Как найти удельное сопротивление графита

Введение

Исследовательская работа «Зависимость удельного сопротивления карандаша от его марки» преследовала следующие цели:

• познакомить ребят с исследовательским методом;

• расширить их кругозор;

• поднять интерес к предмету физики;

• развивать логическое мышление;

• научить работать с физическими приборами.

Перед ребятами была поставлена задача — комплексно раскрыть тему графитового карандаша. Для этого им пришлось рассмотреть структуру и свойства графита, историю возникновения и развития карандашного производства и на основе этих знаний выдвинуть гипотезу о зависимости удельного сопротивления карандаша. Для подтверждения полученных выводов ребятам пришлось проводить физический эксперимент, который потребовал изготовления одного из приборов своими руками.

Исследовательская работа заставила ребят решать следующие задачи:

• научиться находить информацию в сети Интернет;

• коллективно работать в группе;

• проводить теоретические выкладки и обоснования;

• выдвигать гипотезу и делать выводы;

• собирать электрическую цепь, снимать показания с приборов;

• оформлять полученные данные в виде таблицы и диаграммы.

Свойства графита.

Графит (от греч. γραφειν — пишу) — минерал из класса самородых элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решетки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический). Слои слабоволнистые почти плоские, состоят из шестиугольных слоев атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые. Образует листоватые и и округлые радиально-лучистые агрегаты, реже — агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто треугольная штриховка на плоскостях (0001).

Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1-2 по шкале Мооса). Плотность 2,08 — 2,23 г/см³. Цвет серый, блеск металлический. Неплавок, устойчив при нагревании в отсутствии воздуха. В кислотах не растворяется. Жирный на ощупь. Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа.

Структура графита.

Каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими окружающими его атомами углерода.

Сопутствующие минералы: пирит, гранаты, шпинель. Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах — кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Акцессорный минерал метеоритов.

Получают нагреванием смеси кокса и пека до 2800 °C; из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500 °С в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до температуры 2500—3000 °С при давлении 50 МПа (образовавшийся продукт — пирографит).

Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.

Применение графита

• для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит — применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов

• электродов, нагревательных элементов — благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов).

• Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита:

  • 1 Хорошая электропроводность, и как следствие — его пригодность для изготовления электрода

  • 2 Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде — это углекислый газ. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизера сам, и не требует специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно упрощает технологию производства алюминия.

• твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках

• наполнитель пластмасс

• замедлитель нейтронов в ядерных реакторах

• компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином)

• для получения синтетических алмазов

История развития и структура карандаша.

С давних пор в качестве пишущего инструмента наряду с мелом использовались кусочки мягкого минерала графита – одной из разновидностей углерода. Графит имеет слоистое, чешуйчатое строение. При трении о какой-либо предмет чешуйки этого материала отслаиваются и оставляют след на предмете. Слово графит произошло от греч. графо – пишу. Со временем из кусков графита стали изготавливать палочки, а для того, чтобы не пачкались руки, они обертывались различными материалами (тканью, бумагой и т.д.). Эволюция графитового пишущего инструмента в конце концов привела к созданию деревянного карандаша, известного каждому человеку. Как же выделывают современный карандаш?

Для изготовления рабочей части графитового карандаша готовят смесь графита и глины с добавкой небольшого количества гидрированного подсолнечного масла. В зависимости от соотношения графита и глины получают грифель различной мягкости – чем больше графита, тем более мягкий грифель. Смесь перемешивают в шаровой мельнице в присутствии воды в течение 100 ч. Приготовленную массу пропускают через фильтр-прессы и получают плиты. Их подсушивают, а затем из них выдавливают на шприц-прессе стержень, который режут на части определенной длины. Стержни в специальных приспособлениях высушивают и исправляют возникшую кривизну. Затем их обжигают при температуре 1000…1100°C в шахтных тиглях.

Для изготовления древесной части карандаша в различных странах используют различные породы древесины (липа, сибирский кедр и др.). Определенного размера (в 5…7 карандашей) дощечки из древесины пропаривают в автоклаве с водным раствором калиевого мыла и с добавками турецкого красного мыла при 100 атм без нагревания, т.е. при комнатной температуре. После обработки в автоклаве дощечки сушат в потоке теплого воздуха. Затем в них делают каналы точно на половину грифеля карандаша. Эти дощечки промазывают клеем (поливинилацетатом), в каналы вкладывают грифели и накрывают другой такой же промазанной клеем дощечкой, но уже без грифеля. Склеивание проводят под прессом при комнатной температуре. Затем склеенные дощечки разрезают на соответствующее количество карандашей и обрабатывают их снаружи до заданной формы – круглой или шестигранной, края обрезают, а поверхность шлифуют и затем окрашивают. После этого на поверхности под прессом выдавливают марку завода-изготовителя и название карандаша.

