In metallischen Feststoffen fließt elektrische Ladung mittels Elektronen von einem niedrigeren zu einem höheren elektrischen Potential. In anderen Medien kann jeder Strom geladener Objekte (z. B. Ionen) einen elektrischen Strom darstellen. Um eine Stromdefinition unabhängig von der Art der Ladungsträger bereitzustellen, ist herkömmlicher Strom definiert als Bewegung in die gleiche Richtung wie der positive Ladungsfluss., In Metallen, in denen die Ladungsträger (Elektronen) negativ sind, befindet sich der Strom in der entgegengesetzten Richtung zur gesamten Elektronenbewegung. In Leitern, in denen die Ladungsträger positiv sind, ist herkömmlicher Strom in der gleichen Richtung wie die Ladungsträger.
Im Vakuum kann ein Strahl von Ionen oder Elektronen gebildet werden. In anderen leitfähigen Materialien ist der elektrische Strom auf den Fluss sowohl positiv als auch negativ geladener Teilchen gleichzeitig zurückzuführen. In anderen Fällen ist der Strom vollständig auf einen positiven Ladungsfluss zurückzuführen., Zum Beispiel sind die elektrischen Ströme in Elektrolyten Ströme von positiv und negativ geladenen Ionen. In einer gemeinsamen Blei-Säure-elektrochemischen Zelle bestehen elektrische Ströme aus positiven Hydroniumionen, die in eine Richtung fließen, und negativen Sulfationen, die in die andere fließen. Elektrische Ströme in Funken oder Plasma sind Elektronenströme sowie positive und negative Ionen. In Eis und in bestimmten festen Elektrolyten besteht der elektrische Strom vollständig aus fließenden Ionen.,
Metalle
In einem Metall sind einige der äußeren Elektronen in jedem Atom nicht an die einzelnen Moleküle gebunden, wie sie in molekularen Feststoffen oder in vollen Bändern wie in Isoliermaterialien sind, sondern können sich innerhalb des Metallgitters frei bewegen. Diese Leitungselektronen können als Ladungsträger dienen und einen Strom tragen. Metalle sind besonders leitfähig, weil es viele dieser freien Elektronen gibt, typischerweise eine pro Atom im Gitter., Da kein externes elektrisches Feld angelegt ist, bewegen sich diese Elektronen aufgrund der thermischen Energie zufällig, aber im Durchschnitt gibt es keinen Nettostrom innerhalb des Metalls. Bei Raumtemperatur beträgt die Durchschnittsgeschwindigkeit dieser zufälligen Bewegungen 106 Meter pro Sekunde. Bei einer Oberfläche, durch die ein Metalldraht verläuft, bewegen sich Elektronen mit gleicher Geschwindigkeit in beide Richtungen über die Oberfläche. Wie George Gamow in seinem populärwissenschaftlichen Buch One, Two, Three schrieb…,Infinity (1947), “ Die metallischen Substanzen unterscheiden sich von allen anderen Materialien dadurch, dass die äußeren Schalen ihrer Atome eher locker gebunden sind und oft eines ihrer Elektronen freilassen. So ist das Innere eines Metalls mit einer großen Anzahl von ungebundenen Elektronen gefüllt, die sich ziellos wie eine Menschenmenge von Vertriebenen bewegen. Wenn ein Metalldraht einer elektrischen Kraft ausgesetzt wird, die auf seine gegenüberliegenden Enden ausgeübt wird, stürzen diese freien Elektronen in Richtung der Kraft und bilden so einen sogenannten elektrischen Strom.,“
Wenn ein Metalldraht über die beiden Anschlüsse einer Gleichspannungsquelle wie einer Batterie angeschlossen wird, legt die Quelle ein elektrisches Feld über den Leiter. In dem Moment, in dem Kontakt hergestellt wird, müssen die freien Elektronen des Leiters unter dem Einfluss dieses Feldes in Richtung des positiven Anschlusses driften. Die freien Elektronen sind daher der Ladungsträger in einem typischen festen Leiter.,
Für einen stetigen Ladungsfluss durch eine Oberfläche kann der Strom I (in Ampere) mit der folgenden Gleichung berechnet werden:
I = Q t , {\displaystyle I={Q \over t}\,,}
wobei Q die elektrische Ladung ist, die über eine Zeit t durch die Oberfläche übertragen wird.
