ในวิชาฟิสิกส์และวิศวกรรมไฟฟ้าตัวนำคือวัตถุหรือวัสดุ ที่ยอมให้ ประจุ ( กระแสไฟฟ้า ) ไหลผ่านได้ในทิศทางเดียวหรือหลายทิศทาง วัสดุที่ทำจากโลหะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่พบได้ทั่วไป การไหลของอิเล็กตรอนที่ มีประจุลบ ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า โฮลที่มีประจุบวกและไอออนบวกหรือลบในบางกรณี

เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรไฟฟ้า ปิด อนุภาคที่มีประจุไม่จำเป็นต้องเคลื่อนที่จากส่วนประกอบที่สร้างกระแสไฟฟ้า ( แหล่งกำเนิดกระแส ) ไปยังส่วนประกอบที่รับกระแสไฟฟ้า ( โหลด ) แต่เพียงแค่ต้องผลักอนุภาคข้างเคียงไปในระยะทางจำกัด อนุภาคข้างเคียงก็จะผลัก อนุภาค ข้างเคียงต่อไปเรื่อยๆ จนกระทั่งอนุภาคหนึ่งถูกผลักเข้าไปในส่วนประกอบที่รับกระแสไฟฟ้า จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น โดยพื้นฐานแล้วสิ่งที่เกิดขึ้นคือห่วงโซ่ การถ่ายโอน โมเมนตัมระหว่างตัวนำประจุ ที่เคลื่อนที่ได้ แบบจำลองการนำไฟฟ้าของ Drudeอธิบายกระบวนการนี้ได้อย่างละเอียดกว่า แบบจำลองการถ่ายโอนโมเมนตัมนี้ทำให้โลหะเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับตัวนำ เนื่องจากโลหะมีลักษณะเฉพาะคือมีอิเล็กตรอนกระจาย ตัวอยู่ทั่วบริเวณ ทำให้มีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้มากพอที่จะชนกันและส่งผลต่อการถ่ายโอนโมเมนตัม

ดังที่กล่าวมาข้างต้น อิเล็กตรอนเป็นตัวเคลื่อนที่หลักในโลหะ อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์อื่นๆ เช่นอิเล็กโทรไลต์ ประจุบวก ของแบตเตอรี่หรือโปรตอนที่เคลื่อนที่ได้ในตัวนำโปรตอนของเซลล์เชื้อเพลิง อาศัยตัวนำประจุบวก ฉนวนเป็นวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า มีประจุเคลื่อนที่ได้น้อย และรองรับกระแสไฟฟ้าได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น

ความต้านทานของตัวนำที่กำหนดขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ทำและขนาดของตัวนำนั้น สำหรับวัสดุที่กำหนด ความต้านทานจะแปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัด^{[ 1 ]}ตัวอย่างเช่นลวด ทองแดงหนา จะมีความต้านทานต่ำกว่าลวดทองแดงบางที่เหมือนกันทุกประการ นอกจากนี้ สำหรับวัสดุที่กำหนด ความต้านทานจะแปรผันตรงกับความยาว ตัวอย่างเช่น ลวดทองแดงยาวจะมีความต้านทานสูงกว่าลวดทองแดงสั้นที่เหมือนกันทุกประการ ดังนั้น ความต้านทานRและค่าการนำไฟฟ้าGของตัวนำที่มีหน้าตัดสม่ำเสมอจึงสามารถคำนวณได้ดังนี้^{[ 1 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}R&=\rho {\frac {\ell }{A}},\\[6pt]G&=\sigma {\frac {A}{\ell }}.\end{aligned}}}$

โดยที่คือความยาวของตัวนำ วัดเป็นเมตร [m], Aคือพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ วัดเป็นตารางเมตร [m² ^] , σ ( ซิกมา ) คือค่าการนำไฟฟ้าวัดเป็นซีเมนส์ต่อเมตร (S·m⁻¹ ⁾ , และ ρ ( โร ) คือค่าความต้านทานจำเพาะ (หรือเรียกว่าค่าความต้านทานไฟฟ้าเฉพาะ ) ของวัสดุ วัดเป็นโอห์ม-เมตร (Ω·m) ค่าความต้านทานจำเพาะและค่าการนำไฟฟ้าเป็นค่าคงที่สัดส่วนกัน ดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ทำลวดเท่านั้น ไม่ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของลวด ค่าความต้านทานจำเพาะและค่าการนำไฟฟ้าเป็นส่วนกลับกัน : ค่าความต้านทานจำเพาะเป็นตัววัดความสามารถของวัสดุในการต้านทานกระแสไฟฟ้า ${\displaystyle \ell }$${\displaystyle \rho =1/\sigma }$

