Weź ołówek i gruby karton. Narysuj dwie równoległe linie, połącz je diodą LED i baterią 9 V — dioda zapali się. Żadnego drutu, żadnej płytki drukowanej, żadnego lutowania. Linia ołówkowa przewodzi prąd, bo grafit — ta sama substancja, co rdzeń każdego ołówka — jest jednym z niewielu niemetalicznych przewodników elektryczności. Ta sama właściwość sprawia, że grafit trafia do elektrod akumulatorów litowych w twoim telefonie.

Co nam będzie potrzebne?

  • ołówek miękki (oznaczenie 4B, 5B lub 6B — im miększy, tym więcej grafitu, tym lepsze przewodnictwo; twardy H lub HB działa słabo)
  • gruby karton lub papier akwarelowy A4 (lepszy niż zwykły papier — pochłania mniej grafitu)
  • bateria 9 V (mała kwadratowa, z zatrzaskiem) lub 4 baterie AA w szeregu w koszyczku
  • dioda LED w dowolnym kolorze (czerwona ma najniższy próg napięcia — 1,8 V — i świeci najjaśniej przy małym prądzie)
  • dwa krokodylki lub zszywki biurowe do połączenia baterii z papierem
  • linijka i miękki ołówek (do rysowania obwodu)
  • gumka do ścierania (do “rozcinania” obwodu)
  • opcjonalnie: miernik elektryczny (multimetr) do pomiaru oporu

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Narysowanie ścieżki. Na kartonie narysuj linijką dwie równoległe ścieżki grafitowe, każda długości ok. 10 cm i szerokości ok. 1 cm. Naciskaj mocno i rysuj wielokrotnie w tym samym miejscu — 10–15 razy. Im więcej warstw grafitu, tym mniejszy opór i jaśniejsza dioda. Ścieżki powinny się kończyć w tym samym miejscu, zostawiając przerwę ok. 1 cm między nimi (tam wstawisz diodę).

Krok 2: Podłączenie diody. Wciśnij nóżki diody LED w karton tak, żeby każda nóżka dotykała jednej ścieżki. Dioda jest spolaryzowana — dłuższa nóżka to anoda (+), krótsza to katoda (−). Anodę połącz ze ścieżką idącą do plusa baterii.

Krok 3: Podłączenie baterii. Krokodylkami (lub zgiętymi zszywkami) podłącz plus baterii do jednego końca pierwszej ścieżki, minus — do drugiego końca drugiej ścieżki. Dioda powinna zaświecić. Jeśli nie świeci — odwróć diodę (zamieniłeś anodę z katodą) albo dorysuj więcej warstw grafitu (ścieżka ma zbyt duży opór).

Krok 4: Pomiar oporu (opcjonalnie). Przyłóż sondy multimetru do obu końców jednej ścieżki. Odczytaj opór w kiloomach (kΩ). Dorysuj kolejne warstwy i obserwuj, jak opór spada — i jak jasność diody rośnie. To bezpośredni pomiar zależności między grubością ścieżki a jej oporem.

Krok 5: Rysowanie przełącznika. Wymaż gumką fragment jednej ścieżki — dioda gaśnie. Narysuj znowu — świeci. Właśnie narysowałeś i “wytarłeś” przełącznik. Możesz teraz zaprojektować skomplikowany obwód: rozgałęzienia, dwie diody w równoległe lub szeregowe, czujnik dotyku (dotknij palcem przerwy między dwiema ścieżkami — skóra przewodzi prąd i zamyka obwód).

Wyjaśnienie naukowe

Grafit to jeden z kilku alotropów węgla — form, w których atomy węgla mogą być ułożone, dając zupełnie różne właściwości. Diament też jest zbudowany z atomów węgla, ale każdy atom jest połączony z czterema sąsiadami w sztywną sieć przestrzenną — wszystkie elektrony są “zablokowane” w wiązaniach i nie mogą się swobodnie poruszać. Diament jest izolatorem. Grafit ma inną strukturę: atomy węgla łączą się w płaskie, sześciokątne sieci (warstwy), a między warstwami każdy atom oddaje jeden elektron do wspólnej puli. Te “zbędne” elektrony mogą swobodnie wędrować wzdłuż warstw — grafit przewodzi prąd elektryczny wzdłuż warstw, choć gorzej niż metale (opór właściwy grafitu to ok. 10 μΩ·m, miedzi ok. 0,017 μΩ·m — grafit jest kilkaset razy gorszy).

Dlatego ołówek miękki (6B) przewodzi lepiej niż twardy (H): miękkie ołówki zawierają więcej grafitu i mniej gliny — ścieżka jest gęstsza, więcej warstw grafitowych na centymetr. Twarde ołówki mają dużo gliny, która jest izolatorem i “rozcieńcza” grafit. Stąd reguła: do rysowania obwodów używaj zawsze najmiększego ołówka, jaki masz.

Gdy ścieżka jest cienka lub krótka — jej opór jest mały, prąd płynie swobodnie, dioda świeci jasno. Gdy ścieżka jest długa lub cienka — opór rośnie, prąd maleje, dioda świeci słabiej lub wcale nie zaświeci. To bezpośrednie zastosowanie prawa Ohma (U = I × R) i prawa oporności (R = ρ × L / A, gdzie ρ to oporność właściwa materiału, L — długość ścieżki, A — pole przekroju). Im dłuższa i węższa ścieżka, tym wyższy opór. Możesz sprawdzić tę zależność mierząc opór ścieżek o różnych długościach i szerokościach.

