En el aluminio, ¿cómo viaja la electricidad a través de la capa superficial de óxido?

Question

Supongamos que conecto un hilo conductor (sección de 1 mm $^2$ ) a un objeto de aluminio. Como el aluminio es muy conductor, la electricidad fluirá suavemente por el interior del objeto sin apenas resistencia. Sin embargo, como el aluminio también es muy reactivo, hay una fina capa de óxido de aluminio muy resistente en la superficie del objeto. Wikipedia dice que esta capa es de 4 nm de espesor (citando este documento ). Ingenuamente, podemos calcular la resistencia de la capa de óxido utilizando la resistividad de la alúmina, que es acerca de $10^{14} \,\Omega \cdot \text{cm}$ :

$$R=\rho \frac{l}{A} \approx 4\times 10^9 \,\Omega$$

Por supuesto, en realidad no medimos una resistencia tan grande. Pero, ¿por qué no? ¿Cómo pasa exactamente una corriente eléctrica a través de la capa de óxido?

La respuesta obvia es que los electrones simplemente atraviesan la capa de óxido. Así que calculemos la probabilidad de tunelización. Según este documento de MIT OpenCourseWare la capa de óxido de aluminio presenta una barrera de potencial de 10 eV. Entonces el coeficiente de transmisión a través de una capa de 4 nm viene dado por

$$T \approx e^{-2\left( \sqrt{2 m_e / \hbar^2 \cdot (10\text{ eV})} \right) (4\text{ nm})} = 5.16 \times 10^{-57}$$

Es un número extremadamente pequeño. En principio, ahora podríamos encontrar la tasa real a partir de la densidad de estados y la regla de oro de Fermi, pero parece probable que el resultado sea una corriente muy pequeña.

Es posible que los parámetros que estoy utilizando sean incorrectos. He consultado otras fuentes y he encontrado valores muy distintos para la barrera de potencial y el grosor del óxido. Sin embargo, el hecho de que el aluminio ligeramente anodizado con una capa de óxido más gruesa (por ejemplo, unas decenas de nm) siga conduciendo la electricidad me hace pensar que la tunelización no es una explicación completa, ya que la velocidad de tunelización disminuye exponencialmente con el grosor de la capa de óxido.

Otra posible explicación podría ser la ruptura eléctrica o algún otro cambio en la estructura cristalina del óxido, como la fusión. Pero si ésta es la respuesta correcta, ¿qué cambia exactamente en la capa de óxido para hacerla conductora de la electricidad? Normalmente, los óxidos no son conductores porque los átomos de oxígeno eliminan los electrones libres. ¿Deja de ocurrir esto por alguna razón?

Estoy dispuesto a aceptar una buena respuesta teórica, pero espero pruebas experimentales si es posible.

Answer 1

El óxido nativo que recubre el aluminio es ligeramente poroso, y los poros tienden a atrapar pequeñas cantidades de humedad. Esto los hace electroquímicamente activos y ligeramente conductores. (De hecho, para que la capa de óxido de aluminio aumente de grosor en ambientes calientes es necesario que tanto los átomos de aluminio sean capaces de difundirse hacia arriba a través del óxido existente para alcanzar el oxígeno de la atmósfera como que los átomos de oxígeno sean capaces de difundirse hacia abajo a través del óxido para alcanzar el aluminio sin reaccionar que se encuentra debajo del óxido).

Para que una superficie de aluminio oxidado no tenga poros, la pieza de aluminio debe cocerse en un horno con una atmósfera de oxígeno, para cerrar esos poros.

En ausencia de porosidad en el óxido, el mecanismo de conducción es Emisión Frenkel-Poole , donde una fluctuación térmica aleatoria promoverá ocasionalmente un electrón ligado a la banda de conducción, donde puede derivar bajo la influencia de un campo externo.

Answer 2

La respuesta técnica es que la corriente no atraviesa muy bien la capa de óxido y, si quieres hacer un buen contacto con un objeto de aluminio, tienes que tener mucho cuidado al hacerlo.