สูตรนี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสม่ำเสมอทั่วทั้งตัวนำ ซึ่งในทางปฏิบัติแล้วอาจไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป เช่น ในกรณีของกระแสสลับที่เกิดปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์อย่างไรก็ตาม สูตรนี้ยังคงให้ค่าประมาณที่ดีสำหรับตัวนำที่ยาวและบาง เช่น สายไฟ

สถานการณ์อื่นที่สูตรนี้ไม่แม่นยำคือกระแสสลับ (AC) เนื่องจากผลของสกินเอฟเฟกต์จะยับยั้งการไหลของกระแสใกล้ศูนย์กลางของตัวนำ ดังนั้นหน้าตัดทางเรขาคณิต จึงแตกต่างจากหน้าตัด ที่มีประสิทธิภาพซึ่งกระแสไหลจริง ดังนั้นความต้านทานจึงสูงกว่าที่คาดไว้ ในทำนองเดียวกัน หากตัวนำสองตัวอยู่ใกล้กันและมีกระแสสลับไหลผ่าน ความต้านทานของตัวนำทั้งสองจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากผลของความใกล้เคียงที่ความถี่ไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ผลกระทบเหล่านี้มีความสำคัญสำหรับตัวนำขนาดใหญ่ที่มีกระแสไหลผ่านมาก เช่นบัสบาร์ในสถานีไฟฟ้าย่อย^{[ 2 ]}หรือสายไฟขนาดใหญ่ที่มีกระแสมากกว่าไม่กี่ร้อยแอมแปร์

นอกเหนือจากรูปทรงเรขาคณิตของลวดแล้ว อุณหภูมิยังมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของตัวนำ อุณหภูมิส่งผลต่อตัวนำในสองวิธีหลัก วิธีแรกคือวัสดุอาจขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน ปริมาณการขยายตัวของวัสดุนั้นขึ้นอยู่กับสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเฉพาะของวัสดุนั้น การขยายตัว (หรือการหดตัว) ดังกล่าวจะเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตของตัวนำและดังนั้นจึงเปลี่ยนความต้านทานจำเพาะ อย่างไรก็ตาม ผลกระทบนี้โดยทั่วไปมีขนาดเล็ก อยู่ในระดับ 10⁻⁶ ^การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะเพิ่มจำนวนโฟนอนที่เกิดขึ้นภายในวัสดุด้วยโฟนอนโดยพื้นฐานแล้วคือการสั่นสะเทือนของโครงสร้างผลึก หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือการเคลื่อนที่แบบจลน์ขนาดเล็กและกลมกลืนของอะตอมของวัสดุ คล้ายกับการสั่นของเครื่องเล่นพินบอล โฟนอนทำหน้าที่รบกวนเส้นทางของอิเล็กตรอน ทำให้เกิดการกระเจิง การกระเจิงของอิเล็กตรอนนี้จะลดจำนวนการชนกันของอิเล็กตรอนและดังนั้นจึงลดปริมาณกระแสไฟฟ้าทั้งหมดที่ถ่ายโอน

วัสดุที่เป็นตัวนำ ได้แก่โลหะอิเล็กโทรไลต์ตัวนำยิ่งยวดสารกึ่งตัวนำพลาสมาและตัวนำที่ไม่ใช่โลหะบางชนิด เช่นกราไฟต์และ พอลิเมอ ร์นำไฟฟ้า

ทองแดงมีค่าการนำไฟฟ้าสูง ทองแดง อบอ่อนเป็นมาตรฐานสากลที่ใช้เปรียบเทียบกับตัวนำไฟฟ้าอื่นๆ ทั้งหมด โดย ค่าการนำไฟฟ้า ตามมาตรฐานทองแดงอบอ่อนสากลคือ58 MS/mแม้ว่าทองแดงบริสุทธิ์พิเศษอาจมีค่าเกิน 101% IACS เล็กน้อย เกรดหลักของทองแดงที่ใช้ในงานไฟฟ้า เช่น สายไฟอาคาร ขด ลวด มอเตอร์สายเคเบิล และบัสบาร์คือทองแดงอิเล็กโทรไลติก-ทัฟพิทช์ (ETP) (CW004A หรือ รหัส ASTM C100140) หากต้องเชื่อมหรือบัดกรี ทองแดงที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูง หรือใช้ในบรรยากาศรีดิวซ์อาจใช้ทองแดงที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงปราศจากออกซิเจน (CW008A หรือรหัส ASTM C10100) ได้ ^{[ 3 ]}เนื่องจากเชื่อมต่อได้ง่ายด้วยการบัดกรีหรือการหนีบ ทองแดงจึงยังคงเป็นตัวเลือกที่พบได้บ่อยที่สุดสำหรับสายไฟขนาดเล็กส่วนใหญ่

เงินนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง 6% แต่เนื่องจากต้นทุนสูงจึงไม่สามารถนำมาใช้ได้จริงในกรณีส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม มีการใช้เงินในอุปกรณ์เฉพาะทาง เช่นดาวเทียมและใช้เป็นแผ่นบางๆ เพื่อลด การสูญเสียจากปรากฏการณ์ สกินเอฟเฟกต์ที่ความถี่สูง เป็นที่รู้จักกันดีว่ามีการใช้เงินจำนวน 14,700 ตัน (13,300 ตัน) ที่ยืมมาจากกระทรวงการคลังของสหรัฐอเมริกาในการผลิต แม่เหล็ก คาลูตรอนในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเนื่องจากทองแดงขาดแคลนในช่วงสงคราม^{[ 4 ]}

สาย อลูมิเนียมเป็นโลหะที่ใช้กันมากที่สุดใน การส่ง และจำหน่ายพลังงานไฟฟ้าแม้ว่าจะมีค่าการนำไฟฟ้าเพียง 61% ของทองแดงเมื่อเทียบตามพื้นที่หน้าตัด แต่ความหนาแน่นที่ต่ำกว่าทำให้มีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าถึงสองเท่าเมื่อเทียบตามมวล และเนื่องจากอลูมิเนียมมีราคาถูกกว่าทองแดงประมาณหนึ่งในสามเมื่อเทียบตามน้ำหนัก ข้อได้เปรียบทางเศรษฐกิจจึงมีมากเมื่อต้องการตัวนำขนาดใหญ่

ข้อเสียของสายไฟอะลูมิเนียมอยู่ที่คุณสมบัติทางกลและทางเคมี มันก่อตัวเป็นออกไซด์ที่เป็นฉนวนได้ง่าย ทำให้จุดเชื่อมต่อร้อนขึ้นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน ที่สูง กว่าวัสดุทองเหลืองที่ใช้สำหรับตัวเชื่อมต่อ ทำให้จุดเชื่อมต่อหลวม อะลูมิเนียมยังสามารถ "คืบตัว" ค่อยๆ เปลี่ยนรูปภายใต้แรงกด ซึ่งทำให้จุดเชื่อมต่อหลวมเช่นกัน ผลกระทบเหล่านี้สามารถลดลงได้ด้วยตัวเชื่อมต่อที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมและความระมัดระวังเป็นพิเศษในการติดตั้ง แต่ข้อเสียเหล่านี้ทำให้สายไฟอะลูมิเนียมในอาคารไม่เป็นที่นิยมหลังจากจุดจ่ายไฟหลัก

สารประกอบอินทรีย์เพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่นำไฟฟ้าได้ ตัวอย่างเช่น น้ำมัน ไฮโดรคาร์บอนเช่นออกเทน เป็น ฉนวนหม้อแปลงไฟฟ้าทั่วไปสารประกอบอินทรีย์ทั่วไปไม่นำไฟฟ้าเนื่องจากขาดตัวนำประจุพวกมันเป็นโมเลกุลที่ไม่มีประจุ ไม่สามารถนำไฟฟ้าแบบไอออนิ กได้ และอิเล็กตรอนของพวกมันไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ที่พลังงานต่ำ โดยอยู่เฉพาะในพันธะโควาเลนต์ ที่ค่อนข้างเฉื่อย ตัวนำอินทรีย์ที่หายากเกิดขึ้นจากความล้มเหลวของเงื่อนไขใดเงื่อนไขหนึ่ง เช่นของเหลวไอออนิก บางชนิดนำ ไฟฟ้า ผ่านการขนส่งไอออน และพอลิเมอร์นำไฟฟ้าจะกระจายอิเล็กตรอนส่วนใหญ่ในระบบ π

