Przewodniki, półprzewodniki i izolatory.

Nauka o zjawiskach elektrycznych powstanie swe i rozwój zawdzięcza w równym stopniu istnieniu w przyrodzie ciał przewodzących elektryczność jak i izolatorów. Wysokie własności izolujące wykazują gazy nie będące w stanie silnego rozrzedzenia, nie ogrzane do zbyt wysokiej temperatury i osłonięte przed działaniem tzw. czynników jonizujących. W szczególności dobrym izolatorem jest powietrze atmosferyczne. Również znane są od dawna liczne ciała stałe, jak siarka, bursztyn, żywica i różnego rodzaju szkliwa. Mają one dobre własności izolujące, czyli nie przewodzą elektryczności. Do klasy dobrych przewodników zaliczamy przede wszystkim metale. Istnieje poza tym liczna klasa ciał przewodzących elektryczność w gorszym stopniu niż metale. Są to roztwory wodne kwasów, zasad oraz wielu soli nieorganicznych, jak saletra czy salmiak. Noszą one nazwę elektrolitów. Do klasy jeszcze gorszych przewodników należą takie ciała stałe jak drewno, tkaniny, ciała zwierząt.

Miejsce pośrednie między metalami i złymi przewodnikami zajmują liczne minerały oraz związki chemiczne tego typu co tlenki, siarczki, siarczany i niektóre czyste pierwiastki, jak selen, german lub krzem. Te właśnie substancje nazwano półprzewodnikami.

Badania późniejsze wykazały, że mechanizm elektrolityczny przewodnictwa elektrycznego występuje również w licznych kryształach jonowych i szkliwach, szczególnie przy ogrzaniu ich do wysokiej temperatury. Podobnie jak w roztworach wodnych, i tutaj ilości substancji przetransportowanych przez prąd elektryczny podlegają prawom Faradaya, co usprawiedliwia stosowaną dla tego rodzaju przewodników nazwę: elektrolity stałe. Nośnikami prądu elektrycznego w elektrolitach stałych są jony, uwolnione przez ruch cieplny w krysztale lub szkliwie. W miarę ogrzewania takiego przewodnika liczba nośników prądu (jonów) szybko wzrasta i powoduje odpowiednio szybkie narastanie natężenia prądu elektrycznego.

Badania doświadczalne przewodnictwa elektrycznego gazów utrudniał fakt, że w normalnych warunkach (ciśnienia i temperatury) przewodnictwo to jest znikomo małe, tak że gazy praktycznie uważamy za dielektryki. Dopiero pod wpływem tzw. czynników jonizujących, którymi są promienie Roentgena, promienie ά, β i γ ciał promieniotwórczych, promienie UV oraz płomienie (wysoka temperatura), gazy zaczynają w sposób dostrzegalny przewodzić prąd.

Gaz znajdujący się w normalnych warunkach (ciśnienia i temperatury), z dala od czynników jonizujących, jest izolatorem. Działanie czynnika jonizującego na gaz polega na odrywaniu od atomów jednego lub kilku elektronów, przez co w gazie pojawiają się elementarne „naboje” ujemne (elektrony) i dodatnie (zjonizowane atomy), biorące w równi z cząsteczkami obojętnymi gazu udział w ruchu molekularnym. Gdy zjonizowany gaz umieścimy w polu elektrycznym, jony dodatnie będą się poruszały w kierunku pola, ujemne – w kierunku przeciwnym, na skutek czego przez gaz popłynie prąd elektryczny.

Co się tyczy przewodnictwa elektrycznego metali, to mimo że od dawna było znane i użytkowane do celów praktycznych, fizyczna jego natura pozostawała przez dłuższy czas nie zrozumiana. Pierwsze próby stworzenia teorii przewodnictwa elektrycznego metali, datujące się z pierwszych lat XX w., nie doprowadziły do wyników zgodnych z doświadczeniem. Według tych teorii prąd elektryczny w metalach przenoszony jest przez znajdujące się w nim swobodne elektrony, które z kolei mają dosłownie wszystkie cechy gazu doskonałego, znanego z nauki o cieple. Teoria była wielokrotnie modyfikowana aż do roku 1929. W tym to roku uwzględniono ideę mechaniki kwantowej Schrődingera.

Praktyczne znaczenie przewodnictwa metali jest wszystkim znane. Wystarczy wymienić różnego rodzaju przewody elektryczne, druty oporowe, a zwłaszcza grzejniki elektryczne. Przewodnictwo elektrolityczne roztworów i substancji stopionych od dawna ma zastosowanie w wielu procesach technologii chemicznej, w szczególności do otrzymywania przez elektrolizę najczystszych metali. Procesy związane z przewodnictwem elektrolitycznym ciał stałych leżą u podstaw współczesnej teorii procesów fotolitycznych, zachodzących w kryształach halogenków srebra w emulsjach fotograficznych. Na zakończenie warto dodać, że nadprzewodnictwo znalazło ostatnio zastosowanie praktyczne do budowy elektromagnesów pozwalających osiągać bardzo silne pole magnetyczne przy minimum zużyciu energii.