הסיבות להיווצרות אלקטרונים חופשיים
לאטומי מתכת בדרך כלל יש פחות אלקטרונים בשכבה החיצונית, והגרעין פחות מושך אותם. כאשר אטומי מתכת מתחברים ליצירת גביש מתכת, האלקטרונים בשכבה החיצונית עוזבים את אטום האב והופכים לאלקטרונים חופשיים. אלקטרונים חופשיים רבים ורבים יוצרים ענן אלקטרונים (או גז אלקטרונים). תחת פעולה של שדה חשמלי חיצוני, אלקטרונים חופשיים יכולים לעבור תנועה כיוונית ליצירת זרם.
אלקטרונים נמשכים על ידי הגרעין ונעים סביב הגרעין. המשיכה של גרעינים אטומיים מחולקת לחזקים וחלשים. כאשר שני אטומים שונים קרובים זה לזה, בתנאים מסוימים (כמו עליית טמפרטורה), מהירות האלקטרונים מחוץ לגרעין מואצת, מה שהופך את האלקטרונים למושכים יותר. הגרעין מושך את העבר ומשאיר את הגרעין המקורי ליצירת אלקטרון חופשי. סיבה נוספת היא שעקב תנאים חיצוניים (כמו עליית הטמפרטורה), משופרת יכולתו של האלקטרון לנוע. מכיוון שיכולת המשיכה של גרעינים אטומיים מתממשת בטווח מסוים, הטמפרטורה מעלה את האנרגיה הקינטית של האלקטרון ומגדילה את יכולתו לנוע. עם הסתברות מסוימת, התנועה מעבר לטווח המשיכה של הגרעין האטומי תגרום לאלקטרונים לברוח מהשעבוד של הגרעין האטומי וליצור אלקטרון חופשי. הסיבה הקודמת שייכת לשינוי כימי, האחרונה צריכה להיות שייכת לשינוי פיזי, מכיוון שלא נוצר חומר חדש, אך תהליך היווצרות האלקטרון החופשי האחרון הוא בדיוק קישור תגובה ביניים של תגובה כימית שלמה.