Hvordan virker gummi som en elektrisk isolator?

Kanyakumari, Tamil Nadu

Mange af de almindelige materialer, vi bruger, er elektroniske ledere, hvilket betyder, at de elektriske ladningsbærere, når de leder, er elektroner.

Den elektriske ledningsevne i disse materialer skyldes den ledede bevægelse af frie elektroner i deres matrix under påvirkning af et påført elektrisk potentiale.

Den elektriske adfærd hos mange materialer, som forklarer, hvorfor nogle er gode ledere, nogle er halvledere og andre isolatorer, er nu godt forklaret på grundlag af “båndteorien”.

Den fastslår, at stoffer, hvor molekylerne kun har stærke kovalente (sigma) bindinger eller molekyler med ikke-overlappende svage (pi) bindinger, vil have de fleste af deres elektroner i det såkaldte “valensbånd” med lavere energi, så der ikke er nogen elektroner tilbage til det næste bånd med højere energi, “ledningsbåndet”, og at sådanne materialer vil fungere som elektriske isolatorer.

Gummi, plast, glas, tørt træ, olier osv. er isolatorer i denne henseende.

Gummi har desuden den fordel, at det er mekanisk fleksibelt og kan trækkes i form, f.eks. handsker, tasker og andre nødvendige former for elektriske isolatorer.

Naturlige og de rutinemæssige syntetiske gummier er i det væsentlige polymerer af et råmateriale, isopren, som kemisk set er 2-methyl-1,3-butadien, (med en struktur af CH{-2}=(CH{-3})CH-CH=CH{-2}. Tilstedeværelsen af enkelt- og dobbeltbindinger alternativt i et molekyle, som i isopren, kaldes “konjugering”.

Konjugerede molekyler, der har pi-bindinger i 1,3,5,… positioner eller i 2,4,6,…positioner udviser resonans, hvor der dannes tvittere (enheder med både plus- og minusladninger, der sameksisterer på to steder) ved overlapning af pi-bindinger.

Sådan er isopren, som har overlappende (vekslende) pi-bindinger, og som ville være en god leder, hvis det blev kondenseret, som sådan. Men når isoprenmolekylerne fremstilles til gummi, er halvdelen af pi-bindingerne i isoprenmolekylerne skræddersyet til intermolekylære (polymere) stærke sigma-bindinger for at strikke sig sammen til en mekanisk fleksibel, men elektrisk stiv kæde.

I gummi er pi-bindingerne således ikke i alternative positioner som 1,3,5,…eller som 2,4,6,….men som 2,6,10,….eller som 1,5,9…. Denne form for omdannelse af ellers overlappende pi-bindinger til sigma-bindinger og ikke-overlappende pi-bindinger forårsager et enormt energigab mellem valensbåndet og ledningsbåndet og resulterer derved i, at alle bindingselektroner i valensbåndet alene fyldes op, uden at der er nogen frie elektroner til rådighed i ledningsbåndet.

Når der påføres (almindelige) elektriske potentialer i de modsatte ender af et sådant gummi, bliver elektronerne i valensbåndet næppe løftet op i ledningsbåndet, og der er derfor ingen strøm af elektrisk ladning mulig på tværs af gummimatrixen. Det er på denne måde, at gummi fungerer som en elektrisk isolator.

Department of Chemistry

National Institute of Technology Warangal

Warangal, Andhra Pradesh