Jak guma działa jako izolator elektryczny?

Kanyakumari, Tamil Nadu

Wiele zwykłych materiałów, których używamy, jest przewodnikami elektronicznymi, co oznacza, że nośnikami ładunku elektrycznego, gdy przewodzą, są elektrony.

Przewodnictwo elektryczne tych materiałów wynika z kierowanego ruchu elektronów swobodnych w ich matrycy pod wpływem przyłożonego potencjału elektrycznego.

Zachowanie elektryczne wielu materiałów, dlaczego niektóre z nich są dobrymi przewodnikami, inne półprzewodnikami, a jeszcze inne izolatorami, jest obecnie dobrze wyjaśnione na podstawie „teorii pasmowej”.

Kauczuk, plastik, szkło, suche drewno, oleje, itp. są izolatorami na tej zasadzie.

Kauczuk ma dodatkową zaletę mechanicznej elastyczności i może być wyciągany w kształty, takie jak rękawice, torby i inne wymagane formy izolatorów elektrycznych.

Kauczuk naturalny i rutynowe kauczuki syntetyczne są zasadniczo polimerami surowca, izoprenu, który chemicznie jest 2-metylo-1,3-butadienem, (o strukturze CH{-2}=(CH{-3})CH-CH=CH{-2}. Obecność wiązań pojedynczych i podwójnych, na przemian w cząsteczce, jak w izoprenie, nazywa się „koniugacją”.

Cząsteczki sprzężone posiadające wiązania pi w pozycjach 1,3,5,…lub w pozycjach 2,4,6,….pozycje wykazują rezonans, w którym Zwitters (jednostki z zarówno plus i minus ładunków współistniejących w dwóch miejscach) tworzą przez nakładanie się wiązań pi.

Tak więc, izopren, który ma nakładające się (naprzemiennie) wiązania pi i byłby dobrym przewodnikiem, jeśli skondensowane, jako takie. Jednakże, gdy jest wytwarzany w gumie, połowa wiązań pi cząsteczek izoprenu jest dostosowana do międzycząsteczkowych (polimerowych) silnych wiązań sigma, aby dziergać w mechanicznie elastyczne, ale elektrycznie sztywne łańcuchy.

Tak więc, w kauczuku, wiązania pi nie znajdują się w alternatywnych pozycjach jako 1,3,5,…lub jako 2,4,6,…. ale jako 2,6,10,…. lub jako 1,5,9…. Ten rodzaj konwersji inaczej nakładających się wiązań pi w wiązania sigma i nienakładających się wiązań pi, powoduje powstanie ogromnej luki energetycznej pomiędzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa, a tym samym prowadzi do zapełnienia wszystkich elektronów wiążących w samym paśmie walencyjnym, bez wolnych elektronów dostępnych w paśmie przewodnictwa.

Gdy (zwykłe) potencjały elektryczne są przyłożone na przeciwległych końcach takiej gumy, elektrony z pasma walencyjnego są ledwo wyniesione do pasma przewodnictwa i stąd żaden przepływ ładunku elektrycznego nie jest możliwy przez matrycę gumową. W ten sposób guma działa jako izolator elektryczny.

Department of Chemistry

National Institute of Technology Warangal

Warangal, Andhra Pradesh

.