导体,绝缘体,半导体
材料分为导体，绝缘体,或半导体根据他们的电导率．这些分类可以用原子的术语来理解。电子在一个原子只能具有某些明确定义的能量，并且，根据它们的能量，电子被称为占据特定的能量水平．在一个典型的有很多电子的原子中，越低越好能源层被填满，每层都有a所允许的电子数量子力学规则被称为泡利不相容原理．根据元素的不同，拥有电子的最高能级可能完全充满，也可能不完全充满。如果某种元素的两个原子靠得足够近以至于相互作用，那么单原子的每一能级在双原子体系中都有两个紧密间隔的能级。如果10个原子相互作用，10原子体系会有一个集群10个能级对应于单个原子的每一个能级。在一个固体，原子的数量，因此能级的数量是非常大的;a中大部分较高能级重叠连续时尚，除了某些根本没有层次的能量。具有能级的能量区称为能级区能源的乐队，没有级别的区域称为带隙．
电子所占据的最高能带是价乐队．在一个导体时，价电子带被部分填满，由于有许多空能级，电子在an的影响下自由运动电场；因此，在金属中，价带也是传导乐队．在一个绝缘子，电子完全填满价电子带;它和下一个带之间的间隙，也就是传导带，很大。电子不能在电场的影响下移动，除非它们被给予足够的能量以穿过大的能隙进入传导带。在一个半导体，差距到传导带比绝缘体小。在室温下，价电子带几乎完全被填满。价电子带中缺少了一些电子，因为它们已经获得了足够的电子热能穿过带隙到达导带;因此，它们可以在外部电场的影响下移动。价电子带中留下的“空穴”是移动载流子，但表现得像正电荷载流子。
对于许多材料，包括金属，对电荷流动的阻力往往随着电流的增加而增加温度．例如，增加5°C(9°F)增加电阻率的铜2%。相比之下，绝缘体的电阻率，特别是半导体等硅而且锗随温度迅速下降;增加的热能导致一些电子在传导带中填充能级，在那里，受外部电场的影响，它们可以自由移动。价电子能级和导带之间的能量差对这些材料的导电性有很大的影响，在较低的温度下，价电子能级和导带之间的能量差越小，导电性越高。
的值的电阻率表2显示了不同材料导电能力的极大差异。造成这种巨大变化的主要原因是可用性和可用性的范围很广流动性的航空公司收取在材料中。铜线例如，美国有许多移动运营商;每个铜原子大约有一个游离原子电子因为它的质量小，所以具有很高的流动性。一个电解液，如咸水解决方案铝的导电性能不如铜。的钠而且氯离子在解决方案中提供电荷载流子。钠和氯的质量都很大离子随着其他因素的吸引而增加离子聚集在他们周围。因此，钠离子和氯离子远比铜中的自由电子难以移动。纯水也是导体，虽然它是一个很差的一个，因为只有非常小的一部分的水分子解离成离子。的氧气，氮,氩气体构成了大气当气体被电离时，会形成少量的载流子，所以多少是导电的辐射从放射性元素在地球还有来自外星的宇宙射线(即高速原子核和电子)。电泳一个有趣的应用程序是基于流动性悬浮在电解溶液中的粒子。不同的粒子(蛋白质例如)在相同的电场中以不同的速度运动;速度的差异可以用来分离悬浮液的内容。
一个当前的流过导线加热它。这个熟悉的现象发生在电热炉的加热线圈中或在高温下钨电灯丝灯泡．这是欧姆加热的基础保险丝用于保护电电路及防火;如果电流超过一定值，保险丝就会烧断合金低熔点，熔化并中断电流的流动。的权力P在阻力中消散R电流通过哪个我流由
在哪里P是在美国瓦茨(一个瓦特= 1焦耳每秒),我单位是安培，而R单位是欧姆。根据欧姆定律，电位差V在两端之间电阻器是由V＝我R，权力也是如此P可以等价地表示为
