铅笔芯划线的电阻研究获奖科研报告

铅笔芯划线的电阻研究获奖科研报告

摘

要：铅笔芯划线具有一定的电阻。实验发现长度5厘米宽度1毫米的铅笔芯划线电阻值在18.9-903Ω之间变化。采用控制变量法实验来研究铅笔芯划线的电导率随着石墨含量增加的变化规律，得出在相同条件下，铅笔芯中石墨含量越高，电导率越高的结论。

关键词：铅笔芯，石墨，电阻

00O482

000A

Abstract：Pencil-leadlinehasacertainresistance.Itwasfoundthattheresistancevalueofpencilleadlengthof5cmwidth1mmlinevariesfrom18.9Ωto903Ω.Thecontrolvariablemethodwasusedtostudythechangeruleoftheresistanceofpencilleadwiththeincreaseofgraphitecontent.Conclusionwasdrawnthatthehigherthegraphitecontentinpencillead，thehighertheconductivity.

KeyWords：pencillead，

graphite，

resistance

引言

铅笔的笔芯是用石墨和粘土按一定比例混合制成的。而铅笔一般分为h与b级，如"h"即英文"hard"（硬）的词头，代表粘土的含量，用以表示铅笔芯的硬度。"h"前面的数字越大（如6h），铅笔芯就越硬，也即笔芯中与石墨混合的粘土比例越大，写出的字越不明显，常用来复写。"b"是英文"black"（黑）的词头，代表石墨的含量，用以表示铅笔芯质软的情况和写字的明显程度[1]。铅笔的电导率也由其中的组成成分比例的不同而发生改变。本研究意在探究在同一条件下不同级别的铅笔的电导率的区别，以及对影响其电导率的原因进行探究。

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实验原理：

铅笔在白纸上划过后，所划出的线条具有导电性，我们以此为出发点，探究各级铅笔芯的电导率的变化规律。固体导体的电阻率可以通过欧姆定律和电阻定律测量。在公式中，电导率用希腊字母σ来表示。电导率σ的标准单位是西门子/米（简写做S/m），为电阻率ρ的倒数，即σ=1/ρ。如果σ是电导（单位西门子），I是電流（单位安培），E是电压（单位伏特），则：

σ=I/E

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实验装置及实验方法：

用不同的铅笔在白纸上画上长为5cm，宽为1mm的铅笔导线。用万用表测量其所具有的电阻，三次测量取平均值，并根据公式计算各级铅笔的电导率。选出6B级铅笔，在白纸上画上宽为1mm，长度不同的铅笔导线，用万用表测定不长度的6B级铅笔所画的导线的电阻。

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实验结果及分析

如下图，在划线长度宽度一定的条件下，对于不同等级的铅笔我们可以发现H级比B级的电导率小，同级中石墨含量越高电导率越大的规律。

这一现象的产生是由于在石墨含量增加时，单位体积中的碳原子数量增加，从电子及空穴上来讲，石墨以及粘土所组成的复合物中可供跃迁的电子及空穴的数量增加，即载流子的密度增加，从而让石墨与粘土的复合物的电阻下降，电导率提升[2]。从石墨的晶体结构上来讲，石墨的晶体结构比粘土完美，不会阻挡到晶体中电子的自由移动，因此会出现随着石墨含量增加，粘土含量减少，从而整体电阻减小的现象[3]。此外，石墨与粘土组成的复合材料可以产生隧道导电效应[4]，而隧道导电效应也同样可以降低电阻，提高电导率。这三个因素使铅笔芯的电阻随着石墨含量的增加呈下降趋势。

但是在10B及以上级别的电阻未出现规律变化，我们认为是在10B级以上的铅笔芯中虽然石墨含量增加使粘土含量减少，但是在粘土中对粘土导电性起决定性因素的是水，而石墨是疏水的[5]，石墨的含量增加会使水分子的移动困难，分子之间可能出现间隔，而这些间隔阻碍了电子的运动，导致此时的电阻增加，不再符合规律。

进而挑选出较为稳定的6B级铅笔进行试验。在其他条件相同的情况下我们可以发现，铅笔的电导率随着划线的长度的增加而减少。并未因为石墨的层间导电结构的延伸而增加。

这一现象的产生要回归到物体的电阻计算公式：

R=ρL/S

其中L是导线长度，S是横截面积，虽然电阻率会发生变化，但是在于L变化造成的影响对比下，可以说石墨层延伸产生的影响是可以忽略的。

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结论

本文采用实验法对于各级铅笔在同一条件下的电导率进行测量，虽然存在一定误差，但是产生了规律性的变化。对于产生的规律可得到以下的结论：

（1）在其他的条件相同的情况下，H级比B级的电阻率小，同级中含石墨含量越高电导率