Allgemeiner kann elektrischer Strom als die Geschwindigkeit dargestellt werden, mit der Ladung durch eine gegebene Oberfläche fließt als:
I = d Q d t. {\displaystyle I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}\,.,}
Elektrolyte
Ein Protonenleiter in einem statischen elektrischen Feld.
Elektrische Ströme in Elektrolyten sind Ströme elektrisch geladener Teilchen (Ionen). Wenn beispielsweise ein elektrisches Feld über eine Lösung von Na+ und Cl-gelegt wird (und die Bedingungen stimmen), bewegen sich die Natriumionen zur negativen Elektrode (Kathode), während sich die Chloridionen zur positiven Elektrode (Anode) bewegen. Reaktionen finden an beiden Elektrodenoberflächen statt und neutralisieren jedes Ion.,
Wassereis und bestimmte feste Elektrolyte, sogenannte Protonenleiter, enthalten positive Wasserstoffionen („Protonen“), die beweglich sind. In diesen Materialien bestehen elektrische Ströme aus sich bewegenden Protonen, im Gegensatz zu den sich bewegenden Elektronen in Metallen.
In bestimmten Elektrolytgemischen sind hell gefärbte Ionen die beweglichen elektrischen Ladungen. Der langsame Fortschritt der Farbe macht den Strom sichtbar.,
Gase und Plasmen
In Luft und anderen gewöhnlichen Gasen unterhalb des Magnetfeldes ist die dominierende Quelle der elektrischen Leitung über relativ wenige bewegliche Ionen, die durch radioaktive Gase, ultraviolettes Licht oder kosmische Strahlen erzeugt werden. Da die elektrische Leitfähigkeit niedrig ist, sind Gase Dielektrika oder Isolatoren. Sobald sich das angelegte elektrische Feld jedoch dem Abbauwert nähert, werden freie Elektronen durch das elektrische Feld ausreichend beschleunigt, um zusätzliche freie Elektronen durch Kollidieren und Ionisieren neutraler Gasatome oder-moleküle in einem als Lawinenabbruch bezeichneten Prozess zu erzeugen., Der Abbauprozess bildet ein Plasma, das genügend bewegliche Elektronen und positive Ionen enthält, um es zu einem elektrischen Leiter zu machen. Dabei bildet es einen licht emittierenden leitenden Pfad, wie einen Funken, Lichtbogen oder Blitz.
Plasma ist der Zustand der Materie, in dem einige der Elektronen in einem Gas von ihren Molekülen oder Atomen abgestreift oder „ionisiert“ werden. Ein Plasma kann durch hohe Temperatur oder durch Anwendung eines hohen elektrischen oder alternierenden Magnetfeldes gebildet werden, wie oben erwähnt., Aufgrund ihrer geringeren Masse beschleunigen die Elektronen in einem Plasma als Reaktion auf ein elektrisches Feld schneller als die schwereren positiven Ionen und tragen daher den Großteil des Stroms. Die freien Ionen rekombinieren, um neue chemische Verbindungen zu schaffen (zum Beispiel, brechen Luftsauerstoff in einzelnen Sauerstoff, die dann rekombinieren Ozon zu schaffen).
Vakuum
Da ein „perfektes Vakuum“ keine geladenen Teilchen enthält, verhält es sich normalerweise wie ein perfekter Isolator., Metallelektrodenoberflächen können jedoch dazu führen, dass ein Bereich des Vakuums leitfähig wird, indem freie Elektronen oder Ionen entweder durch Feldelektronenemission oder thermionische Emission injiziert werden. Die thermionische Emission tritt auf, wenn die thermische Energie die Arbeitsfunktion des Metalls überschreitet, während die Feldelektronenemission auftritt, wenn das elektrische Feld an der Oberfläche des Metalls hoch genug ist, um ein Tunneln zu verursachen, was zum Ausstoßen freier Elektronen aus dem Metall in das Vakuum führt., Extern erhitzte Elektroden werden häufig verwendet, um eine Elektronenwolke wie im Filament oder indirekt erhitzte Kathode von Vakuumröhren zu erzeugen. Kalte Elektroden können über thermionische Emission auch spontan Elektronenwolken erzeugen, wenn kleine Glühbereiche (Kathoden-oder Anoden-Spots genannt) gebildet werden. Dies sind Glühbereiche der Elektrodenoberfläche, die durch einen lokalisierten hohen Strom erzeugt werden. Diese Regionen können durch Feldelektronenemission initiiert werden, werden dann aber durch lokalisierte thermionische Emission aufrechterhalten, sobald sich ein Vakuumbogen bildet., Diese kleinen elektronenemittierenden Bereiche können sich sehr schnell, sogar explosiv, auf einer Metalloberfläche bilden, die einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt ist. Vakuumröhren und Sprytronen sind einige der elektronischen Schalt-und Verstärkungsgeräte, die auf der Vakuumleitfähigkeit basieren.
