Все материалы состоят из атомов. В центре любого атома находится небольшое плотное ядро. На рис. 2-1(a) показано, что ядро атома меди состоит из положительно заряженных частиц, называемых протонами (+) и нейтральных частиц, называемых нейтронами (N). Вокруг ядра "вращаются" электроны, которые являются отрицательно заряженными частицами (−). Медь, как и все атомы, имеет равное количество протонов и электронов. Таким образом, общий заряд атома равен нулю.
В электронике основной интерес представляет орбита, которая находится дальше всего от ядра. Она называется валентной орбитой. В случае меди на валентной орбите находится только один электрон. Атом меди можно упрощённо представить, как показано на рис. 2-1(b). Здесь ядро и первые три орбиты объединены в общий положительный заряд (+1). Это уравновешивается одним валентным электроном.
Проводники формируют основные пути для электронных цепей. На рис. 2-2 показано, как медный провод поддерживает поток электронов. Атом меди содержит положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны, которые вращаются вокруг ядра. Рисунок 2-2 упрощён и показывает только самый внешний электрон, называемый валентным электроном. Валентный электрон очень важен, так как он выступает в роли носителя тока.
Даже очень тонкий медный провод содержит миллиарды атомов, каждый из которых имеет один валентный электрон. Эти электроны слабо притягиваются к ядрам атомов, и их очень легко перемещать. Если к проводу приложить электродвижущую силу (напряжение), валентные электроны начнут двигаться в направлении положительного конца источника напряжения. Поскольку валентных электронов очень много и они легко перемещаются, даже небольшое напряжение может привести в движение огромное количество электронов. Таким образом, медь является отличным проводником электричества. Она обладает очень низким сопротивлением.
Нагрев медного провода изменяет его сопротивление. По мере нагрева провода валентные электроны становятся более активными. Они удаляются дальше от своих ядер и движутся быстрее. Эта активность увеличивает вероятность столкновений, когда электроны, переносящие ток, движутся к положительному концу провода. Эти столкновения поглощают энергию и увеличивают сопротивление протеканию тока. Сопротивление провода возрастает при его нагреве.
Все проводники демонстрируют этот эффект. По мере их нагрева они проводят ток менее эффективно, и их сопротивление увеличивается. Такие материалы имеют положительный температурный коэффициент. Это означает, что связь между температурой и сопротивлением является положительной — то есть они увеличиваются одновременно.
Сверхпроводимость возникает при крайне низких температурах.
Аппараты МРТ, используемые в медицине, применяют жидкий водород для достижения температуры −442°F (примерно −263°C).
Медь является наиболее широко используемым проводником в электронике. Большая часть проводов, используемых в электронике, сделана из меди. Печатные платы используют медную фольгу в качестве проводников. Медь — это хороший проводник, и её легко паять. Это делает её очень популярной.
Алюминий — это хороший проводник, но не такой эффективный, как медь. Он чаще используется в силовых трансформаторах и линиях электропередачи, чем в электронике. Алюминий дешевле меди, но его сложнее паять, и он быстро корродирует при контакте с другими металлами.
Серебро — лучший проводник, так как имеет наименьшее сопротивление. Его также легко паять. Высокая стоимость серебра делает его менее распространённым, чем медь. Однако серебряные покрытия иногда используются в критически важных электронных схемах для минимизации сопротивления.
Золото — хороший проводник. Оно очень стабильно и не так сильно корродирует, как медь и серебро. Некоторые скользящие и подвижные электронные контакты покрываются золотом. Это делает контакты очень надёжными.
Противоположностью проводника является диэлектрик (изолятор). В изоляторе валентные электроны прочно связаны со своими атомами. Они не могут свободно перемещаться, поэтому при приложении напряжения ток практически не течёт. Почти все изоляторы, используемые в электронике, основаны на соединениях. Соединение — это комбинация двух или более различных видов атомов. Некоторые широко используемые изоляционные материалы включают резину, пластик, майлар, керамику, тефлон и полистирол.
Способность материала изолировать зависит от того, как расположены атомы. Углерод — один из таких материалов. На рис. 2-3(a) показан углерод, организованный в структуру алмаза.
В этой кристаллической или алмазной структуре валентные электроны не могут перемещаться, чтобы служить носителями тока. Алмазы являются изоляторами. На рис. 2-3(b) показан углерод, организованный в структуру графита.
Здесь валентные электроны могут свободно перемещаться при приложении напряжения. Может показаться странным, что и алмазы, и графит состоят из углерода. Один изолирует, а другой — нет. Всё зависит от того, закреплены ли валентные электроны в структуре. Углерод в форме графита используется для изготовления резисторов и электродов. Пока что алмазная структура углерода не нашла широкого применения в создании электрических или электронных устройств.