Ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα στα μέταλλα είναι αποτέλεσμα της κίνησης των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων. Τα άτομα των μεταλλικών στοιχείων χαρακτηρίζονται από την παρουσία ηλεκτρονίων σθένους, τα οποία είναι ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κέλυφος ενός ατόμου που είναι ελεύθερα να μετακινηθούν. Είναι αυτά τα "ελεύθερα ηλεκτρόνια" που επιτρέπουν στα μέταλλα να διεξάγουν ηλεκτρικό ρεύμα.

Επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους είναι ελεύθερα να μετακινηθούν, μπορούν να ταξιδέψουν μέσα από το πλέγμα που σχηματίζει τη φυσική δομή ενός μετάλλου. Κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα στο μέταλλο, όπως οι μπάλες του μπιλιάρδου που χτυπούν το ένα το άλλο, περνώντας ένα ηλεκτρικό φορτίο καθώς κινούνται.

Η μεταφορά ενέργειας είναι ισχυρότερη όταν υπάρχει μικρή αντίσταση. Σε ένα τραπέζι μπιλιάρδου, αυτό συμβαίνει όταν μια μπάλα χτυπά εναντίον μιας άλλης μίας μπάλας, περνώντας το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας της στην επόμενη μπάλα. Αν μία μπάλα χτυπήσει πολλές άλλες μπάλες, κάθε μία από αυτές θα φέρει μόνο ένα κλάσμα της ενέργειας.

Με τον ίδιο τρόπο, οι πιο αποτελεσματικοί αγωγοί του ηλεκτρισμού είναι μέταλλα που έχουν ένα μόνο ηλεκτρόνιο σθένους ελεύθερο να μετακινηθεί και προκαλεί ισχυρή αντίδραση απωθήσεως σε άλλα ηλεκτρόνια. Αυτό συμβαίνει στα πιο αγώγιμα μέταλλα, όπως το ασήμι, χρυσός, και χαλκός. Κάθε ένα έχει ένα μόνο ηλεκτρόνιο σθένους που κινείται με μικρή αντίσταση και προκαλεί μια ισχυρή αντίδραση απωθήσεως.

Μέταλλα ημιαγωγών (ή μεταλλοειδή) έχουν μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων σθένους (συνήθως τέσσερα ή περισσότερα). Έτσι, αν και μπορούν να διεξάγουν ηλεκτρική ενέργεια, είναι αναποτελεσματικές στο έργο. Εντούτοις, όταν θερμαίνεται ή έχει προσμείξεις με άλλα στοιχεία, όπως η ημιαγωγός πυρίτιο και το γερμάνιο μπορεί να γίνει εξαιρετικά αποτελεσματικοί αγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας.

Η επαγωγή στα μέταλλα πρέπει να ακολουθεί τον νόμο του Ohm, ο οποίος δηλώνει ότι το ρεύμα είναι άμεσα αναλογικό προς το ηλεκτρικό πεδίο που εφαρμόζεται στο μέταλλο. Ο νόμος, που πήρε το όνομά του από το γερμανό φυσικό Georg Ohm, εμφανίστηκε το 1827 σε μια δημοσιευμένη δημοσίευση που αναφέρει πώς μετριούνται το ρεύμα και η τάση μέσω ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Η βασική μεταβλητή στην εφαρμογή του νόμου του Ohm είναι η ειδική αντίσταση του μετάλλου.

Η αντίσταση είναι το αντίθετο της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, αξιολογώντας πόσο έντονα ένα μέταλλο αντιτίθεται στη ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτό μετράται συνήθως στις απέναντι όψεις ενός κύβου μήκους ενός μέτρου και περιγράφεται ως μετρητής ωμ (Ω⋅m). Η αντίσταση συχνά αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα rho (ρ).

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα, από την άλλη πλευρά, μετράται συνήθως με siemens ανά μέτρο (S⋅m⁻¹) και αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα sigma (σ). Ένα siemens είναι ίσο με το αντίστροφο του ενός ohm.

* Σημείωση: Η αντίσταση των ημιαγωγών (μεταλλοειδή) εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την παρουσία ακαθαρσιών στο υλικό.