Supraleitung
Supraleitung ist ein Phänomen des elektrischen Widerstands und des Ausstoßes von Magnetfeldern, die in bestimmten Materialien auftreten, wenn sie unter eine charakteristische kritische Temperatur abgekühlt werden. Es wurde von Heike Kamerlingh Onnes am 8. April 1911 in Leiden entdeckt., Wie Ferromagnetismus und Atomspektrallinien ist die Supraleitung ein quantenmechanisches Phänomen. Es zeichnet sich durch den Meissner-Effekt aus, den vollständigen Auswurf von Magnetfeldlinien aus dem Inneren des Supraleiters beim Übergang in den supraleitenden Zustand. Das Auftreten des Meissner-Effekts zeigt, dass Supraleitung nicht einfach als Idealisierung perfekter Leitfähigkeit in der klassischen Physik verstanden werden kann.,
Halbleiter
In einem Halbleiter ist es manchmal nützlich, den Strom als aufgrund des Flusses positiver „Löcher“ zu betrachten (die mobilen positiven Ladungsträger, die Orte sind, an denen dem Halbleiterkristall ein Valenzelektron fehlt). Dies ist bei einem Halbleiter vom p-Typ der Fall. Ein Halbleiter weist eine elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Leiters und eines Isolators auf. Dies bedeutet eine Leitfähigkeit etwa im Bereich von 10-2 bis 104 siemens pro Zentimeter (S⋅cm−1).,
In den klassischen kristallinen Halbleitern können Elektronen Energien nur innerhalb bestimmter Bänder (d. H. Energiebereiche) haben. Energetisch befinden sich diese Bänder zwischen der Energie des Grundzustands, dem Zustand, in dem Elektronen fest an die Atomkerne des Materials gebunden sind, und der freien Elektronenenergie, wobei letztere die Energie beschreibt, die benötigt wird, damit ein Elektron vollständig aus dem Material entweichen kann., Die Energiebänder entsprechen jeweils vielen diskreten Quantenzuständen der Elektronen, und die meisten Zustände mit niedriger Energie (näher am Kern) sind bis zu einem bestimmten Band, dem Valenzband, besetzt. Halbleiter und Isolatoren unterscheiden sich von Metallen, weil das Valenzband in einem gegebenen Metall unter üblichen Betriebsbedingungen fast mit Elektronen gefüllt ist, während nur sehr wenige (Halbleiter) oder praktisch keine (Isolator) von ihnen im Leitungsband, dem Band, unmittelbar über dem Valenzband, verfügbar sind.,
Die Leichtigkeit der Erregung von Elektronen im Halbleiter vom Valenzband zum Leitungsband hängt von der Bandlücke zwischen den Bändern ab. Die Größe dieser Energiebandlücke dient als beliebige Trennlinie (ungefähr 4 eV) zwischen Halbleitern und Isolatoren.
Bei kovalenten Bindungen bewegt sich ein Elektron durch Hüpfen zu einer benachbarten Bindung. Das Pauli-Ausschlussprinzip erfordert, dass das Elektron in den höheren Anti-Bonding-Zustand dieser Bindung gehoben wird., Für delokalisierte Zustände, zum Beispiel in einer Dimension – also in einem Nanodraht-gibt es für jede Energie einen Zustand, in dem Elektronen in die eine Richtung fließen, und einen anderen Zustand, in dem die Elektronen in die andere fließen. Damit ein Netzstrom fließen kann, müssen mehr Zustände für eine Richtung als für die andere Richtung belegt sein. Dazu wird Energie benötigt, da im Halbleiter die nächst höheren Zustände über dem Bandspalt liegen. Oft wird dies so angegeben: Volle Bänder tragen nicht zur elektrischen Leitfähigkeit bei., Wenn jedoch die Temperatur eines Halbleiters über den absoluten Nullpunkt steigt, gibt es mehr Energie im Halbleiter, die für Gitterschwingungen und für aufregende Elektronen in das Leitungsband aufgewendet werden kann. Die stromführenden Elektronen im Leitungsband werden als freie Elektronen bezeichnet, obwohl sie oft einfach als Elektronen bezeichnet werden, wenn dies im Kontext klar ist.