然而，在某些材料中，功率耗散那体现如果导体冷却到很低的温度，它本身的热量就会突然消失。所有阻力的消失是一种被称为超导．如前所述，电子获得一些平均漂移速度v在电线中受电场影响的。通常电子受到a的作用力由于电场的作用，加速并逐渐获得更大的速度。然而，它们的速度在导线中是有限的，因为它们在与其他电子碰撞以及与导线中的原子碰撞时失去了一些获得的能量。损失的能量要么被转移给其他电子，这些电子随后辐射，要么金属线被微小的机械激发振动简称为声子．这两个过程都会加热材料。声子一词强调了这些振动与另一种机械振动的关系，即，声音．在超导体中，一个络合物量子机械效应阻止了这些能量对介质的微小损失。这种效应包括电子之间的相互作用，也包括电子与其他材料之间的相互作用。它可以通过考虑具有相反动量的电子对的耦合来可视化;的运动在非弹性碰撞或声子激发中，没有能量被传递给介质。人们可以想象，一个即将与介质“碰撞”并向介质失去能量的电子最终可能会与它的伙伴发生碰撞，从而交换能量动力没有传授任何媒介。
一种超导材料，广泛用于建设电磁铁是合金铌而且钛．这种材料必须冷却到几度以上绝对零度温度，- 263.66°C(或9.5 K)，以显示超导性能。这种冷却需要使用液化气氦这是相当昂贵的。在20世纪80年代后期，人们发现了在更高温度下表现出超导特性的材料。这些温度高于- 196°C的液体氮这使得使用后者代替液氦成为可能。由于液氮是丰富的和便宜的，这种材料可以提供巨大的好处在各种各样的应用，从电力传输高速计算．
电动势
一个12 -伏特汽车电池能把电流输送到一个吗电路比如汽车广播在相当长的一段时间内，电池端子之间的电位差保持在接近12伏。电池必须有一种持续补充位于各自端子上的多余正负电荷的方法，这是导致端子之间12伏电位差的原因。电荷必须以与终端相反的方向从一个终端运输到另一个终端电力在终端之间的费用。任何能完成这种电荷传输的装置构成电动势的来源例如，汽车电池使用化学反应来产生电动势．的范德格拉夫发电机所示是一种产生电动势的机械装置。由美国物理学家发明罗伯特·j·范德·格拉夫在20世纪30年代，这种类型粒子加速器已被广泛用于研究亚原子粒子．因为它在概念上比电动势的化学源更简单，范德格拉夫发电机将首先讨论。
绝缘传送带携带正极负责从范德格拉夫机器的底部到一个大型导电穹顶的内部。锋利的金属从传送带上除去电荷电极称为电荷去除点。然后电荷迅速移动到导电穹顶的外部。带正电的穹顶产生了一个电场，电场指向远离穹顶的地方，并对传送带上流向穹顶的额外正电荷产生排斥作用。因此，要做的工作是保持传送带转动。如果允许电流从穹顶流到地面如果绝缘带上的电荷传输提供了相等的电流，平衡并且穹顶的电位保持在恒定的正值。在这个例子中，从穹顶到地面的电流由加速管内的正离子流组成，沿着电场的方向移动。电荷在传送带上的运动方向与圆顶的电场对电荷施加的力方向相反。电荷沿电场相反方向运动是所有电动势源的共同特征。
在化学产生电动势的情况下，化学反应释放能量。如果这些反应发生在化学物质附近接近对彼此(例如，如果它们混合)，释放的能量加热混合物。产生一个伏打电池，这些反应必须发生在不同的位置。一个铜电线和锌电线扎进了一个柠檬组成一个简单的伏打电池。铜线和锌线之间的电位差可以很容易地测量出来，被发现为1.1伏;铜线作正极。这样的“柠檬”电池“是一个相当差的伏打电池，只能提供少量的电力。另一种用基本相同材料制成的1.1伏电池可以提供更多的电力。在本例中，a铜金属丝放在硫酸铜溶液中锌的溶液中的金属丝硫酸锌；这两个解由a电连接氯化钾盐桥。(盐桥是一种以离子为载流子的导体。)在这两种电池中，能量来自于铜和锌中电子结合程度的差异。当硫酸铜溶液中的铜离子沉积在铜上时，就能获得能量电极作为中性铜离子，从而从铜线中去除自由电子。同时，锌丝上的锌原子以带正电的锌离子的形式进入溶液，给锌丝留下多余的自由电子。结果是带正电的铜线和带负电的锌线。这两个反应在物理上是分开的，盐桥完成了内部反应电路．
