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: 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.