В состав грифелей цветных карандашей входят каолин, тальк, стеарин (широкому кругу людей он известен как материал для изготовления свечей) и стеарат кальция (кальциевое мыло). Стеарин и стеарат кальция являются пластификаторами. В качестве связывающего материала используют карбоксиметилцеллюлозу. Это клей, используемый для наклейки обоев. Здесь его также предварительно заливают водой для набухания. Кроме того, в грифели вводят соответствующие красители, как правило, это органические вещества. Такую смесь перемешивают (вальцуют на специальных машинах) и получают в виде тонкой фольги. Ее измельчают и полученным порошком набивают пистолет, из которого и шприцуют смесь в виде стержней, которые режут на куски определенной длины и затем сушат. Для окраски поверхности цветных карандашей используют те же пигменты и лаки, которыми обычно окрашивают детские игрушки. Подготовку деревянной оснастки и ее обработку проводят так же, как и для графитовых карандашей.

Источник информации: www.wikipedia.org

Гипотеза.

Изучив основы карандашного производства, мы узнали, что для твердости в графит добавляют глину. Чем тверже карандаш, тем больше глины в его составе. Известно, что графит – хороший проводник электричества, а глина является изолятором. Отсюда следует вывод: чем больше глины в составе графита, тем хуже он проводит электрический ток. А это значит, что чем тверже карандаш, тем больше его удельное сопротивление.

Для подтверждения гипотезы был проведен физический эксперимент.

Оборудование: набор графитовых карандашей различной твердо-мягкости, амперметр, вольтметр, источник тока, соединительные провода, прибор для крепления карандаша в цепь, линейка, штангенциркуль.

Схема экспериментальной установки:

Рис. 1.

Теоретические обоснования.

Удельное сопротивление проводника выводим из формулы сопротивления проводника: R = *l / S  = R* S / l (1), где  — удельное сопротивление проводника, S – площадь поперечного сечения графитового стержня, l – длина графитового стержня.

Чтобы рассчитать сопротивление R, воспользуемся законом Ома для участка цепи: I = U / R, где U – напряжение на концах проводника, I – сила тока в цепи. Отсюда, R = U / I. Подставив полученное выражение в формулу (1), получаем  = U*S / (I * l), где S=*d²/4.

Ход работы.

1. Собрали цепь по рисунку 1.

2. В прибор для крепления вставили исследуемый карандаш.

3. Сняли показания амперметра и вольтметра.

4. Записали данные в таблицу.

5. Заменили исследуемый карандаш на карандаш другой марки.

6. Повторили п. 3,4,5.

7. Измерили длину карандаша линейкой.

8. Измерили диаметр поперечного сечения графитового стержня штангенциркулем.

9. Рассчитали площадь поперечного сечения стержня.

10. Внесли данные в таблицу.

Марка карандаша

Длина l, м

Площадь сечения S, мм²

Напряжение

U, В

Сила тока

I, А

Удельное

сопротивление

,

2В

0,1

3,14

2,2

0,35

197

1В

0,1

3,14

2,2

0,3

230

НВ

0,1

3,14

2,2

0,3

230

1Н

0,1

3.14

2,4

0,25

301

2Н

0,1

3,14

3

0,15

628

3Н

0,1

3,14

3

0,1

942

Итог работы.

Результаты проведенного эксперимента подтвердили правильность выдвинутой гипотезы: удельное сопротивление графитового стержня возрастает с увеличением твердости карандаша.

Данные таблицы наглядно представлены в диаграмме на рисунке 2.

Электрическое сопротивление углерода.

Об электрическом сопротивлении

Электрическое сопротивление углерода

Валентность углерода

Молярная масса углерода

Плотность углерода

Степень окисления углерода

Температура плавления углерода

Температура кипения углерода

Теплопроводность углерода

Удельная теплоемкость углерода

Удельная теплота сгорания углерода

Электропроводность углерода

Все свойства атома углерода

Об электрическом сопротивлении:

Электрическое сопротивление – физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока.

Электрическое сопротивление является обратной величиной электропроводности.

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрического сопротивления является ом (русское обозначение: Ом; международное: Ω).

1 Ом равен электрическому сопротивлению проводника, между концами которого возникает напряжение 1 вольт при силе постоянного тока 1 ампер.

Электрическое сопротивление среды (вещества) зависит от свойств вещества (среды) проводить или препятствовать прохождению электрического тока, его длины, сечения, геометрии, температуры и пр. факторов.

Удельным электрическим сопротивлением (удельным сопротивлением) называют меру способности вещества препятствовать прохождению электрического тока.

Удельное электрическое сопротивление обозначается буквой ρ и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в омах на метр (Ом·м).

Электрическое сопротивление углерода:

Удельное электрическое сопротивление углерода в форме графита (ρ) составляет 7,837 мкОм·м.

Удельное электрическое сопротивление углерода в форме графита приведена при температуре 20 °C.

Величина электрического сопротивления и её механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура.

