Miten kumi toimii sähköisenä eristeenä?
Kanyakumari, Tamil Nadu
Monet tavalliset käyttämämme materiaalit ovat elektronisia johtimia, mikä tarkoittaa, että johtaessaan sähköä sähkövarauksen kantajat ovat elektroneja.
Tällaisten materiaalien sähkönjohtavuus johtuu vapaiden elektronien ohjatusta liikkeestä niiden matriisissa sovelletun sähköpotentiaalin vaikutuksesta.
Monien materiaalien sähköinen käyttäytyminen, miksi jotkut ovat hyviä johtimia, jotkut puolijohteita ja jotkut eristeitä, on nykyään hyvin selitetty ”kaistateorian” perusteella.
Sen mukaan aineet, joiden molekyyleissä on vain vahvoja kovalenttisia (sigma) sidoksia tai molekyylejä, joissa on päällekkäisiä heikkoja (pi) sidoksia, olisivat suurimmalla osalla elektroneistaan niin sanotussa alemman energian ’valenssikaistassa’, jolloin ei jäisi yhtään elektronia seuraavaksi korkeamman energian kaistalle, ’ johtokaistalle’, ja tällaiset materiaalit toimisivat sähköisinä eristeinä.
Kumit, muovit, lasit, kuiva puu, öljyt jne. ovat tällä perusteella eristeitä.
Kumilla on lisäksi se etu, että se on mekaanisesti joustavaa ja se voidaan vetää muotoon, kuten käsineiksi, pusseiksi ja muiksi tarvittaviksi sähköeristeiksi.
Luonnolliset ja tavanomaiset synteettiset kumit ovat pohjimmiltaan polymeerejä raaka-aineesta, isopreenistä, joka on kemiallisesti 2-metyyli-1,3-butadieenia, (jonka rakenne on CH{-2}=(CH{-3})CH-CH=CH{-2}. Yksittäisten ja kaksoissidosten esiintymistä vuorotellen molekyylissä, kuten isopreenissä, kutsutaan ”konjugaatioksi”.
Konjugoituneet molekyylit, joilla on pi-sidoksia 1,3,5,…-asennoissaan tai 2,4,6,…-asennoissaan,…-asennoissaan,…paikoissa esiintyy resonanssia, jossa zwitterit (yksiköt, joissa sekä plus- että miinusvaraukset ovat rinnakkain kahdessa paikassa) muodostuvat pi-sidosten päällekkäisyydestä.
Siten isopreeni, jolla on päällekkäisiä (vuorottelevia) pi-sidoksia ja joka olisi hyvä johdin, jos se tiivistettäisiin sellaisenaan. Kuitenkin kumiksi tehtynä puolet isopreenimolekyylien pi-sidoksista räätälöidään molekyylien välisiksi (polymeerisiksi) vahvoiksi sigmasidoksiksi, jolloin ne kutoutuvat mekaanisesti joustaviksi mutta sähköisesti jäykiksi ketjuiksi.
Kumissa piisidokset eivät siis ole vaihtoehtoisilla paikoilla 1,3,5,…tai 2,4,6,…. vaan 2,6,10,…. tai 1,5,9….. Tällainen muutoin päällekkäisten pi-sidosten muuntuminen sigmasidoksiksi ja päällekkäisiksi pi-sidoksiksi aiheuttaa valenssikaistan ja johtumiskaistan välille valtavan energia-aukon ja johtaa siten siihen, että kaikki sidoselektronit täyttyvät pelkästään valenssikaistassa, eikä johtumiskaistassa ole enää vapaita elektroneja.
Kun tällaisen kumin vastakkaisiin päihin kohdistetaan (tavanomaisia) sähköpotentiaaleja, valenssikaistan elektronit tuskin nousevat johtavuuskaistalle ja näin ollen sähkövarauksen virtaus kumimatriisin läpi ei ole mahdollista. Näin kumi toimii sähköisenä eristeenä.
Kemian osasto
Kansallinen teknologiainstituutti Warangal
Warangal, Andhra Pradesh