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為什么鉛筆中的石墨筆芯可以導(dǎo)電？

jcshimo | 2023-09-27 14:42:02

鉛筆芯中的筆芯材料是導(dǎo)電石墨，石墨的主要成分是碳，碳單質(zhì)根據(jù)內(nèi)部碳原子結(jié)構(gòu)的不同又分為許多種，比方有金剛石（也就是鉆石）、C60、石墨等物質(zhì)。
不同的物質(zhì)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不同，表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)也不一樣，比方鉆石是天然界中存在的硬度最大的物質(zhì)，鉆石中內(nèi)部的碳原子以四面體的方法構(gòu)成細(xì)密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵安穩(wěn)，因此強(qiáng)度非常大。
而石墨是由許多一層一層的網(wǎng)狀碳原子層組成，層與層之間依托范德華力作用結(jié)合，這個(gè)作用力非常小，因此層與層之間容易滑動(dòng)，然后剝離開來(lái)。所以石墨還可以用來(lái)作為潤(rùn)滑劑，并且我們平常運(yùn)用的鉛筆之所以可以寫出字，也是因?yàn)?span style="font-weight: bold;">石墨層的墜落構(gòu)成了一條條書寫的痕跡。
我們知道，物質(zhì)具有什么樣的性質(zhì)是由物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定的，鉆石是不會(huì)導(dǎo)電的，那么石墨又是怎么導(dǎo)電呢？這就要談到石墨的結(jié)構(gòu)，之前講過，石墨是由一層一層的碳原子層構(gòu)成的，而這個(gè)單層的碳原子層實(shí)際上就是我們常常風(fēng)聞的“石墨烯”。
石墨烯中的碳原子具有一個(gè)很特別的結(jié)構(gòu)，碳的最外層電子有4個(gè)，那么它的安穩(wěn)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是構(gòu)成四個(gè)共價(jià)鍵，但我們看到的碳原子層結(jié)構(gòu)中碳原子如同只要三個(gè)鍵，其實(shí)這種碳原子層中還包含一種鍵，就是π鍵。
碳原子以六元環(huán)的方法擺放在同一平面內(nèi)。同一個(gè)平面中相鄰的碳原子之間以δ鍵的方法互連，每個(gè)碳原子都會(huì)構(gòu)成三個(gè)δ鍵，然后使石墨烯可以擁有杰出的機(jī)械功能。碳原子周圍剩余的價(jià)電子會(huì)構(gòu)成與碳平面垂直的共軛大π鍵，大π鍵中的電子可以看成是一個(gè)整體，電子可以在整個(gè)π鍵中安閑自動(dòng)，所以電子可在整個(gè)石墨烯平面中安閑移動(dòng)，這保證了石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電功能，而導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性又是具有相關(guān)的，因此石墨的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性都非常好，正因?yàn)槭┚哂羞@些如此優(yōu)異性質(zhì)，現(xiàn)在有許多的科學(xué)家正在對(duì)石墨烯進(jìn)行研究，想運(yùn)用石墨烯制造超導(dǎo)材料。
石墨烯中的能帶結(jié)構(gòu)
既然石墨是由一層一層的這種石墨烯組成的，那么石墨天然也會(huì)具有導(dǎo)電性，但是石墨的導(dǎo)電性并不是特別好，剛剛我們說(shuō)過，石墨烯導(dǎo)電依托的是碳原子層之間的大π鍵，電子可以在單層的碳原子層中安閑絡(luò)繹，但碳原子層與層之間電子的移動(dòng)是存在阻礙的。石墨中的碳原子層并不是一個(gè)大的整體，而是由許多細(xì)微零碎的的碳原子層組成，因此，在電子活動(dòng)過程中需求不斷越過不同的碳原子層，所以表現(xiàn)出必定的電阻。
石墨是可以導(dǎo)電的，因此直接用鉛筆芯作為導(dǎo)體是完全沒問題的，但如果在紙上畫出一條線能導(dǎo)電嗎？理論上也可以，但這根線需求畫得很粗，并且電阻還不小，功率不高。
鉛筆在書寫過程中，因?yàn)楣P芯與紙之間存在摩擦力會(huì)將細(xì)微的碳原子層一層一層剝離開來(lái)，但這些原子層在紙上的推積量非常小，導(dǎo)致不同碳原子層之間的觸摸程度小，很有或許在某個(gè)地方就發(fā)生了斷路，因此，想要讓它導(dǎo)電，需求描寫出一條很粗的筆跡，才有或許讓電子順暢通過，一起電阻巨細(xì)與導(dǎo)體的長(zhǎng)度也有聯(lián)系，鉛筆制造的線路不能太長(zhǎng)，不然也有或許因?yàn)殡娮杼鬅o(wú)法導(dǎo)電。
在運(yùn)用鉛筆制造的電路導(dǎo)電時(shí)，可以運(yùn)刻苦LED燈等對(duì)電流要求很小的用電器，因?yàn)檫@類用電器即便在較小的電流下也可以作業(yè)。
所以，用鉛筆芯在紙上是可以畫出可以導(dǎo)電的電路的，不過需求屢次用力描寫，讓石墨層之間緊密觸摸，減小電阻（但電阻還是會(huì)很大，這是不可避免的），所以通過鉛筆制造能導(dǎo)電的電路是沒有問題的。