Skóra ludzka też przewodzi — o oporze ok. 1–100 kΩ w zależności od wilgotności i miejsca pomiaru. Dotknięcie palcem dwóch ścieżek zamyka obwód przez skórę i dioda może zaświecić. To podstawa czujników pojemnościowych w ekranach dotykowych smartfonów (choć mechanizm ekranów dotykowych jest bardziej subtelny — mierzą zmiany pojemności elektrycznej, nie opór).

Grafit w tej samej postaci (warstwy sześciokątnych sieci węglowych) trafia do elektrod akumulatorów litowo-jonowych — anoda każdego akumulatora w telefonie, laptopie i samochodzie elektrycznym to węgiel/grafit, bo doskonale wbudowuje i uwalnia jony litu. Gdy ładujesz telefon, jony litu “wchodzą” między warstwy grafitu; gdy rozładowujesz — wychodzą i oddają energię. Grafit nie jest więc egzotycznym materiałem laboratoryjnym — zużywasz go codziennie w każdym urządzeniu elektronicznym.

Warianty

Ściemniacz grafitowy. Narysuj bardzo długą ścieżkę (40–50 cm) i podłącz diodę LED z jednym krokodylkiem przesuwanym wzdłuż ścieżki. Im dalej od końca podłączonego do baterii, tym dłuższa czynna ścieżka, tym wyższy opór, tym ciemniejsza dioda. To analogowy ściemniacz bez żadnego elektronicznego układu — czysty opór regulowany długością ścieżki. Działa identycznie jak potencjometr w głośniku czy ściemniaczu elektrycznym.

Czujnik zgięcia. Narysuj ścieżkę na cienkiej, elastycznej folii (okładka z przezroczystego plastiku). Podłącz multimetr i mierz opór. Zginaj folię: opór rośnie, bo warstwy grafitu pękają w miejscu zgięcia i zmniejsza się ich kontakt. Wyprostuj — opór wraca. Taki czujnik działa jak “elektroniczny kąt”: im mocniejsze zgięcie, tym wyższy opór. Rękawiczki z czujnikami zgięcia na palcach (używane w wirtualnej rzeczywistości) działają na tej samej zasadzie.

Obwód równoległy vs. szeregowy. Narysuj dwie diody: jedną w gałęzi szeregowej z baterią (jeden za drugim), drugą — równoległą (obie w oddzielnych gałęziach, ale połączone z tą samą baterią). Zmierz jasność każdej. W układzie szeregowym napięcie dzieli się między diody — każda dostaje mniej i świeci słabiej (lub może nie świecić wcale, jeśli napięcie baterii jest za niskie). W układzie równoległym każda dioda dostaje pełne napięcie baterii — obie świecą normalnie. To ta sama zasada, która wyjaśnia, dlaczego awaria jednej żarówki w “nowoczesnych” instalacjach oświetleniowych nie gasi reszty.

Często zadawane pytania

Dlaczego potrzebuję baterii 9 V, a nie zwykłej AA (1,5 V)? Dioda LED wymaga minimalnego napięcia (progi: czerwona ~1,8 V, zielona ~2,2 V, niebieska ~3,0 V), żeby w ogóle zaświecić. Poza tym ścieżka grafitowa ma opór rzędu kilku do kilkudziesięciu kiloomów — przy takim oporze prąd jest bardzo mały. Przy baterii 1,5 V i oporze 10 kΩ prąd wynosi zaledwie 0,15 mA — za mało, żeby dioda była wyraźnie widoczna. Bateria 9 V daje 0,9 mA przy tym samym oporze — wystarczające. Możesz też użyć baterii z cytryn w szeregu, żeby zebrać 3–4 V — i zobaczyć, czy starczy do zasilenia grafitowego obwodu.

Czy ołówek niszczy papier przy wielokrotnym rysowaniu? Przy naciskaniu papieru — nie niszczy go, tylko wypełnia pory włóknami grafitu. Papier akwarelowy lub karton jest grubszy i mocniejszy, więc lepiej znosi wielokrotne rysowanie bez rozrywania. Zwykły cienki papier może się przetrzeć po zbyt mocnym naciskaniu. Kluczem jest rysowanie wielu cienkich warstw zamiast jednego mocnego nacisku — tak jak maluje się akwarelą.

Czy można zbudować prawdziwy komputer z ołówka i papieru? Teoretycznie tak — komputer to tylko sieć bramek logicznych (AND, OR, NOT), które można zrealizować z rezystorów, tranzystorów i diod. Grafitowe ścieżki mogą zastąpić rezystory, a diody LED to gotowe elementy. Tranzystor grafitowy byłby bardzo trudny, ale badacze tworzą tranzystory z grafenu (pojedyncza warstwa grafitu) — to najcieńszy możliwy materiał, grubości jednego atomu. Grafenowe tranzystory mogą pracować w częstotliwościach rzędu teraherców — znacznie szybciej niż krzemowe. Na razie ich produkcja jest droga i trudna, ale tranzystory grafenowe to jeden z głównych kierunków badań nad elektroniką przyszłości.