Elektron
Özellikleri > İletkenlik

Bir yapının çekirdeklerindeki proton sayısı elektron sayısından fazlaysa yapı pozitif, tersi durumda ise negatif yüklüdür. Elektron ve protonların sayısı aynı ise yükleri birbirlerini sıfırlar ve yapı, elektriksel olarak nötr olur. Makroskobik yapılar sürtünme ile elektriklenebilirler.
Vakumda hareket eden bağımsız elektronlar, serbest elektron olarak tanımlanır. Metallerdeki elektronlar da serbestlermiş gibi davranır. Gerçekte ise metal ve diğer katılardaki elektron olarak adlandırılan parçacıklara sanki elektron denir ve gerçek elektronlar ile aynı elektrik yükü, spin ve manyetik momente sahip olsa da kütle açısından farklılık gösterebilirler. Hem metal hem de vakumdaki serbest elektronlar hareket ettiklerinde, manyetik alan üreten ve elektrik akımı olarak adlandırılan net bir yük akışı oluştururlar. Manyetik alan değişimi ile de elektrik akımı yaratılabilir. Bu etkileşimler, matematiksel olarak Maxwell denklemleriyle tanımlanırlar.
Belirli bir sıcaklıkta her malzeme, elektrik potansiyelinin uygulandığında meydana gelen elektrik akımının değerini belirleyen bir elektrik iletkenliğine sahiptir. Dielektrik malzemelerde elektronlar kendi atomlarına bağlı kalırken malzemeler de bir yalıtkan gibi davranır. Çoğu yarı iletken malzeme, yalıtmanın ve iletmenin sınırları arasında olan farklı iletkenlik seviyesine sahiptir. Diğer yandan metaller, kısmen dolu elektronik bantlardan oluşan bir yapıya sahiptir. Bu bantların varlığı, metallerdeki elektronların serbest veya yöresizleşmiş elektronlarmış gibi davranmalarına yol açar. Bu elektronlar belli atomlarla ilişkilendirilmemiş olduklarından, bir elektrik alanı uygulandığında, serbest elektronlara benzer şekilde malzemeye doğru gaz gibi (Fermi gazı denir) gibi hareket etmekte serbesttir.
Elektronlar ile atomlar arasındaki çarpışmalardan dolayı bir iletkendeki elektronların sürüklenme hızı saniyede milimetreler bazındadır. Malzemenin bir noktasındaki akımın değişmesi ile diğer bölümlerindeki akımların da değişmesine neden olan hız faktörü, ışık hızının %75'i kadardır. Bu durum elektrik sinyallerinin, malzemenin dielektrik sabitine bağımlı bir hızla dalga gibi yayılması nedeniyle gerçekleşir.
Hareket alanı genişleyen elektronların atomlar arasındaki ısı enerjisini taşımak için serbest bir şekilde hareket etmelerinden dolayı metaller, görece ısıyı iyi iletirler. Metallerin ısı iletkenlikleri, elektrik iletkenliklerinin aksine sıcaklıktan neredeyse bağımsızdır. Bu durum matematiksel olarak, ısı iletkenliğinin elektrik iletkenliğine oranının sıcaklıkla orantılı olduğunu söyleyen Wiedemann-Franz kanunuyla açıklanır. Metalik kafesteki ısı düzensizliği, elektrik akımına bağımlı sıcaklık üreterek metalin elektrik direncini artırır.
Malzemeler, kritik sıcaklık denilen noktanın altındaki bir noktaya kadar soğutulunca, elektrik akımına karşı tüm dirençlerini kaybettikleri süperiletkenlik olarak adlandırılan faz değişimine uğradıkları bir sürece girerler. BCS teorisinde, Cooper çifti olarak adlandırılan elektron çiftleri, fonon olarak adlandırılan örgü titreşimleriyle yakınlarında bulunan maddeyle hareketlerini eşleştirerek normalde elektrik direnci oluşturan atomlarla çarpışmaktan kaçınırlar (Cooper çiftlerinin yarıçapı 100 nm kadar olduğundan birbirleriyle üst üste binmeleri mümkündür).
İletken katıların içindeki elektronlar, sözde parçacıktır ve mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda sıkıca hapsedildiklerinde; spinon, orbiton ve holonlar olmak üzere üç farklı sanki parçacığa bölünmüş gibi davranırlar. Spinonlar spin ve manyetik moment, orbitonlar orbital konum, holonlar ise elektrik yükü taşırlar.