Проекты

Исследование электрических свойств карандашных линий

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Электроника и приборостроение» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Электротехника
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1520 им. Капцовых
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 2020 года

Актуальность

Нарисованная карандашом на бумаге линия может проводить ток благодаря графиту, который является полуметаллом. Графит обладает поверхностью Ферми, которая имеет сильно вытянутую форму, что говорит о том, что проводимость графита в продольном направлении много выше (примерно в 10000 раз), чем в поперечном. Линия не является сплошной и состоит не только из графита. При производстве карандаша пластичная масса, состоящая из графита и глины, экструзируется через узкие отверстия. Затем происходит отжиг глины; количество глины, которая остаётся в грифеле, определяет твёрдость карандаша. На последнем этапе в грифель добавляют жир, который обеспечивает намазывание материала на бумагу. Таким образом, карандашная линия представляет собой смесь проводящего и непроводящего материалов. Кроме того, на бумагу грифель ложится чешуйками, вследствие чего мы можем говорить о задаче перколяции. Основной вопрос работы: является ли карандашная линия по своим электрическим свойствам вырезанным кусочком грифеля или она ближе к грифельному порошку?

Цель

Исследовать электрические характеристики карандашной линии

Задачи

1. Исследование удельного сопротивления грифеля в зависимости от твёрдости карандаша

2. Исследование удельного сопротивления однослойных и многослойных карандашных линий

3. Построение модели зависимости удельного сопротивления от числа слоёв

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Конденсатор высокой ёмкости
  • Мультиметр
  • Станок ЧПУ

Описание

В работе мы пользовались методом разрядки конденсатора через линию и измеряли характеристическую скорость разрядки. Мы изучили следующие структуры: стержни цанговых карандашей; бороздки, заполненные графитовым порошком; линии, полученные при слабом нажатии; многослойные линии. Основным вопросом мы считаем следующий: является ли карандашная линия по своим электрическим свойствам приближенной к грифелю или к грифельному порошку? Наши измерения и вычисления показывают, что чем выше твёрдость, тем ближе линия к свойствам порошка, то есть грифель крошится, в то время как грифель мягких карандашей намазывается. Мы выявили ряд интересных температурных эффектов, которые связаны с тем, что при повышении температуры из линии начинают испаряться жирующие элементы. Также мы изучили прохождение переменного тока через линию и измерили индуктивность и ёмкость этих структур.

 

Результаты работы/выводы

  1. Сопротивление графитного порошка выше сопротивления цельного грифеля, но менее чем в 10000 раз.
  2. Линия, начерченная твёрдым карандашом, имеет удельное сопротивление, приближенное к сопротивлению порошка.
  3. С понижением твёрдости карандаша сопротивление линии стремится к сопротивлению грифеля.

Перспективы использования результатов работы

На базе карандашных линий можно создать элементы электроники (диоды и транзисторы) с уникальными свойствами.