Hoe werkt rubber als een elektrische isolator?

Kanyakumari, Tamil Nadu

Vele van de gebruikelijke materialen die wij gebruiken zijn elektronische geleiders, hetgeen betekent dat de elektrische ladingsdragers, wanneer zij geleiden, elektronen zijn.

De elektrische geleiding van deze materialen is het gevolg van de geleide beweging van vrije elektronen in hun matrix onder invloed van een toegepast elektrisch potentiaal.

Het elektrische gedrag van vele materialen, waarom sommige goede geleiders zijn, sommige halfgeleiders en sommige andere isolatoren, wordt nu goed verklaard op basis van de “Band Theorie”.

Hierin wordt gesteld dat stoffen, waarin moleculen alleen sterke covalente (sigma) bindingen hebben of moleculen met niet-overlappende zwakke (pi) bindingen, de meeste van hun elektronen in de zogenaamde, ‘valentieband’ van lagere energie zouden hebben, waardoor er geen elektronen overblijven voor de volgende hogere energieband, ‘geleidingsband’, en dat dergelijke materialen zouden dienen als elektrische isolatoren.

Rubbers, plastics, glazen, droog hout, oliën, enz. zijn isolatoren op deze telling.

Rubber heeft extra voordeel van mechanische flexibiliteit en kan worden getrokken in vormen, zoals handschoenen, tassen, en andere vereiste vormen van elektrische isolatoren.

Natuurlijke en de gangbare synthetische rubbers zijn in wezen polymeren van een grondstof, isopreen, dat chemisch 2-methyl-1,3-butadieen is, (met een structuur van CH{-2}=(CH{-3})CH-CH=CH{-2}. De aanwezigheid van enkele en dubbele bindingen, afwisselend in een molecuul, zoals in isopreen, wordt “conjugatie” genoemd.

Geconjugeerde moleculen die pi bindingen bezitten op hun 1,3,5,…posities of op 2,4,6,…posities vertonen resonantie, waarbij Zwitters (entiteiten met zowel plus- als minladingen die op twee plaatsen naast elkaar bestaan) zich vormen door overlapping van pi bindingen.

Dus isopreen dat overlappende (alternerende) pi bindingen heeft en een goede geleider zou zijn als het gecondenseerd werd, als zodanig. Wanneer er echter rubber van wordt gemaakt, wordt de helft van de pi bindingen van isopreen moleculen omgezet in intermoleculaire (polymere) sterke sigma bindingen om tot een mechanisch flexibele maar elektrisch stijve keten te breien.

Dus, in rubber, zijn de pi bindingen niet op alternatieve posities als 1,3,5,…of als 2,4,6,….maar als 2,6,10,….of als 1,5,9…. Dit soort omzetting van anders overlappende pi bindingen in sigma bindingen en niet-overlappende pi bindingen, veroorzaakt een enorme energie kloof tussen de valentie band en de geleidingsband en daardoor resulterend in het opvullen van alle bindende elektronen in de valentie band alleen met geen vrije elektronen beschikbaar in de geleidingsband.

Wanneer (gewone) elektrische potentialen worden aangelegd aan de tegengestelde uiteinden van zulk rubber, worden de elektronen van de valentieband nauwelijks in de geleidingsband getild en is er dus geen stroom van elektrische lading mogelijk over de rubbermatrix. Zo werkt rubber als een elektrische isolator.

Departement van Scheikunde

National Institute of Technology Warangal

Warangal, Andhra Pradesh