Hur fungerar gummi som en elektrisk isolator?

Kanyakumari, Tamil Nadu

Många av de vanliga material som vi använder är elektroniska ledare, vilket innebär att de elektriska laddningsbärarna, när de leder, är elektroner.

Den elektriska ledningsförmågan hos dessa material beror på den styrda rörelsen av fria elektroner i deras matris under påverkan av en applicerad elektrisk potential.

Det elektriska beteendet hos många material och varför vissa är goda ledare, vissa är halvledare och andra isolatorer förklaras nu väl med hjälp av ”bandteorin”.

Denna teori säger att ämnen där molekylerna endast har starka kovalenta (sigma) bindningar eller molekyler med icke överlappande svaga (pi) bindningar, skulle ha de flesta av sina elektroner i det s.k. ”valensbandet” med lägre energi, vilket gör att det inte finns några elektroner kvar för det nästa högre energibandet, ”konduktionsbandet”, och att sådana material skulle fungera som elektriska isolatorer.

Gummi, plast, glas, torrt trä, oljor etc. är isolatorer enligt detta.

Gummi har dessutom den fördelen att det är mekaniskt flexibelt och kan dras till former, t.ex. handskar, väskor och andra nödvändiga former av elektriska isolatorer.

Naturliga och rutinmässiga syntetiska gummis är i huvudsak polymerer av en råvara, isopren, som kemiskt sett är 2-metyl-1,3-butadien (med strukturen CH{-2}=(CH{-3})CH-CH=CH{-2}). Förekomst av enkla och dubbla bindningar alternativt i en molekyl, som i isopren, kallas ”konjugering”.

Konjugerade molekyler som har pi-bindningar i positionerna 1,3,5,…eller 2,4,6,…

.positioner uppvisar resonans, där Zwitters (enheter med både plus- och minusladdningar som samexisterar på två platser) bildas genom överlappning av pi-bindningar.

Så är isopren som har överlappande (alternerande) pi-bindningar och skulle vara en bra ledare om det kondenserades, som sådant. När isoprenmolekylerna tillverkas till gummi skräddarsys dock hälften av pi-bindningarna i isoprenmolekylerna till intermolekylära (polymera) starka sigma-bindningar för att knyta ihop sig till mekaniskt flexibla men elektriskt styva kedjor.

I gummi är pi-bindningarna alltså inte i alternativa positioner som 1,3,5,…eller som 2,4,6,….utan som 2,6,10,….eller som 1,5,9…. Denna typ av omvandling av annars överlappande pi-bindningar till sigma-bindningar och icke överlappande pi-bindningar orsakar ett enormt energigap mellan valensbandet och konduktionsbandet och resulterar därmed i att alla bindningselektroner i enbart valensbandet fylls upp utan att det finns några fria elektroner tillgängliga i konduktionsbandet.

När (vanliga) elektriska potentialer tillämpas vid de motsatta ändarna av ett sådant gummi lyfts knappast elektronerna i valensbandet upp till ledningsbandet och därmed är inget flöde av elektrisk laddning möjligt genom gummimatrisen. På så sätt fungerar gummi som en elektrisk isolator.

Avdelningen för kemi

National Institute of Technology Warangal

Warangal, Andhra Pradesh