Исследование электрических свойств карандашных линий

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.