แม้ว่า น้ำบริสุทธิ์จะไม่เป็นตัวนำไฟฟ้า แต่สารเจือปนที่มีประจุไอออนเพียงเล็กน้อย เช่นเกลือก็สามารถเปลี่ยนน้ำให้กลายเป็นตัวนำไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว

สายไฟวัดขนาดจากพื้นที่หน้าตัด ในหลายประเทศ ขนาดจะระบุเป็นตารางมิลลิเมตร ในอเมริกาเหนือ ตัวนำจะวัดด้วยหน่วยAmerican wire gaugeสำหรับขนาดเล็ก และcircular milsสำหรับขนาดใหญ่

ความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าของตัวนำ หรือปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ตัวนำสามารถนำผ่านได้นั้น สัมพันธ์กับความต้านทานไฟฟ้า กล่าวคือ ตัวนำที่มีความต้านทานต่ำกว่าจะสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้มากกว่า ความต้านทานนั้นขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ทำตัวนำ (ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น) และขนาดของตัวนำ สำหรับวัสดุชนิดเดียวกัน ตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัดขนาดใหญ่กว่าจะมีความต้านทานน้อยกว่าตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัดขนาดเล็กกว่า

สำหรับตัวนำเปลือย ขีดจำกัดสูงสุดคือจุดที่พลังงานสูญเสียไปกับความต้านทานทำให้ตัวนำละลาย อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากฟิวส์แล้ว ตัวนำส่วนใหญ่ในโลกแห่งความเป็นจริงทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าขีดจำกัดนี้มาก ตัวอย่างเช่น สายไฟในบ้านมักหุ้มด้วย ฉนวน PVCซึ่งมีพิกัดการใช้งานเพียงประมาณ 60 °C ดังนั้น กระแสไฟฟ้าในสายไฟดังกล่าวจึงต้องถูกจำกัดเพื่อไม่ให้ตัวนำทองแดงร้อนเกิน 60 °C ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้ฉนวนชนิดอื่นที่มีราคาแพงกว่า เช่นเทฟลอนหรือไฟเบอร์กลาสอาจช่วยให้ใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่ามากได้

ถ้า มีการนำ สนามไฟฟ้าไปกระทำกับวัสดุ และกระแสไฟฟ้า เหนี่ยวนำที่เกิดขึ้น มีทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้าที่กระทำ วัสดุนั้นจะเรียกว่าตัวนำไฟฟ้าไอโซโทรปิก แต่ถ้ากระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมีทิศทางต่างจากสนามไฟฟ้าที่กระทำ วัสดุนั้นจะเรียกว่าตัวนำไฟฟ้าแอนิโซโทรปิก

การจำแนกประเภทวัสดุตามค่าสภาพยอมทางไฟฟ้า

⁠ε ″/ε ′⁠	การนำกระแสไฟฟ้า	การแพร่กระจายในสนาม
0		ตัวกลาง ไดอิเล็กทริกที่สมบูรณ์แบบ และไม่สูญเสียพลังงาน
${\displaystyle \ll 1}$	วัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำตัวนำที่ไม่ดี	สื่อที่ มีการสูญเสียต่ำและมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดี
${\displaystyle \approx 1}$	วัสดุตัวนำที่มีการสูญเสีย	สื่อการแพร่กระจายแบบสูญเสีย
${\displaystyle \gg 1}$	วัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงตัวนำที่ดี	ตัวกลางที่มีการสูญเสียสูงและค่าไดอิเล็กตริกต่ำ
${\displaystyle \infty }$	ตัวนำที่สมบูรณ์แบบ

• วิลเลียม เฮนรี พรีซ. ว่าด้วยตัวนำไฟฟ้า . 1883.
• โอลิเวอร์ เฮวิไซด์. เอกสารทางไฟฟ้า . แม็กมิลแลน, 1894.

• หนังสือมาตรฐาน ASTM ประจำปี: ตัวนำไฟฟ้าสมาคมมาตรฐานการทดสอบและวัสดุแห่งอเมริกา (จัดทำทุกปี)
• ข้อกำหนดการเดินสายไฟของ IET ( Institution for Engineering and Technology) wiringregulations.net เก็บถาวรเมื่อ 2 เมษายน 2021 ที่Wayback Machine

• BBC: Key Stage 2 Bitesize: ตัวนำไฟฟ้า
• การค้นพบตัวนำและฉนวนโดยเกรย์ ดูเฟย์ และแฟรงคลิน

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับตัวนำไฟฟ้า