说明一个12伏的铅酸电池，使用标准符号来描述电路中的电池。该电池由六个伏打电池组成，每个电池的电动势约为2伏;这些电池是串联的，因此六个单独的电压加起来约为12伏()．如在美国，每个两伏电池由若干平行电连接的正负极组成。平行连接是为了提供一个大的电极表面积，在上面可以发生化学反应。电极材料发生化学反应的速率越高转换允许电池提供更大的电流。
在铅酸电池中，每个伏打电池由一个负电极纯净的，绵软的引领(Pb)和正极的氧化铅(PbO2)．铅和氧化铅都在溶液中硫酸(H2所以4)和水(H2O)。在正极，化学反应为PbO2+所以−+ 4 h++ 2 e−→PbSO4+ 2 h2在负极，反应为Pb + SO−→PbSO4+ 2 e−电池电位为1.68 + 0.36 = 2.04伏。式中1.68伏为还原电位，0.36伏为氧化电位;它们与化学物质中电子的结合有关。当电池充电时，无论是通过汽车发电机还是外部电源，这两种化学反应都是相反的。
直流回路
最简单的直流(直流)电路由一个电阻器与电动势源相连的。电阻器的符号示于；这里的值是R， 60Ω由数值给出相邻对这个符号。电动势源的符号，E，表示电压的相关值。按照惯例，与短线端子相比，长线端子具有更高(即更正)的电位。假设连接电路中各个元件的直线电阻可以忽略不计，因此这些连接处的电势没有变化。电路显示12伏电动势连接到60Ω电阻。这些信件一个，b，c,d图上有参考点。
电动势源的作用是维持点一个电位比点高12伏d．因此，电位差V一个−Vd是12伏。电阻上的电位差是Vb−Vc．从欧姆定律，电流我流过电阻的是
因为分一个而且b的导体连接可以忽略不计电阻，它们具有相同的电位。出于同样的原因，c而且d都具有相同的势。因此,Vb−Vc＝V一个−Vd= 12伏。电路中的电流由公式(24)．因此,我= 12/60 = 0.2安培．功率在电阻器中损耗热计算公式(22)：
在电阻器中以热的形式消散的能量从何而来?它由电动势源提供(例如，铅酸电池)。在这样的电源内，每一笔费用d问从较低的电位移动到d到更高的势能一个，一个数量的工作等于dW＝d问（V一个−Vd)．如果这项工作在一段时间内完成dt时，电池所提供的功率通过除法得到dW通过dt．因此，电池提供的功率(单位为瓦)为
使用值我= 0.2安培和V一个−Vd= 12伏使dW/dt= 2.4瓦。正如预期的那样，电池提供的功率等于在电阻器中作为热量消散的功率。
电阻的系列而且平行
如果两个电阻连接在一起所以所有的电荷都必须遍历两个电阻接在一起时，电流流动的等效电阻是电阻之和。
使用R1而且R2为个别阻力，为间阻力一个而且b是由
这个结果可以通过把两个电阻看作是同一类型的细导线的两块来理解。如图所示，将导线串联起来，只是使它们的长度增加到等于它们两个长度的和。As方程(20.)表示，则电阻与式(25一个)．的抗性R1而且R2在电路中可以用等效电阻代替吗R一个b．如果R1= 5Ω和R2= 2Ω，那么R一个b= 7Ω。如果两个电阻如图所示连接时，电荷有不同的流动路径c来d．电荷流动的阻力c来d明显小于如果吗R1或R2人失踪。任何曾经在拥挤的剧院里寻找出路的人都能体会到，离开一个有几个出口的建筑比离开一个只有一个出口的建筑要容易得多。的价值并联两个电阻的等效电阻由公式给出
此关系式直接由式(20.)，其中1/R与面积成正比。如果电阻器R1而且R2被想象成相同长度和材料的导线，它们将是具有不同截面积的导线。将它们平行连接相当于将它们并排放置，增加了可用于电荷流动的总面积。显然，等效电阻小于任何一个电阻单独的电阻。作为一个数值例子R1= 5Ω和R2= 2Ω， 1/Rcd= 1/5 + 1/2 = 0.7。因此,Rcd= 1/0.7 = 1.43Ω。正如预期的那样，1.43欧姆的等效电阻小于2欧姆或5欧姆。值得注意的是，两个方程(25一个)及(25 b)给出的形式可以很容易地扩展到任何数量的电阻。