Tính chất dẫn điện, hay cản trở điện, của nhiều vật liệu có thể giải thích bằng cơ học lượng tử. Mọi vật liệu đều được tạo nên từ mạng lưới các nguyên tử. Các nguyên tử chứa các electron, có năng lượng gắn kết với hạt nhân nguyên tử nhận các giá trị rời rạc trên các mức cố định. Các mức này có thể được nhóm thành 2 nhóm: vùng dẫn và vùng hóa trị thường có năng lượng thấp hơn vùng dẫn. Các electron có năng lượng nằm trong vùng dẫn có thể di chuyển dễ dàng giữa mạng lưới các nguyên tử.

Khi có hiệu điện thế giữa hai đầu miếng vật liệu, một điện trường được thiết lập, kéo các electron ở vùng dẫn di chuyển nhờ lực Coulomb, tạo ra dòng điện. Dòng điện mạnh hay yếu phụ thuộc vào số lượng electron ở vùng dẫn.

Các electron nói chung sắp xếp trong nguyên tử từ mức năng lượng thấp đến cao, do vậy hầu hết nằm ở vùng hóa trị. Số lượng electron nằm ở vùng dẫn tùy thuộc vật liệu và điều kiện kích thích năng lượng (nhiệt độ, bức xạ điện từ từ môi trường). Chia theo tính chất các mức năng lượng của electron, có sáu loại vật liệu chính sau:

Vật liệu	Điện trở suất, ρ (Ωm)
Siêu dẫn	0
Kim loại	10 − 8 {\displaystyle 10^{-8}}
Bán dẫn	thay đổi mạnh
Chất điện phân	thay đổi mạnh
Cách điện	10 16 {\displaystyle 10^{16}}
Superinsulators	∞ {\displaystyle \infty }

Lý thuyết vừa nêu không giải thích tính chất dẫn điện cho mọi vật liệu. Vật liệu như siêu dẫn có cơ chế dẫn điện khác, nhưng không nêu ở đây do vật liệu này không có điện trở.

Kim loại

Trong kim loại luôn có electron nằm ở vùng dẫn. Trên thực tế, không có khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị, và có thể coi hai vùng là một đối với kim loại.

Mạng lưới nguyên tử của kim loại, thực tế, không hoàn hảo: các chỗ bị sứt mẻ trong mạng lưới tán xạ electron, gây nên sự cản trở với sự di chuyển của electron (điện trở). Khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử dao động mạnh hơn và dễ va chạm vào các electron hơn, khiến điện trở tăng theo.

Vật dẫn điện càng dài, số lượng va chạm của electron trên đường đi càng tăng, khiến điện trở vật dẫn càng tăng.

Bán dẫn và cách điện

Trong chất bán dẫn và chất cách điện, các nguyên tử tương tác với nhau khiến cho khoảng cách năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị lớn; hầu hết các electron không nằm ở vùng dẫn. Để có đủ electron dẫn điện, cần cung cấp nhiều năng lượng cho electron nhảy lên vùng dẫn, ví dụ nhiệt năng hay quang năng. Một hiệu điện thế lớn chỉ tạo được dòng điện yếu do có ít điện tử dẫn điện; do đó chất bán dẫn và chất cách điện có điện trở suất cao.

Trong chất bán dẫn, khi tăng nhiệt độ, các electron có thể nhận nhiệt năng để nhảy lên vùng dẫn. Hiệu ứng nhiệt này mạnh hơn hiệu ứng cản trở dòng do dao động mạng, khiến điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Tương tự, có thể chiếu ánh sáng, hay bức xạ điện từ nói chung, vào một số chất bán dẫn, để truyền năng lượng cho các electron (sau khi hấp thụ các photon) nhảy lên vùng dẫn và tăng tính dẫn điện, như trong CCD của camera hay pin Mặt Trời.

Có thể thay đổi khả năng dẫn điện của các chất bán dẫn bằng việc pha thêm tạp chất lựa chọn đặc biệt để tạo ra các lỗi trong mạng tinh thể có thừa electron tự do (bán dẫn loại n) hoặc thiếu electron gọi là lỗ trống điện tử (bán dẫn loại p). Nồng độ tạp chất quyết định số lỗ trống hay điện tử tự do trong vật liệu, do đó quyết định tính dẫn điện của vật liệu.

Siêu dẫn

Các điện trở của một chất dẫn điện giảm dần khi nhiệt độ được hạ xuống. Trong các dây dẫn thông thường, chẳng hạn như đồng hoặc bạc, giảm này được giới hạn bởi các tạp chất và các khuyết tật khác. Thậm chí gần không độ tuyệt đối, một mẫu thực sự của một dây dẫn bình thường cho thấy một số kháng. Trong một chất siêu dẫn, sức đề kháng giảm đột ngột bằng không khi vật liệu được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ tới hạn của nó. Một dòng điện chạy trong một vòng lặp của chất siêu dẫn có thể kéo dài vô thời hạn mà không có nguồn điện.

