Comment le caoutchouc agit-il comme un isolant électrique ?

Kanyakumari, Tamil Nadu

Plusieurs des matériaux habituels que nous utilisons sont des conducteurs électroniques, ce qui signifie que les porteurs de charge électrique, lorsqu’ils conduisent, sont des électrons.

La conductivité électrique de ces matériaux est due au mouvement guidé des électrons libres dans leur matrice sous l’influence d’un potentiel électrique appliqué.

Le comportement électrique de nombreux matériaux, qui explique pourquoi certains sont de bons conducteurs, d’autres des semi-conducteurs et d’autres encore des isolants, est maintenant bien expliqué sur la base de la « théorie des bandes ».

Elle stipule que les substances, dans lesquelles les molécules n’ont que des liaisons covalentes fortes (sigma) ou des molécules avec des liaisons faibles non chevauchantes (pi), auraient la plupart de leurs électrons dans la soi-disant, ‘bande de valence’ de plus faible énergie, ne laissant aucun électron pour la bande d’énergie supérieure suivante, ‘ bande de conduction’, et que de tels matériaux serviraient d’isolants électriques.

Les caoutchoucs, les plastiques, les verres, le bois sec, les huiles, etc. sont des isolants sur ce compte.

Le caoutchouc a l’avantage supplémentaire de la flexibilité mécanique et peut être étiré en formes, comme les gants, les sacs, et d’autres formes requises d’isolants électriques.

Les caoutchoucs naturels et les caoutchoucs synthétiques courants sont, essentiellement, des polymères d’une matière première, l’isoprène, qui est chimiquement le 2-méthyl-1,3-butadiène, (avec une structure de CH{-2}=(CH{-3})CH-CH=CH{-2}. La présence de liaisons simples et doubles, alternativement dans une molécule, comme dans l’isoprène, est appelée, ‘conjugaison’.

Les molécules conjuguées possédant des liaisons pi à leurs positions 1,3,5,…ou à leurs positions 2,4,6,….positions présentent une résonance, dans laquelle des Zwitters (entités avec des charges plus et moins coexistant à deux endroits) se forment par chevauchement des liaisons pi.

Ainsi, l’isoprène qui possède des liaisons pi chevauchantes (alternées) et serait un bon conducteur s’il était condensé, en tant que tel. Cependant, lorsqu’il est transformé en caoutchouc, la moitié des liaisons pi des molécules d’isoprène sont adaptées en liaisons sigma fortes intermoléculaires (polymères) pour se tricoter en une chaîne mécaniquement flexible mais électriquement rigide.

Donc, dans le caoutchouc, les liaisons pi ne sont pas à des positions alternatives comme 1,3,5,…ou comme 2,4,6,….mais comme 2,6,10,….ou comme 1,5,9….. Ce type de conversion de liaisons pi autrement superposées en liaisons sigma et en liaisons pi non superposées, provoque un énorme écart d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction et entraîne ainsi le remplissage de tous les électrons de liaison dans la bande de valence seule, sans aucun électron libre disponible dans la bande de conduction.

Lorsque des potentiels électriques (ordinaires) sont appliqués aux extrémités opposées d’un tel caoutchouc, les électrons de la bande de valence sont à peine élevés dans la bande de conduction et donc aucun flux de charge électrique n’est possible à travers la matrice de caoutchouc. C’est ainsi que le caoutchouc agit comme un isolant électrique.

Département de chimie

National Institute of Technology Warangal

Warangal, Andhra Pradesh

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