Elektrische geleidbaarheid van metalen

Elektrische geleidbaarheid in metalen is het gevolg van de beweging van elektrisch geladen deeltjes. De atomen van metalen elementen worden gekenmerkt door de aanwezigheid van valentie-elektronen, dit zijn elektronen in de buitenste schil van een atoom die vrij kunnen bewegen. Het zijn deze 'vrije elektronen' die metalen in staat stellen een elektrische stroom te geleiden.

Omdat valentie-elektronen vrij kunnen bewegen, kunnen ze door het rooster reizen dat de fysieke structuur van een metaal vormt. Onder een elektrisch veld bewegen vrije elektronen door het metaal, net zoals biljartballen die tegen elkaar slaan en een elektrische lading doorgeven terwijl ze bewegen.

De overdracht van energie is het sterkst als er weinig weerstand is. Op een biljarttafel gebeurt dit wanneer een bal tegen een andere enkele bal slaat en het grootste deel van zijn energie doorgeeft aan de volgende bal. Als een enkele bal meerdere andere ballen raakt, dragen die allemaal maar een fractie van de energie.

Evenzo zijn de meest effectieve geleiders van elektriciteit metalen die een valentie-elektron hebben dat vrij kan bewegen en een sterke afstotende reactie veroorzaakt in andere elektronen. Dit is het geval bij de meest geleidende metalen, zoals zilver, goud, en koper. Elk heeft één valentie-elektron dat beweegt met weinig weerstand en een sterke afstotende reactie veroorzaakt.

Halfgeleider metalen (of metalloïden) hebben een hoger aantal valentie-elektronen (meestal vier of meer). Dus hoewel ze elektriciteit kunnen geleiden, zijn ze niet efficiënt in hun taak. Echter, wanneer verwarmd of gedoteerd met andere elementen, zoals halfgeleiders silicium en germanium kunnen uiterst efficiënte geleiders van elektriciteit worden.

Geleiding in metalen moet de wet van Ohm volgen, die stelt dat de stroom recht evenredig is met het elektrische veld dat op het metaal wordt aangelegd. De wet, genoemd naar de Duitse natuurkundige Georg Ohm, verscheen in 1827 in een gepubliceerd artikel waarin werd uiteengezet hoe stroom en spanning worden gemeten via elektrische circuits. De belangrijkste variabele bij het toepassen van de wet van Ohm is de soortelijke weerstand van een metaal.

Weerstand is het tegenovergestelde van elektrische geleidbaarheid en beoordeelt hoe sterk een metaal de stroom van elektrische stroom tegenwerkt. Dit wordt gewoonlijk gemeten over de tegenoverliggende vlakken van een kubus materiaal van een meter en wordt beschreven als een ohm-meter (Ω⋅m). Weerstand wordt vaak voorgesteld door de Griekse letter rho (ρ).

Elektrische geleidbaarheid wordt daarentegen gewoonlijk gemeten door siemens per meter (S⋅m⁻¹) en vertegenwoordigd door de Griekse letter sigma (σ). Eén siemens is gelijk aan het omgekeerde van één ohm.

* Opmerking: de soortelijke weerstand van halfgeleiders (metalloïden) is sterk afhankelijk van de aanwezigheid van onzuiverheden in het materiaal.