电动涂料：点亮你的绘画

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简介

当制作包括电池和灯的”艺术” 电路时，电漆是传统铜线的有趣替代品，如图1所示。通常，”艺术” 电路包括存储电能的电池，以及发光二极管或 LED .LED需要一定量的电流电流流过它才能点亮。流过LED的电流取决于电池提供的电压和电路的电阻（要了解有关这些术语的更多信息，请参阅参考书目部分中的参考资料） ）。如果没有足够的电流，LED将非常暗淡或根本不亮。如果电流过大，LED实际上会烧坏！因此，通常情况下，在构建带LED的电路时，选择适当大小的电阻以匹配LED和电池电压非常重要。然而，对于电漆，这个过程并不那么简单。你怎么知道一条电漆的阻力？如果你使油漆条更长或更宽，会发生什么？

图1. 使用电动涂料的电路示例。在这里，油漆线条采用长而弯曲的路径，从电池到LED的光线，而不是短直线。你认为这会影响他们的抵抗吗？

您可以使用称为电阻率的属性预测一条油漆条的几何形状将如何影响其阻力.电阻率是一种材料属性，用于定义某种材料抵抗电流的程度，与材料的大小无关（这使其成为内在的属性，意味着它只取决于材料的类型，而不取决于材料的数量。这与阻力不同，做取决于材料的数量（这使其成为外在属性）。例如，想象两根铜线 – 一根非常长而细，一根非常短而宽，如图2所示。细长电线的电阻高于短而宽电线（电流很难通过细长的电线）;但它们都是用相同的材​​料（铜）制成的，所以它们的电阻率是相同的。

电阻和电阻率与公式1相关:

等式1:

其中:

• R 是以欧姆（Ω）为单位的电阻。
• ρ是电阻率，单位为欧姆·米（Ω·m）。
• L 是材料样本的长度，单位为米（m）。
• A 是材料样品的横截面积，单位为平方米（m ² ）。

图2. 材料几何形状如何影响阻力的示例。两根铜线的电阻率（ρ）是相同的，因为它们由相同的材料制成。然而，根据等式1，长细线（R ₁ ）的电阻更高，因为它具有更长的长度（L ₁ ）和更小的横截面区域（A ₁ ）。

注意，无论形状，等式1都适用横截面。例如，横截面是圆形，三角形还是正方形并不重要。重要的是总横截面积A.鉴于这些信息，如果你在一张纸上改变一层薄薄的电漆的长度或宽度，你认为阻力会发生什么，怎么可能对你的”艺术” 电路很重要吗？阅读以下术语和概念，问题和参考书目部分，了解更多背景信息，以帮助您进行研究并提出假设。

术语和概念

• 发光二极管（LED）
• 电流
• 电压
• 电阻
• 电阻
• 电阻率
• 内在属性
• 外在财产
• 微量
• 极性

问题

• 电阻和电阻率之间有什么区别？
• 内在和外在属性之间有什么区别？
• 为什么在制作纸张电路时电漆的阻力很重要？
• 如果你保持一块电漆的宽度和厚度不变，但是增加它的长度会对电阻产生什么影响？
• 如果保持导电涂料带的长度和厚度不变，但增加其宽度会对电阻产生什么影响？

参考书目

• Henderson，T。（n.d。）.电阻的。物理课堂。检索2015年3月11日，来自 http://www.physicsclassroom.com/class/circuits/Lesson-3/Resistance
• Taylor，C。（n.d。）.电压，电流，电阻和欧姆定律.SparkFun电子。检索2015年3月11日。来自 https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-current-resistance-and-欧姆律
• Bare Conductive Ltd.（2015年）.电漆应用说明。检索2015年3月31日，来自 https://www.bareconductive.com/wp-content/uploads/2016/05/ElectricPaint_ApplicationNotes.pdf
• 科学伙伴.（2014年9月26日）.如何使用万用表。检索2015年3月13日，来自 http://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/multimeters-tutorial.shtml

材料和设备

• 裸导电漆（50 mL），购自 SparkFun Electronics
• 万用表，可从 SparkFun Electronics
• 公制标尺
• 铅笔或钢笔
• 薄画笔
• 保护工作面的报纸
• 几件打印机或建筑纸
• 实验室笔记本

可选:如果您想使用LED和电池构建自己的纸质电路，您还需要:

• 9 V电池，可从 SparkFun Electronics 获取
• 鳄鱼夹引线，可从 SparkFun Electronics 获取
• 各种LED（您选择的尺寸和颜色），可从 Sparkfun Electronics
• 尖嘴钳

实验程序

本实验将由两部分组成:

• 保持宽度恒定在5 mm，测量导电漆条长度从50 mm到250 mm不等。
• 将长度保持在100 mm，测量导电漆条的宽度从5 mm到25 mm不等。

1. 在实验室笔记本中创建两个数据表，如表1和表2。在这个实验中有两种不同的误差来源（稍后在程序中解释），这就是为什么你要对每个长度（或宽度）的多个样本进行多次测量。

2. 放下报纸以保护您的工作表面并准备您的油漆样品。
   1. 使用铅笔和标尺跟踪以下三个以下尺寸样本的轮廓。如果您在一张纸上用完房间，请根据需要使用其他部件。
      1. 恒定宽度:5×50 mm，5×100 mm，5×150 mm，5×200 mm，5×250 mm。
      2. 恒定长度:5×1​​00 mm，10×100 mm，15×100 mm，20×100 mm，25×100 mm。
      3. 图3显示了恒定宽度涂料样品的示例布局。

