Electron
Các đặc tính > Dẫn điện

Nếu một vật thể có nhiều hoặc ít hơn lượng electron cần thiết để cân bằng với điện tích dương của hạt nhân nguyên tử, thì tổng thể vật đó có mang điện tích. Khi có nhiều hơn electron, vật đó mang điện âm. Khi có ít electron hơn số lượng proton trong hạt nhân nguyên tử, vật mang điện dương. Khi số electron và proton bằng nhau, điện tích của chúng hủy lẫn nhau và vật thể ở trạng thái cân bằng điện (hay trung hòa). Nhờ tác động chà xát có thể làm vật thể vĩ mô mang điện thông qua hiệu ứng điện ma sát (triboelectric effect).
Các electron độc lập chuyển động trong chân không được gọi là các electron tự do. Các electron trong kim loại cũng hành xử như chúng chuyển động tự do. Thực sự thì các hạt được gọi là các electron trong kim loại và những thể rắn khác là những giả-electron—giả hạt, mà có cùng điện tích, spin, và mômen từ như các electron thực thụ nhưng có khối lượng khác với nó. Khi các electron tự do—trong chân không lẫn kim loại—chuyển động, chúng tạo ra một dòng mạng lưới điện tích được gọi là dòng điện, từ đó tạo ra một từ trường. Giống như một dòng điện có thể được sinh ra từ sự thay đổi của một từ trường. Những tương tác và mối quan hệ này được miêu tả bởi phương trình Maxwell.
Ở mỗi nhiệt độ nhất định, từng vật liệu có một độ dẫn điện ảnh hưởng đến giá trị của dòng điện khi áp vào một điện thế. Những vật dẫn điện tốt bao gồm kim loại như đồng và vàng, trong khi thủy tinh và Teflon lại dẫn điện kém. Ở bất kỳ vật liệu cách điện nào, các electron vẫn bám vào các nguyên tử và vật liệu có tính chất như là một chất cách điện. Hầu hết các chất bán dẫn có mức độ dẫn điện biến đổi từ phạm vi dẫn điện cực tốt cho đến cách điện hoàn toàn. Mặt khác, các kim loại có cấu trúc dải điện tử chứa các vùng năng lượng được lấp đầy một phần bởi electron. Sự có mặt của những vùng năng lượng này cho phép các electron trong kim loại hành xử như chúng được tự do hoặc gọi là các electron phi định xứ (delocalized electrons). Những electron không liên kết với một nguyên tử nhất định, do vậy khi áp dụng một điện trường, chúng chuyển động tự do như một chất khí (được gọi là khí Fermi) đi qua vật liệu giống như các electron tự do.
Bởi vì có sự va chạm giữa các electron với các nguyên tử, vận tốc trôi của các electron trong một vật dẫn có độ lớn cỡ vài milimét trên một giây. Tuy nhiên, trường hợp có sự thay đổi dòng điện từ một điểm trong vật liệu gây ra sự thay đổi dòng điện ở điểm khác trong vật liệu, thì tốc độ lan truyền của hiệu ứng này, điển hình bằng khoảng 75% tốc độ ánh sáng. Điều này xảy ra bởi vì tín hiệu điện lan truyền như một sóng, với vận tốc phụ thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu.
Đa số kim loại có độ dẫn nhiệt tương đối tốt, chủ yếu bởi vì các electron phi định xứ vận chuyển năng lượng nhiệt tự do giữa các nguyên tử. Tuy nhiên, không giống như sự dẫn điện, sự dẫn nhiệt của một kim loại gần như độc lập với nhiệt độ của vật liệu. Điều này đã được phát biểu bằng định luật Wiedemann–Franz, nói rằng tỉ số độ dẫn nhiệt trên độ dẫn điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ của vật liệu. Sự mất trật tự bởi nhiệt trong dàn tinh thể nguyên tử kim loại làm tăng điện trở của vật liệu, tạo ra sự phụ thuộc vào nhiệt độ đối với dòng điện.
Khi làm lạnh vật liệu xuống dưới một mức gọi là nhiệt độ tới hạn, vật liệu trải qua sự chuyển pha trong đó nó mất hoàn toàn tính kháng điện (điện trở) đối với dòng điện, hay chính là hiệu ứng siêu dẫn. Trong lý thuyết BCS, các cặp electron được gọi là cặp Cooper trong chuyển động của chúng bắt cặp với nguyên tử gần đấy thông qua những dao động dàn nguyên tử gọi là phonon, do đó cặp Cooper tránh được va chạm với các nguyên tử mà thường tạo ra điện trở. (Các cặp Cooper có bán kính xấp xỉ bằng 100 nm, do đó nếu coi chúng như sóng vật chất thì chúng có thể chồng chập lẫn nhau.) Tuy nhiên, cơ chế cho hiệu ứng siêu dẫn nhiệt độ cao ở một số vật liệu vẫn chưa có lý thuyết giải thích thỏa đáng.
Các electron bên trong vật dẫn, mà chính chúng cũng là những giả hạt, khi đặt trong nhiệt độ rất gần với độ không tuyệt đối, có thể được phân ra thành ba loại giả hạt: spinon, orbiton và holon. Hạt đầu tiên mang spin và mômen từ, hạt tiếp theo mang vị trí orbital của nó trong khi hạt còn lại mang điện tích.