Kurşun Kalem ile Elektrik Devresi Kuralım

Okul döneminde sıkça kullanılan, tükenmez kalemlerin aksine uzay ortamında bile rahatlıkla yazı yazmayı sağlayan, hata yaptığımızda silmemize imkân veren kurşun kalemlerin bir başka özelliği de elektriği iletebilmeleri. Peki kurşun kalemlerde kullanılan grafit elektriği nasıl iletebiliyor?

Deneyler köşesinin bu projesinde kâğıt üzerine kurşun kalemle çizgi çizerek bir elektrik devresi kuruyoruz.

Bilmekte Fayda Var!

1600’lü yıllarda geliştirilen kurşun kalem sonraki yıllarda hayli popüler oldu. Ancak ilk keşfedildiği yıllarda kimse bu malzemenin kimyasal yapısını bilmiyordu. Bu madde fiziksel olarak kurşuna benzediğinden, “siyah kurşun” olarak isimlendirildi.

1779'da Alman kimyager Carl Wilhelm Scheele, kurşun kalemlerde kullanılan maddenin bir metal olmadığını ve saf karbondan oluştuğunu belirledi.  Abraham Gottlob Werner, bu karbon malzemeye "yazmak" anlamına gelen Yunanca graphein kelimesinden yola çıkarak "grafit" adını verdi. Daha sonraki yıllarda kurşun kalemlerin sertlik derecesini değiştirmek adına grafitin içine kil eklendi ve kurşun kalemle yazılan yazıların silinebildiği anlaşıldı. 

Grafit sahip olduğu özellikler nedeniyle sıra dışı bir malzemedir. Son derece yumuşaktır, kolayca parçalanabilir ve özgül ağırlığı çok düşüktür. Buna rağmen ısıya karşı son derece dirençlidir ve erime noktası yüksektir. Metaller gibi elektriği iyi iletir yani iyi bir iletkendir. Dolayısıyla bir elektrik devresindeki kabloların içinde yer alan metal teller gibi davranabilir.

Grafit, karbon atomlarının birbirlerine altıgen oluşturacak şekilde bağlanmaları sonucu oluşan grafen katmanlarının bir araya gelmesiyle oluşur.

Grafitin yapısındaki her bir karbon atomu diğer üç karbon atomuyla kovalent bağ yapar. Ortaya çıkan bal peteklerine benzeyen altıgen yapılar grafen olarak isimlendirilir. Grafit ise birden fazla grafen katmanının bir araya gelmesiyle oluşur. 

Grafitin yapısını üst üste dizilmiş kâğıtlara benzetebiliriz. Her bir kâğıt sağlamdır ancak kâğıtlar birbirinin üzerinden kayabilir. Bu nedenle kurşun kalemle deftere yazı yazarken bu katmanlar defterin yüzeyine yapışır ve iz bırakır.

Grafen ilk defa 2004 yılında Manchester Üniversitesinden Andre Geim ve Kostya Novoselov tarafından elde edildi. İki bilim insanı bu çalışmalarıyla 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı. Grafenin ısıyı ve elektriği çok iyi iletmesi ve çok dayanıklı olması gibi özellikleri, elektronikten nanoteknolojiye pek çok farklı alanda (örneğin katlanabilir dokunmatik ekranların üretiminde) kullanılmasına imkân sağlıyor.

Nelere İhtiyacımız Var?

• 2B ya da daha yumuşak uçlu kurşun kalem
• Kâğıt
• LED
• 1 adet 9 V’luk pil

Ne Yapıyoruz? 

Not: LED’i doğrudan 9 V’luk pile temas ettirmeyin. Bu durumda LED zarar görebilir.

Ne Oldu? 

Bu etkinliğimizde LED’i ve pili kurşun kalem ile kâğıt üzerine çizdiğimiz çizgilerin üzerine temas ettirdik ve LED’in yandığını gördük. Aynı zamanda LED’i pile yaklaştırdıkça parlaklığın arttığını gözlemledik. Bu durumun sebebi pil ile LED arasındaki mesafe kısaldıkça, tıpkı iletken teller ile kurulan elektrik devrelerinde olduğu gibi, direncin azalmasıdır.

Karbon atomlarının en dış elektron kabuğunda dört elektron bulunur. Grafiti oluşturan grafen katmanlarındaki her bir karbon atomu bu elektronlardan üçünü diğer karbon atomlarıyla kovalent bağ oluştururken kullanır, bir elektron ise bağ oluşumunda yer almaz. Bu elektron, diğer karbon atomlarının bağ oluşumunda yer almayan değerlik orbitallerine geçebilir yani serbest olarak hareket edebilir. Bu sayede grafit metaller gibi elektriği iyi iletir. Dolayısıyla grafit, pillerde elektrot olarak kullanılabilir.

Düşünelim! 

Aynı uzunlukta ama çizgi kalınlıkları farklı iki devre kurduğunuzda hangi devrede LED daha parlak yanar?

Esneklik, dayanıklılık ve elektriksel iletkenlik özellikleri göz önünde bulundurulduğunda, sizce grafen gelecekte başka hangi alanlarda kullanılabilir?

Kaynaklar:

• https://www.cei.washington.edu/education/lesson-plans-resources/draw-a-circuit-fun-with-graphite/
• https://geology.com/minerals/graphite.shtml
• https://www.chemguide.co.uk/atoms/structures/giantcov.html
• https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zgq8b82/revision/2
• https://www.sciencefocus.com/science/why-does-graphite-conduct-electricity/
• https://www.graphene.manchester.ac.uk/learn/discovery-of-graphene/