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紙上鉛筆電阻特性及其影響參數
時間:2020-04-02 09:14:00來源:漢斯出版社
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提要:鉛筆畫的導線可以導電,導電線的電阻特性受到諸多參數的影響。

隨著電子產品向輕量化、柔性化的方向發展,傳統的剛性電路板已經不能滿足當前電子器件的需求,而紙基電路重量輕、能生物降解、形成的電路易折疊等特點,紙基電子技術發展迅速。紙基柔性電子電路作為一種低成本的柔性電子產品,而用鉛筆在紙上畫畫建立石墨電路是最簡單和最容易的方法。

鉛筆畫的導線可以導電,導電線的電阻特性受到諸多參數的影響。在漢斯出版社《應用物理》期刊中,有論文分析了鉛筆導線電阻特性影響參數,得出鉛筆導線的電阻特性受到導線的長度、厚度、寬度、不同石墨含量、壓力的影響,并進行了實驗驗證。

鉛筆的筆芯是用石墨和粘土按一定的比例混合而成,石墨是碳元素的一種同素異形體,是一種灰色結晶的物質,在每層原子中以較強的共價鍵連接,在相同層內,每個碳原子周邊連接著另外三個碳原子,以共價鍵結合,排列方式成蜂巢式的多個六邊形,而各層間以弱的范德瓦爾斯連接。

石墨的導電、導熱性能很好,熱膨脹系數小,化學穩定性強,可塑性高。鉛筆通過機械磨損形成了剝落的石墨顆粒,導致黑色沉積物,我們稱之為鉛筆痕跡。有趣的是,鉛筆芯的電阻遠遠大于鉛筆痕跡。鉛筆通過機械磨損而在紙表面留下黑色痕跡,這意味著紙表面必須足夠粗糙才能獲得石墨電路。

研究用鉛筆在紙上畫出的導線的電阻特性,在實際操作中,由于接觸方式的不同,對電阻的影響大小也不同,同時對不同的實驗的影響也不同,所以經過粗略比較,我們主要使用以下兩種接觸方式:面接觸和點接觸。從理論和實驗結果來看,我們可以驗證導線長度與電阻呈線性正相關關系,而且隨著鉛筆筆芯里石墨與粘土中粘土比例越大,即鉛筆的硬度越高,電阻隨長度的變化就越明顯。

經研究,我們知道導線截面越大,電阻值就越小,同時通過實驗數據的畫出的曲線,我們可以直接看出來。壓力主要是通過影響石墨粒子間的距離并使其減小,體積密度變大,電阻減小,結合實驗數據,我們做了線性擬合,發現壓力和電阻之間存在負相關關系,相關系數在0.8~1之間,屬于強相關關系。在研究電阻隨溫度的關系時,我們主要是通過查詢資料,結合現有的實驗條件,根據石墨的一些特性,即石墨在所受溫度小于600攝氏度時,隨著溫度升高,電阻率會降低。在我們預設的30~110攝氏度范圍內,實驗結果表明電阻隨溫度升高而降低。

通過閱讀前人的一些論文,我們發現關于這個紙基電路還可以運用到柔性電子技術中,同時關于紙上鉛筆痕跡,我們可以做一些電子器件,如電容,場效應晶體管和RC濾波器等,同時在探究影響導線電阻的研究對象上,我們還可以做不同的紙、紫外線照射對電阻的影響等。并且在對壓力的研究中,我們可以做一些改進,比如畫出鉛筆痕跡的拉曼光譜。

文章來源:https://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=34868

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紙上 鉛筆 電阻 特性 及其 影響 參數

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