Точное значение удельного электрического сопротивления вещества в зависимости от физических условий (температуры и пр.) необходимо смотреть в справочниках.

Все свойства атома углерода

Источник: https://en.wikipedia.org

Коэффициент востребованности
113

Физические свойства графита при заданной температуре (Таблица)

Таблица содержит значения физических свойств графита, его теплопроводность, сопротивление разрыву, модуль упругости, удельную теплоемкость, электросопротивление графита.

Исследование электрических свойств простого карандаша.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

Графит является основой для производства графена — перспективного материала как основы наноэлектроники. Изучение электрических свойств графита является актуальным,

Поэтому цель моего проекта:

-исследование зависимости электрического сопротивления грифеля простого карандаша от его состава и линейных размеров

— сборка электрической цепи, в одном из участков которой используется карандаш.

Задачи:

1)- изучение различных источников информации о карандашах

2)- измерение с помощью цифрового мультиметра электрического сопротивления грифелей карандашей разных видов;

3)- исследования зависимости электрического сопротивления грифеля карандаша от его линейных размеров;

4)- проверка работы электрической цепи, в одном из участков которой используется карандаш.

5)-анализ полученных результатов.

Гипотеза:

Загорится ли лампочка в электрической цепи, если один из участков цепи заменить на стержень простого карандаша?

Объект исследования:

Грифель простого карандаша.

Оборудование и материалы:

Мультиметр, батарейки 4х1,5 В, лампочка карманного фонарика, соединительные проводники, переключатель, простые карандаши разной твердости

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Карандаш (тюрк. karadaş, «кара» — чёрный, «даш» — камень, дословно, — чёрный камень) — инструмент в виде стержня, изготавливаемого из пишущего материала (угля, графита, сухих красок и т. п.), применяемый для письма, рисования, черчения. Часто, в целях удобства, пишущий стержень карандаша вставляется в специальную оправу.

Простой карандаш имеет графитовый грифель и пишет серым цветом с оттенками от светлого до почти чёрного (зависит от твёрдости графита).

Карандаши различаются по твёрдости грифеля, которая, как правило, указана на карандаше и обозначается буквами М (или B — от англ. blackness (букв. чернота) — мягкий и Т (или H — от англ. hardness (твёрдость) — твёрдый. Стандартный (твёрдо-мягкий) карандаш обозначается сочетаниями ТМ или HB. Буква F (от англ. fine point (тонкость) – это средний тон между НВ и Н.

Интересные факты:

Известный французский карикатурист Эммануэль Пуаре (1858—1909), родившийся в России, придумал себе аристократично звучащий на французский манер псевдоним Caran d’Ache, которым стал подписывать свои работы. Позднее этот вариант французской транскрипции русского слова «карандаш», был выбран названием и фирменным знаком швейцарской торговой марки Caran d’Ache, основанной в Женеве в 1924 году, выпускающей эксклюзивные пишущие инструменты и аксессуары.

Обычным карандашом средней твёрдости можно провести линию длиной 55 км или написать 45 тысяч слов. Одна буква, написанная карандашом, весит в среднем 0,00033 грамма.

Определение электрического сопротивления грифеля.

Проверим, проводит ли грифель карандаша электрический ток, и от каких величин зависит его значение.

Напряжение — характеристика электрического поля, характеризуется работой над единичным зарядом.

Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени служит основной количественной характеристикой тока называемой силой тока.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 Вольт возникает ток силой 1 Ампер. Сопротивление обозначается величиной R. Сопротивление определяем из закона Ома для участка цепи:

Сопротивление зависит от длины проводника, площади его поперечного сечения и материала, из которого он сделан. Удельное сопротивление графита равно 13

Ом*мм²м.

Для проведения эксперимента мы использовали грифели разной длины: 10,5; 11,5; 15,5; 17,5 см.

В результате эксперимента получили:

Грифель длиной 10,5 см. и мягкостью ТМ имеет сопротивление 11 Ом;

Грифель длиной 11,5 см. и мягкостью М- 7 Ом;

Грифель длиной 17,5 см. и мягкостью 2М- 5 Ом;

Грифель длиной 17,5 см. и мягкостью 3М- 3 Ом

Собрав электрическую цепь, в одном из участков которой используется стержень простого карандаша, я убедился, что этот стержень является проводником электрического тока, т.к. лампочка загорелась

Собрав две электрических цепи, где в одном из участков использовался сначала мягкий стержень, потом твердый, я убедился, что с мягким стержнем лампочка горела ярче, чем с твердым.Следовательно, мягкий стержень карандаша является более хорошим проводником электрического тока, чем твердый.

Список литературы:

1) Фасмер, М. Этимологический словарь русского языка том 2., Астрель, АСТ 1986-87

2) Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона

3) Сайт “Википедия”

4) https://allyslide.com/en/viewer/prezentaciya-na-temu-grafen—material-budushhego

Просмотров работы: 2892