إلكترون
خصائص الإلكترون > الموصلية

إذا كان الجسم له الكترونات أكثر أو أقل من العدد المطابق له من الشحنات الموجبة للنواة، فإن ذلك سيخلق للجسم شحنة كهربية. فعندما تكون الإلكترونات أكثر عددًا فإن الجسم يطلق عليه ذو شحنة سالبة. أما عندما تكون الإلكترونات أقل عددًا من بروتونات النواة، فإن الجسم يكون موجب الشحنة. وعندما تتساوى الإلكترونات مع البروتونات فإن الشحنتين تلغيان بعضهما البعض ويكون الجسم ذو شحنة محايدة. بإمكان الأجسام الدقيقة أن تنتج شحنة كهربائية عن طريق الفرك أو ما يسمى تأثير كهرباء الاحتكاك.
يطلق على الإلكترونات التي تتحرك مستقلة في الفراغ بالإلكترونات الحرة، أما الكترونات المعادن فتصرفاتها تشبه الحرة إلا أنها ليست كذلك، والسبب هو أن الجزيئات الموجودة في المعادن والمواد الصلبة الأخرى والمسماة بالالكترونات هي في الواقع شبه-إلكترونات أو شبه جسيمات، فهي مثل الإلكترونات الحقيقية: لديها نفس الشحنة الكهربائية واللف والعزم المغناطيسي، ولكنها تختلف في الكتلة. تنتج الإلكترونات الحرة عند حركتها في الفراغ أو المعادن دفق صافي للشحنة يسمى التيار الكهربائي فيولد جراء ذلك مجالا مغناطيسيًا. والعكس صحيح، حيث يمكن إنشاء التيار من المجال المغناطيسي المتغير. وتصف معادلات ماكسويل تلك التفاعلات رياضيًا.
تتغير الموصلية الكهربائية لكل مادة بتغير درجات الحرارة، فهي تحدد كمية التيار الكهربائي عند تطبيق الجهد الكهربائي. فهناك موصلات جيدة كما في معادن: النحاس والذهب، وموصلات ضعيفة التوصيل مثل الزجاج والتيفلون. وأيضًا هناك المواد العازلة التي تحجز الإلكترونات داخل ذراتها بحيث تكون المادة بمثابة عازل. أما أشباه الموصلات فلها مستوى موصلية متفاوت يقع بين النقيضين من التوصيل حتى العزل. ومن ناحية أخرى، فإن الفلزات لديها بنية نطاق إلكتروني تحتوي على شرائح إلكترونية ممتلئة جزئيًا. فوجود مثل هذه الشرائح يسمح للإلكترونات في المعادن بالتصرف كما لو أنها إلكترونات حرة أو غير متمركزة. ولا ترتبط تلك الإلكترونات مع ذرات معينة، لذا فعندما يتم تطبيق مجال كهربائي، فهي تتحرك بحرية مثل الغاز (ويسمى غاز فيرمي) خلال مواد تشبه كثيرًا الإلكترونات الحرة.
تكون سرعة انجراف الإلكترونات داخل الموصل بسبب تصادمها مع الذرات قريبًا من ملليمترات بالثانية الواحدة. ومع هذا، فالسرعة التي تغيّر من التيار في نقطة ما فإنها تسبب تغيرا في التيارات في أجزاء أخرى من المادة. وتقترب سرعة الانتشار إلى حوالي 75 ٪ من سرعة الضوء. وذلك لأن انتشار الإشارات الكهرباء الموجية وسرعتها يعتمدان على ثابت العزل للمادة.
تعتبر المعادن موصلات جيدة نسبيًا للحرارة، وسبب ذلك أن الإلكترونات غير المتمركزة تكون حرة في نقل الطاقة الحرارية بين الذرات، لكن عند التوصيل الكهربائي فإن الأمر يختلف. فالموصلية الحرارية للفلزات مستقلة تقريبًا عن درجة الحرارة، وهو ما يعبر عنه حسابيًا قانون فيدمان-فرانز، والذي ينص أن نسبة الموصلية الحرارية إلى الموصلية الكهربائية تتناسب طرديًا مع درجة الحرارة. فأي اضطراب حراري في الشبيكة الفلزية يزيد من المقاومة الكهربائية للمواد، وينتج منه تيارًا كهربائيًا معتمدًا على درجة الحرارة.
عندما تتعرض المواد إلى نقطة الحرارة الحرجة فإنها تخضع لمرحلة تحول تسمى عملية موصلية فائقة بحيث تفقد كل مقاومة في التيار الكهربائي. ففي نظرية بي سي اس فإن هذا السلوك يصوغه أزواج من الالكترونات تدخل حالة كم تسمى بتكاثف بوز وأينشتاين. وأزواج كوبر تلك لها حركتها مقترنة بمادة قريبة خلال اهتزازات شعرية تسمى الفونونات وبذا تتجنب تصادما مع ذرات ينشأ منها مقاومة كهربائية. (نصف قطر أزواج كوبر حوالي 100 نانومتر، بحيث تتداخل مع بعضها البعض.) ومع هذا فلا تزال الآلية التي يعمل بها موصليات فائقة عالية الحرارة غير مؤكدة.
الإلكترونات داخل المواد الصلبة الموصلة وهي نفسها شبه-إلكترونات أو شبه جسيمات، فعندما تقيد بإحكام عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق فإنها تتصرف كما لو انها انقسمت إلى قطعتين من شبه جسيم وهما: سبينون وهولون. فالسابق يحمل اللف والعزم المغناطيسي، بينما التالي يحمل الشحنة الكهربائية.