Si simplemente presionas un cable de cobre (por ejemplo) contra uno de aluminio, obtendrás un contacto de muy alta resistencia. Probablemente no 4 gigohmios, pero tal vez en el orden de cientos o miles de ohmios, por lo que puede haber algo a las respuestas anteriores que sugieren la capa de óxido es lo suficientemente frágil como para romper y permitir algún contacto.

Pero, por ejemplo, puede eliminar el óxido con papel de lija y, a continuación, realizar una conexión hermética (o soldar) del otro objeto al aluminio antes de que el óxido tenga tiempo de volver a formarse.

Para geometrías suficientemente pequeñas (como los alambres de unión utilizados para conectar chips de circuitos integrados a sus marcos de plomo) se puede soldar a presión aluminio directamente a otros materiales como oro o plata. Esto tiende a deformar considerablemente el alambre de aluminio, que debe esparcir el óxido lo suficiente para evitar que interfiera con el contacto.

También puede utilizar un "revestimiento" químico o un tratamiento de la superficie del aluminio para evitar que se forme óxido. Uno de estos tratamientos recibe varios nombres, como "Alodine", "chromate conversion" o "chem film". (Nota: el tratamiento tradicional con alodine no es utilizable para los productos que se venden en Europa debido a la directiva RoHS, pero existen tratamientos químicos más recientes que son aceptables en virtud de la directiva RoHS).

O puede utilizar un fundente muy agresivo para desplazar el óxido durante la soldadura. Pero este fundente debe limpiarse muy a fondo para evitar la corrosión continua de sus piezas.

Answer 3

Creo que @Maxim Umansky tiene razón en su comentario: el potencial de ruptura de la capa de óxido de aluminio es de sólo unos pocos voltios (véase, por ejemplo, Fig.8 en 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, octubre de 1976, p. 1479). Para un grosor de capa de unos 4 nm se obtiene una tensión de ruptura de unos pocos voltios.

Answer 4

Mi hipótesis es que la capa de óxido de aluminio en la superficie de un trozo de aluminio es tan fina y maleable que cuando se presiona contra ella un conductor (digamos) de cobre, el óxido de aluminio se aparta fácilmente para que se produzca el contacto eléctrico. Creo que la tunelización QM no podría explicar los grandes flujos de corriente que observamos en estos casos.

Corrección Aunque la capa de alúmina es muy fina (debido a la alta reactividad al oxígeno del aluminio combinada con la capacidad del óxido de aluminio para evitar una mayor oxidación de la superficie del aluminio, razón por la cual el aluminio puede permanecer brillante), no es maleable en comparación con el aluminio. Se adhiere muy fuertemente y es duro. Como dice la referencia de mi comentario, la resistencia de la capa de alúmina es baja sólo por su delgadez.

He soldado con éxito un cable multifilar de cobre directamente a un chasis de aluminio simplemente rascando la superficie de aluminio con un cepillo de alambre de acero repetidamente mientras aplicaba la soldadura (60/40 plomo/estaño alrededor de fundente de colofonia) y el soldador (tipo pistola), luego soldando el cable. La unión resultante tenía buen aspecto y conducía la electricidad sin resistencia medible.

Answer 5

Cuando el óxido de aluminio se forma de forma natural, inevitablemente contiene defectos como partículas de polvo, contaminación metálica, humedad atrapada, etc. Además, la presión aplicada a la conexión mecánica es suficiente para romper la capa de óxido. Como resultado, si el área de contacto es lo suficientemente grande, el grosor efectivo de la capa de óxido será mucho menor que los 4nm esperados, esencialmente, será cero. Como resultado, no habrá tensión de ruptura medible en condiciones típicas, y cuando se conectan cables a un objeto de aluminio, éste simplemente actúa como conductor.

Por cierto, la capa de óxido no es una característica exclusiva del aluminio. Lo que es notable es lo rápido que se oxida (lo que impide la soldadura en la mayoría de los casos) y lo mala que es la corrosión galvánica cuando se conecta a un metal distinto, como el cobre (que causó muchos incendios de casas en su día). Pero, en esencia, cuando se conectan dos cables de cobre, se aplica el mismo razonamiento sobre las capas de óxido.