Stavba hmoty

Hmota je tvořena jednotlivými dále nedělitelnými stavebními prvky - atomy. Mezi atomy jsou různé typy vazeb, které způsobují, že atomy tvoří hmotu různého skupenství a tvrdosti, základní skupenství jsou pevná, kapalná a plynná. Atomy tvoří buď krystalickou mřížku u pevných skupenství, nebo se shlukují do molekul u kapalných a plynných skupenství.

Bohrův model atomu

Jádro atomu je tvořeno z kladně nabitých protonů a neutronů bez náboje, kolem obíhají záporně nabité elektrony tvořící elektronový obal.
Elektrony mohou obíhat pouze v určitých drahách v dané vzdálenosti od jádra a mohou tedy mít jen přesně dané množství energie. Dráhy elektronů jsou pro zjednodušení zobrazovány plošně, přesnější prostorový model by mohl vypadat například takto...
Pokud elektron obdrží dostatek energie zvnějšku atomu, může přeskočit na vzdálenější dráhu nebo naopak může energii vyzářit a přeskočit na bližší dráhu.

U pevných látek jsou atomy uspořádány do krystalické mřížky a elektronové obaly jednotlivých atomů se navzájem prolínají. To způsobuje, že tyto elektrony mohou mít i jinou hodnotu energie než u samostatného atomu. Dá se to popsat takzvaným pásovým modelem.

Vodivostní pásmo: elektrony se mohou volně pohybovat mezi atomy
Zakázané pásmo: elektrony se na těchto energetických hladinách nemohou vyskytovat
Valenční pásmo: elektrony jsou pevně vázány na okolní atomy

Vodiče

Atom mědi

Kolem jádra je velké množství elektronů, a ty, které se nachází na nejvzdálenějších (kovalentních) drahách snadno přechází do prostoru mezi jednotlivými atomy, kde tvoří takzvaný elektronový plyn.
Pokud na tyto uvolněné elektrony budou působit vnější přitažlivé síly, budou se pohybovat a ve vodiči vznikne elektrický proud.

V pásovém energetickém modelu vodiče se valenční a vodivostní pásmo dotýkají nebo překrývají.

Izolanty

Elektronový obal je tvořen velmi pevně vázanými elektrony v zaplněné poslední dráze, které se nemohou volně pohybovat mezi atomy.

V pásovém energetickém modelu izolantu se mezi valenčním a vodivostním pásmem nachází zakázané pásmo energií, pro jehož překonání by elektrony musely obdržet velké množství energie (více jak 5eV).

Působením vnějšího elektrického pole může dojít k vychýlení elektronového obalu – takzvané polarizaci dielektrika.

Polovodiče

Atom křemíku

Elektronový obal je tvořen vázanými elektrony, ale dodáním vnější energie (teplo, světlo) se některé elektrony mohou vytrhnout z vazby a volně pohybovat, takže může v polovodiči vzniknout elektrický proud. Po vytrženém elektronu vznikne volná díra, která může opět nějaký elektron přijmout - rekombinovat, přičemž přebytečná energie se vyzáří ve formě tepla nebo světla.

V pásovém energetickém modelu polovodiče je mezi valenčním a vodivostním pásmem zakázané pásmo široké méně než 3eV.

Elektrolyty

Elektrolyt je vodivá tekutina, kde se nosičem proudů stávají ionty, které mohou vzniknout například chemickou reakcí. Iontem může být samotný atom nebo celá molekula. Kationt je takový atom, který má méně elektronů a převažuje tedy kladný náboj protonů. Aniont je atom, který má více elektronů a převažuje u něj záporný náboj. Anionty jsou přitahovány ke kladnému pólu zdroje, kationty k zápornému. Jejich pohyb je pomalejší než u elektronů ve vodičích.

Elektrolyty se využívají například v galvanických článcích.

Ionizované plyny

Z molekul plynů mohou být vnějším zdrojem (například zahřátím, ozářením, nebo silným elektrickým polem) odděleny elektrony, čímž vzniknou kladně nabité molekuly - kationty, které mohou vést elektrický proud. Vedlejším projevem protékání proudu ionizovaným plynem je viditelné světlo, jehož barva je dána chemickým složením ionizovaného plynu, což se využívá ve světelných zdrojích jako jsou zářivky, výbojky či neonové trubice. Jistá forma ionizovaného plynu se také nazývá plazma, která se vyskytuje v blesku nebo elektrickém oblouku. Ta se využívá pro svařování, řezání, nebo úpravu povrchu materiálů.