Cum acționează cauciucul ca izolator electric?

Kanyakumari, Tamil Nadu

Multe dintre materialele obișnuite pe care le folosim sunt conductoare electronice, ceea ce înseamnă că purtătorii de sarcină electrică, atunci când conduc, sunt electronii.

Conductivitatea electrică a acestor materiale se datorează mișcării ghidate a electronilor liberi din matricea lor sub influența unui potențial electric aplicat.

Comportamentul electric al multor materiale în ceea ce privește motivul pentru care unele sunt bune conductoare, altele sunt semiconductoare și altele izolatoare, este acum bine explicat pe baza „teoriei benzilor”.

Aceasta afirmă că substanțele, în care moleculele au numai legături covalente puternice (sigma) sau molecule cu legături slabe (pi) care nu se suprapun, ar avea majoritatea electronilor lor în așa-numita ,,bandă de valență” de energie mai mică, nelăsând electroni pentru următoarea bandă de energie mai mare, ,,banda de conducție”, și că astfel de materiale ar servi ca izolatori electrici.

Cauciucurile, materialele plastice, sticlele, lemnul uscat, uleiurile etc. sunt izolatori din acest punct de vedere.

Cauciuc are avantajul suplimentar al flexibilității mecanice și poate fi tras în forme, cum ar fi mănuși, pungi și alte forme necesare de izolatori electrici.

Cauciucurile naturale și cele sintetice de rutină sunt, în esență, polimeri ai unei materii prime, izoprenul, care din punct de vedere chimic este 2-metil-1,3-butadienă, (cu o structură de CH{-2}=(CH{-3})CH-CH=CH{-2}. Prezența legăturilor simple și duble, alternativ într-o moleculă, ca în cazul izoprenului, se numește, „conjugare”.

Molculele conjugate care posedă legături pi în pozițiile 1,3,5,…sau în pozițiile 2,4,6,…poziții prezintă rezonanță, în care Zwitterele (entități cu sarcini plus și minus care coexistă în două locații) se formează prin suprapunerea legăturilor pi.

Astfel, izoprenul care are legături pi suprapuse (alternante) și ar fi un bun conductor dacă ar fi condensat, ca atare. Cu toate acestea, atunci când este transformat în cauciuc, jumătate din legăturile pi ale moleculelor de izopren sunt adaptate în legături sigma puternice intermoleculare (polimerice) pentru a se împleti în lanțuri flexibile din punct de vedere mecanic, dar rigide din punct de vedere electric.

Așa, în cauciuc, legăturile pi nu sunt în poziții alternative ca 1,3,5,…sau ca 2,4,6,…. ci ca 2,6,10,…. sau ca 1,5,9…. Acest tip de conversie a legăturilor pi, care altfel se suprapun, în legături sigma și în legături pi care nu se suprapun, cauzează un decalaj energetic uriaș între banda de valență și banda de conducție, ceea ce duce la umplerea tuturor electronilor de legătură numai în banda de valență, fără electroni liberi disponibili în banda de conducție.

Când potențialele electrice (obișnuite) sunt aplicate la capetele opuse ale unui astfel de cauciuc, electronii din banda de valență sunt cu greu ridicați în banda de conducție și, prin urmare, nu este posibil niciun flux de sarcină electrică prin matricea de cauciuc. Acesta este modul în care cauciucul acționează ca un izolator electric.

Departamentul de Chimie

Institutul Național de Tehnologie Warangal

Warangal, Andhra Pradesh

.