Αγωγοί και μονωτές
Ο τρόπος που τα άτομα συνδέονται μεταξύ τους επηρεάζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών που σχηματίζουν. Για παράδειγμα, σε υλικά που συγκρατούνται από τον μεταλλικό δεσμό, τα ηλεκτρόνια επιπλέουν χαλαρά μεταξύ των μεταλλικών ιόντων. Αυτά τα ηλεκτρόνια θα είναι ελεύθερα να κινούνται εάν εφαρμοστεί ηλεκτρική δύναμη. Για παράδειγμα, εάν ένα χάλκινο σύρμα είναι συνδεδεμένο στους πόλους μιας μπαταρίας, τα ηλεκτρόνια θα ρέουν μέσα στο καλώδιο. Έτσι, ρέει ένα ηλεκτρικό ρεύμα και ο χαλκός θεωρείται αγωγός.
Ωστόσο, η ροή ηλεκτρονίων μέσα σε έναν αγωγό δεν είναι τόσο απλή. Ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο θα επιταχυνθεί για λίγο, αλλά στη συνέχεια θα συγκρουστεί με ένα ιόν. Κατά τη διαδικασία σύγκρουσης, μέρος της ενέργειας που αποκτάται από το ηλεκτρόνιο θα μεταφερθεί στο ιόν. Ως αποτέλεσμα, το ιόν θα κινηθεί γρηγορότερα και ένας παρατηρητής θα παρατηρήσει την αύξηση της θερμοκρασίας του σύρματος. Αυτή η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας από την κίνηση των ηλεκτρονίων σε θερμική ενέργεια ονομάζεται ηλεκτρική αντίσταση. Σε ένα υλικό υψηλής αντίστασης, το καλώδιο θερμαίνεται γρήγορα καθώς ρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Σε ένα υλικό χαμηλής αντίστασης, όπως το σύρμα χαλκού, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας παραμένει με τα κινούμενα ηλεκτρόνια, έτσι το υλικό είναι καλό στη μετακίνηση ηλεκτρικής ενέργειας από το ένα σημείο στο άλλο. Η εξαιρετική αγώγιμη ιδιότητά του, μαζί με το σχετικά χαμηλό κόστος του, είναι ο λόγος που ο χαλκός χρησιμοποιείται συνήθως στις ηλεκτρικές καλωδιώσεις.
Η ακριβώς αντίθετη κατάσταση εμφανίζεται σε υλικά, όπως πλαστικά και κεραμικά, στα οποία τα ηλεκτρόνια είναι όλα κλειδωμένα σε ιοντικούς ή ομοιοπολικούς δεσμούς. Όταν αυτά τα είδη υλικών τοποθετούνται ανάμεσα στους πόλους μιας μπαταρίας, δεν ρέει ρεύμα - απλά δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια για κίνηση. Τέτοια υλικά ονομάζονται μονωτές.
Μαγνητικές ιδιότητες
Οι μαγνητικές ιδιότητες των υλικών σχετίζονται επίσης με τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στα άτομα. Ένα ηλεκτρόνιο σε τροχιά μπορεί να θεωρηθεί ως ένας μικροσκοπικός βρόχος ηλεκτρικού ρεύματος. Σύμφωνα με τους νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού, ένας τέτοιος βρόχος θα δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο. Κάθε ηλεκτρόνιο σε τροχιά γύρω από έναν πυρήνα παράγει το δικό του μαγνητικό πεδίο και το άθροισμα αυτών των πεδίων, μαζί με τα εγγενή πεδία των ηλεκτρονίων και του πυρήνα, καθορίζει το μαγνητικό πεδίο του ατόμου. Εάν δεν ακυρωθούν όλα αυτά τα πεδία, το άτομο μπορεί να θεωρηθεί ως ένας μικροσκοπικός μαγνήτης.
Στα περισσότερα υλικά αυτοί οι ατομικοί μαγνήτες δείχνουν σε τυχαίες κατευθύνσεις, έτσι ώστε το ίδιο το υλικό να μην είναι μαγνητικό. Σε ορισμένες περιπτώσεις - για παράδειγμα, όταν τοποθετούνται τυχαία προσανατολισμένοι ατομικοί μαγνήτες σε ένα ισχυρό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο - ευθυγραμμίζονται, ενισχύοντας το εξωτερικό πεδίο στη διαδικασία. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως παραμαγνητισμός. Σε λίγα μέταλλα, όπως ο σίδηρος, οι διατομικές δυνάμεις είναι τέτοιες που οι ατομικοί μαγνήτες ευθυγραμμίζονται σε περιοχές μερικών χιλιάδων ατόμων. Αυτές οι περιοχές ονομάζονται τομείς. Στο κανονικό σίδερο τα πεδία προσανατολίζονται τυχαία, έτσι το υλικό δεν είναι μαγνητικό. Εάν το σίδερο τοποθετηθεί σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο, ωστόσο, οι τομείς θα ευθυγραμμιστούν και θα παραμείνουν ευθυγραμμισμένοι ακόμη και μετά την αφαίρεση του εξωτερικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, το κομμάτι του σιδήρου θα αποκτήσει ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως σιδηρομαγνητισμός. Μόνιμοι μαγνήτες κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο.