   2. 使用您的画笔在每个区域填充薄的，均匀的导电涂料层。
      1. 对于每个样品，使用一致的厚度涂料是非常重要的。请记住，阻力取决于横截面积。所以，如果你在一个样品中有厚厚的，粗糙的涂料部分，而在另一个样品中有极薄的，延伸的涂料部分，这将影响你的结果。由于每次都不可能完全相同的条带，这就是为什么你要准备每种尺寸的三个样品。
      2. 注意:您可以使用废纸的边缘作为”盾牌” ，以避免在线条之外进行绘画。

   3. 等待至少15分钟让油漆干燥。如果15分钟后油漆仍然不干，请等待更长时间。电动涂料的电阻率随着干燥而降低，因此在进行测量之前等待涂料完全干燥是很重要的。

图3. 恒定宽度涂料样品的示例布局。

3. 使用万用表测量每个样品的电阻，如图4所示。
   1. 如果您不知道如何使用万用表测量阻力，请参阅Science Buddies参考如何使用万用表。
   2. 将万用表的探针尖端放在每个样品的两端，将它们保持一定角度，使探针尖端的倾斜表面与涂料完全接触（而不是垂直握住它们，只有接触点），然后用力按压纸张。由于放置探头尖端的确切位置，您如何调整它们以及您在纸张上的压力有多大差异，这可能会给您的实验带来一些误差，这也是您为每个条带进行三次测量的原因.
   3. 对每个涂料样品进行三次测量，总共进行9次试验，并将所有结果记录在表1和表2中。

图4. 将万用表的探针尖端压入条带的两端，测量涂料样品的电阻。

4. 分析您的数据。
   1. 计算每种油漆样品的三次试验的平均阻力。
   2. 计算每个样本大小的总体平均阻力（三个样本，每个样本三次，总共九次试验）。
   3. 对于恒定宽度数据，创建一个图表，其中x轴为样本长度，y轴为阻力。
   4. 对于恒定长度数据，创建一个图表，其x轴为样本宽度，y轴为阻力。
   5. 当您更改油漆条的长度或宽度时，阻力如何变化？这与您的预测相比如何，以及您对​​简介中的公式1的期望是什么？
   6. 如果您正在设计电路并且油漆条的阻力太低，您可以做些什么来增加它？
   7. 如果你正在设计一个电路并且一条油漆的阻力太高，你可以做些什么来减少它？

可选:构建自己的纸张电路

如果您购买了9 V电池，LED和鳄鱼夹引线，则可以按照以下步骤使用电动涂料制作自己的纸张电路。

1. 小心地弯曲LED侧面的引线（细金属腿），使LED可以平放在一张纸上（尖嘴钳可以使这更容易），如图5所示。

图5. 将LED的引线弯曲成锯齿形或螺旋形将有助于它站立在一张纸上。

2. 使用电动涂料创建两个电路迹线或导电路径（如果您曾经看过计算机或手机内部，您可能已经看到内部电路板上的微小铜迹线） ，从纸张边缘到LED的引线，如图6所示。您可以绘制任何形状，但线条不应相交，否则会造成短路。在LED的引线上涂上，将其”粘合” 到纸张上。等待至少15分钟让油漆干燥。

图6. 带有电漆的螺旋图案示例。请注意，有两条独立的走线，每条走线都连接到LED的一根导线。

3. 将鳄鱼夹连接到9 V电池的端子和油漆痕迹，如图7所示。
   1. 将红色夹子连接到正极端子，将黑色夹子连接到电池的负极端子.
   2. 将夹子的另一端连接到纸张边缘的油漆痕迹上。
   3. 如果LED指示灯不亮，请反转纸张上的鳄鱼夹连接.LED具有极性，这意味着它们具有正面和负面.LED的引线长度为正，而较短的引线为负。它们必须分别连接到正极和负极电池端子。

图7. 将鳄鱼夹引线的一端连接到9 V电池端子，另一端连接到电漆的痕迹。

4. 如果您的LED仍然没有点亮，或者它点亮但是相当暗淡，可能是因为您的油漆痕迹的阻力太高。如果LED闪烁非常明亮然后熄灭，它可能会烧坏，因为电阻太低（您需要使用新的LED）。根据您的实验结果，您如何适当调整油漆痕迹的阻力？
   1. 注意:不使用鳄鱼夹将LED引线直接连接到9 V电池，因为这会导致LED烧坏。

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变体形式

• 如果重复实验会发生什么，但是在保持长度和宽度不变的同时改变涂料条的厚度（通过将涂料涂得很薄或将其聚集在厚层中） ）？用画笔控制厚度有多容易，它如何影响阻力？ 注意:较厚的涂料层可能需要更长时间才能干燥。
• 如果你制作弯曲的油漆条而不是直的油漆会发生什么？您在此实验中找到的结果是否仍适用？
• 如果您绘制不规则形状而不是线条或矩形怎么办？你如何描述他们的抵抗？
• 如果要在纸张电路中添加多个LED，该怎么办？查看串联和并联电路之间的区别。哪一个是连接多个LED的最佳方式？你能创建一个有多个LED的电路吗？
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• 其他材料可用于将电池连接到”艺术” 电路中的LED。你能用不同的材料重复这个项目吗？参见Science Buddies项目 Paper Circuits:Make Electrifying Art ，了解您可以使用的不同材料的创意。