen inte passerar genom oxidskiktet alls, och om du vill göra en bra kontakt med ett aluminiumföremål måste du vara mycket försiktig med hur du gör det.
Om du bara trycker en koppartråd (till exempel) mot en aluminium får du en mycket hög motståndskontakt. Antagligen inte 4 gigohms, men kanske i storleksordningen hundratals eller tusentals ohm, så det kan vara något av de tidigare svaren som antyder att oxidskiktet är bräckligt nog för att bryta loss och tillåta viss kontakt.
Men till exempel kan du skrapa bort oxiden med sandpapper och sedan göra en lufttät anslutning (eller lödning eller svetsning) av det andra föremålet till aluminiumet innan oxiden har tid att omformas.
För tillräckligt små geometrier (som bindningstrådarna som används för att ansluta integrerade kretschips till t arvledarramar) kan du trycksvetsa aluminium direkt på andra material som guld eller silver. Detta tenderar att deformera aluminiumtråden väsentligt, vilket måste sprida ut oxiden tillräckligt för att förhindra att den stör kontakten.
Eller så kan du använda en kemisk ”beläggning” eller ytbehandling på aluminium för att hålla oxiden från att bildas. En av dessa behandlingar går under flera namn som ”Alodine”, ”chromate conversion” eller ”chem film”. (Obs: traditionell alodinbehandling är inte användbar för produkter som säljs i Europa på grund av RoHS-direktivet, men det finns nyare kemiska behandlingar som är acceptabla enligt RoHS).
Eller så kan du använda ett mycket aggressivt flöde för att förskjuta oxiden under lödning. Men detta flöde måste rengöras mycket noggrant för att undvika fortsatt korrosion av dina delar.
Kommentarer
- Detta svar har en hel del intressant information, men Jag ’ är skeptisk till tanken att ” ström inte ’ t passerar genom oxiden skikt alls bra. ” Om jag ansluter de två sonderna till en standard ohmmeter till en bit aluminiumfolie, gör jag inte ’ t mäta hundratals eller tusentals ohm; Jag mäter i princip inget motstånd alls.
- ” deformerar aluminiumtråden väsentligt, som måste sprida oxiden tillräckligt för att förhindra att den stör med kontakten. ” – Det. När du använder AL-tråd finns ’ en vridmomentsspecifikation och korrosionsskyddande pasta som du måste använda. Det brukade vara mycket mer föremål för krypning, men det ’ är mycket bättre nu. Om du vridit rätt, är det ’ långt förbi det lilla lagret.
- Jag tycker att den mest populära ” beläggningen ” är för aluminium är CCA
- @DmitryGrigoryev, att ’ är vanligt i vissa applikationer, men helt okänt i andra.
Svar
Min hypotes är att skiktet aluminiumoxid på ytan av en bit aluminium är så tunt och smidigt att när en koppar (säg) ledaren pressas mot den, aluminiumoxiden skjuts lätt åt sidan så att elektrisk kontakt skapas. Jag tror att QM-tunnling inte kunde redogöra för de stora strömflödena som vi observerar i sådana fall.
Korrigering : medan aluminiumoxidskiktet verkligen är mycket tunt (på grund av aluminiumens höga syrereaktivitet i kombination med aluminiumoxidens förmåga att förhindra ytterligare oxidation av aluminiumytan, varför aluminium kan förbli glänsande), jämfört med aluminium. Det binder mycket tätt och är svårt. Som referensen i min kommentar säger är motståndet hos aluminiumoxidskiktet lågt bara på grund av dess tunnhet.
Jag har framgångsrikt lödt en koppartrådstråd direkt i ett aluminiumchassi genom att helt enkelt skrapa aluminiumytan med en ståltrådborste upprepade gånger medan du applicerar lödet (60/40 bly / tenn runt koloflödet) och lödkolven (pistoltyp) och löd sedan in tråden. Den resulterande fogen såg bra ut och ledde elektricitet utan mätbart motstånd.
Kommentarer
- Är inte ’ t oxidskikt bundet starkt till aluminium? Om det verkligen var så lätt att skjuta oxidskiktet åt sidan, skulle jag förvänta mig att se små bitar av aluminiumoxidfilm falla av varje gång jag skakar ett aluminiumföremål eller slår det mot något.
- @Thorondor, Du sa att oxidskiktet är ungefär fyra nanometer tjockt. Att ’ är mindre än 1/100 av de kortaste synliga våglängderna för ljus. Även om det avföll i flingor kommer du inte ’ att se dem.
- I princip, beroende på substrat, kan du se skillnaden mellan att ha atomiskt tunna filmer och har ingen av dem …. (t.ex. lila färgkontrastförändring med grafen på SiO2-skiva)
- ” trycks ” – eh, mer som åtdragna med en insexnyckel så mycket att den ’ är i princip inuti den, men +1 ändå .
- Jag har sett aluminiumtrådar som används i elektriska ledningar. I det här fallet, ja, pressades aluminiumtrådarna mot koppartrådarna med små kopparfästen. Referens: sv.wikipedia.org/wiki/Aluminum_building_wiring . Avsnitt ” Aluminiumoxidation ” förklarar att aluminiumoxidskiktet är så tunt att dess motstånd är litet (oxidskiktet binder mycket tätt, så det kan inte flaga av). Naturligtvis är aluminiumoxid i bulk en bra isolator, liknar keramik. Se även avsnitt ” Anslutning av aluminium- och koppartrådar ”, som nämner galvanisk korrosion.
Svar
När aluminiumoxid bildas naturligt kommer den oundvikligen att innehålla defekter som dammpartiklar, metallföroreningar, instängd fukt etc. Dessutom trycket som appliceras på mekanisk anslutning räcker för att bryta oxidskiktet. Som ett resultat, om kontaktytan är tillräckligt stor, kommer oxidskiktets effektiva tjocklek att vara mycket mindre än den förväntade 4 nm, i huvudsak blir den noll. Som ett resultat kommer det inte att finnas någon mätbar nedbrytningsspänning under typiska förhållanden, och när du ansluter ledningar till ett aluminiumföremål fungerar det helt enkelt som en ledare.
Förresten är oxidskikt inte en unik egenskap av aluminium. Det som är anmärkningsvärt är hur snabbt det oxiderar (förhindrar lödning i de flesta fall) och hur dålig galvanisk korrosion är när den är ansluten till en olik metall som koppar (vilket orsakade många husbränder på dagen). Men i huvudsak när du ansluter två koppartrådar, samma resonemang om oxidskikt gäller.
Svar
Motståndet hos aluminiumoxid är 1×10 ^ 14 Den har bra värmeledningsförmåga och kan minska motståndet mot värmechock. Aluminiumoxid är mycket användbar eftersom den finns i en mängd olika renhetsområden från 94% till 99,9%. Den är vanligtvis vit men är ibland rosa (88% aluminiumoxid) och brun (96% aluminiumoxid). Kompositionen av aluminiumoxid kan lätt ändras för att förbättra vissa önskade materialegenskaper såsom hårdhet eller färg. Aluminiumoxid är ett elektriskt isolerande material med hög resistivitet som ökar med renhet.
Även om det är en bra isolator är det inte en ren isolator så nuvarande resa genom den.