Năm 1986, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một số cuprate - perovskite gốm vật liệu có nhiệt độ cao hơn rất nhiều loại vật liệu quan trọng, và vào năm 1987 có một chất được sản xuất với một nhiệt độ tới hạn trên 90K (-183,15 °C). Một nhiệt độ chuyển đổi cao như vậy là lý thuyết không thể cho một chất siêu dẫn thông thường, vì vậy các nhà nghiên cứu đặt tên cho những dây dẫn siêu dẫn nhiệt độ cao . Nitơ lỏng sôi ở 77K (-196,15 °C), tạo điều kiện cho nhiều thí nghiệm và các ứng dụng mà ít thực hành ở nhiệt độ thấp hơn. Trong các chất siêu dẫn thông thường, các electron được tổ chức với nhau theo cặp bởi một điểm thu hút trung gian bởi lưới phonon. Các mô hình có sẵn tốt nhất của chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao vẫn còn hơi thô. Có một giả thuyết cho rằng cặp electron trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao được trung gian bởi sóng spin tầm ngắn gọi là paramagnons. 

Plasma

Sét là một ví dụ về hiện tượng của plasma ở bề mặt Trái đất. Thông thường, sét có chỉ số đo lên đến 30.000 ampe và 100 triệu volt, phát ra ánh sáng, sóng radio, tia X và thậm chí tia gamma. Nhiệt độ của plasma trong sét có thể lên tới 28.000K (27.726,85 °C) và mật độ điện tử có thể vượt quá 10 24 m −3.

Plasma rất tốt cho dây dẫn điện và có tiềm năng điện đóng một vai trò quan trọng. Các tiềm năng như nó tồn tại trên trung bình trong không gian giữa các hạt tích điện, độc lập với các câu hỏi của nó như thế nào có thể đo được, gọi là tiềm năng plasma,hoặc tiềm năng không gian. Nếu một điện cực được đưa vào một plasma, tiềm năng của nó thường nằm đáng kể dưới mức tiềm năng trong huyết tương, do những gì được gọi là một vỏ bọc Debye . Độ dẫn điện tốt của plasma làm điện trường của họ rất nhỏ. Điều này dẫn đến các khái niệm quan trọng của quasineutrality, trong đó nói rằng mật độ điện tích âm là xấp xỉ bằng với mật độ điện tích dương trên khối lượng lớn của plasma (n e = <Z> n i), nhưng trên quy mô của các chiều dài Debye có thể có phí mất cân bằng. Trong trường hợp đặc biệt mà lớp kép được hình thành, sự chia tách phí có thể kéo dài vài chục độ dài Debye.

Độ lớn của các tiềm năng và các lĩnh vực điện phải được xác định bằng các phương tiện khác hơn là chỉ đơn giản là tìm kiếm mạng mật độ điện tích. Một ví dụ phổ biến là cho rằng các điện tử đáp ứng các mối quan hệ Boltzmann :

n e ∝ e e Φ / k B T e . {\displaystyle {\displaystyle n_{e}\propto e^{e\Phi /k_{B}T_{e}}.}}

Phân biệt mối quan hệ này cung cấp một phương tiện để tính toán điện trường từ mật độ:

E → = − k B T e e ∇ n e n e . {\displaystyle {\displaystyle {\vec {E}}=-{\frac {k_{B}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}}.}

Nó có thể sản xuất một plasma mà không phải là quasineutral. Một chùm tia điện tử, ví dụ, có chi phí chỉ tiêu cực. Mật độ của plasma không trung tính thường phải rất thấp, hoặc nó phải rất nhỏ. Nếu không, đẩy lực tĩnh điện tiêu tán nó.

Trong vật lý thiên thể plasma, Debye sàng lọc ngăn chặn các lĩnh vực điện từ trực tiếp ảnh hưởng đến huyết tương trên một khoảng cách lớn, tức là lớn hơn chiều dài Debye. Tuy nhiên, sự tồn tại của các hạt tích gây plasma để tạo ra, và bị ảnh hưởng bởi từ trường. Điều này có thể và không gây ra hành vi cực kỳ phức tạp, chẳng hạn như các thế hệ của lớp kép plasma, một đối tượng mà tách phí hơn một vài chục độ dài Debye. Tính năng động của plasma tương tác với bên ngoài và tự tạo ra từ trường được nghiên cứu trong các ngành của từ thủy động lực học.