Hogyan viselkedik a gumi elektromos szigetelőként?

Kanyakumari, Tamil Nadu

Az általunk használt szokásos anyagok közül sok elektronikus vezető, ami azt jelenti, hogy az elektromos töltéshordozók, amikor vezetnek, elektronok.

Ezeknek az anyagoknak az elektromos vezetőképessége a szabad elektronok mátrixukban történő irányított mozgásának köszönhető egy alkalmazott elektromos potenciál hatására.

A sok anyag elektromos viselkedését, hogy egyesek miért jó vezetők, mások miért félvezetők, megint mások miért szigetelők, ma már a “sávelmélet” alapján jól meg lehet magyarázni.

Ez azt állítja, hogy az olyan anyagok, amelyekben a molekulák csak erős kovalens (sigma) kötésekkel rendelkeznek, vagy a molekulák nem fedő gyenge (pi) kötésekkel rendelkeznek, elektronjaik többsége az alacsonyabb energiájú, úgynevezett “valenciasávban” van, és nem hagynak elektronokat a következő, magasabb energiájú sávban, a “vezetési sávban”, és az ilyen anyagok elektromos szigetelőként szolgálnak.

A gumik, a műanyagok, az üvegek, a száraz fa, az olajok stb. ilyen szempontból szigetelők.

A gumik további előnye a mechanikai rugalmasság, és formára húzhatók, mint például kesztyűk, zsákok és más szükséges formájú elektromos szigetelők.

A természetes és a rutinos szintetikus kaucsukok, lényegében egy alapanyag, az izoprén polimerjei, ami kémiailag 2-metil-1,3-butadién, (CH{-2}=(CH{-3})CH-CH=CH{-2} szerkezetű. Az egyszerű és kettős kötések váltakozó jelenlétét egy molekulában, mint az izoprénben, “konjugációnak” nevezzük.

A konjugált molekulák, amelyek pi-kötésekkel rendelkeznek az 1,3,5,…pozícióban vagy a 2,4,6,…pozícióban,…pozíciókban rezonanciát mutatnak, amelyben a pi-kötések átfedése révén zwitterek (két helyen együtt létező plusz és mínusz töltésekkel rendelkező egységek) alakulnak ki.

Így az izoprén, amely átfedő (váltakozó) pi-kötésekkel rendelkezik, és jó vezető lenne, ha kondenzálódna, mint ilyen. Amikor azonban gumivá alakítják, az izoprénmolekulák pi-kötéseinek fele intermolekuláris (polimer) erős szigma-kötésekké alakul, hogy mechanikailag rugalmas, de elektromosan merev láncokká kötődjenek.

A gumiban tehát a pi-kötések nem az 1,3,5,…vagy a 2,4,6,…., hanem a 2,6,10,…. vagy az 1,5,9…. alternatív pozícióiban vannak. Az egyébként átfedő pi-kötések ilyen jellegű átalakulása szigma-kötésekké és nem átfedő pi-kötésekké hatalmas energiarést okoz a valenciasáv és a vezetési sáv között, és ezáltal azt eredményezi, hogy a valenciasávban az összes kötőelektron feltöltődik, és a vezetési sávban nem állnak rendelkezésre szabad elektronok.

Amikor az ilyen gumi ellentétes végein (közönséges) elektromos potenciálokat alkalmazunk, a valenciasáv elektronjai alig emelkednek a vezetési sávba, és így a gumimátrixon keresztül nem lehetséges az elektromos töltés áramlása. Így viselkedik a gumi elektromos szigetelőként.

Kémiai Tanszék

National Institute of Technology Warangal

Warangal, Andhra Pradesh