מטען חשמלי

וח ושדה מטען חשמלי הוא גודל פיזיקלי שמאפיין חומר. במצב רגיל, המטען החשמלי הכולל של החומר הוא נייטרלי (אפס), אם כי בתוך החומר נמצא מספר רב מאוד של חלקיקים בעלי מטען חשמלי, חיובי ושלילי, אשר מאזנים זה את זה. החומר מורכב מאטומים, הבנויים מגרעין המכיל פרוטונים (טעונים חיובית) ונייטרונים (ללא מטען), וסביב הגרעין אלקטרונים (טעונים שלילית). מטען האלקטרון הפוך ושווה בגודלו למטען הפרוטון, ומספר האלקטרונים במצב רגיל שווה למספר הפרוטונים כך שסכום המטענים הוא אפס.

המטען החשמלי נמדד במערכת היחידות הבינלאומית בקולון, על שם שארל-אוגוסטן דה קולון. מטען האלקטרון הוא  קולון, ומטען הפרוטון הוא  קולון.

הכוח החשמלי בין שני מטענים חשמליים יחסי למכפלת המטענים ולהיפוך ריבוע המרחק ביניהם, בדומה לכוח הכובד, אולם הכוח החשמלי חזק לערך פי 1036 מכוח הכובד.

סימון המטענים נקבע במקור על פי ניסוי בחשמל: בעת שפשוף פרווה בזכוכית עוברים אלקטרונים מהזכוכית לפרווה. מאחר שבנג'מין פרנקלין קבע שהזכוכית נטענת במטען חיובי, סימן האלקטרון נקבע כשלילי. מטען הפרוטון, אם כן, חיובי. חלקיקים שמורכבים מכמות שווה של מטענים חיובייים ושליליים מסתדרים כך שמטענים הפוכים נמשכים זה לזה. סך המטען של חלקיקים כאלו הוא אפס והם נקראים נייטרליים, והם למעשה אינם מפעילים כוחות חשמליים על חלקיקים נייטרלים אחרים. לכן לרוב אין אנו מרגישים כוחות משיכה או דחייה חשמלית בין גופים. עם זאת, במרחקים קטנים כמו בין מולקולות או אטומים, מורגשים כוחות שתלויים במרחקים בין המטענים החיוביים והשליליים (קשרי ואן דר ואלס הם דוגמה לכוחות כאלה).

האלקטרונים שומרים על מרחק מהפרוטונים למרות כוח המשיכה החשמלי, דבר הנובע מעקרון אי הוודאות במכניקת הקוונטים. יציבות גרעין האטום מתאפשרת למרות כוחות הדחייה החשמליים בין הפרוטונים בזכות הכוח הגרעיני החזק.

הכוח שפועל בין מטענים נקודתיים מתואר על ידי חוק קולון, הקובע שכוח זה פרופורציוני למכפלת המטענים של הגופים ולהופכי של ריבוע המרחק ביניהם. חוק זה מתקיים כאשר המטענים נמצאים במנוחה ולכן הוא נקרא גם הכוח האלקטרוסטטי. כאשר המטענים נעים זה ביחס לזה פועל ביניהם כוח נוסף - הכוח המגנטי, התלוי רק בגודל המטענים ובמהירות היחסית שלהם. בכל מקרה קיים יחס ישר בין הכוח הפועל על מטען חשמלי כתוצאה ממטענים חשמליים אחרים לבין גודל המטען, והכוח ליחידת מטען הוא קבוע (בתנאי שמטען זה אינו משפיע על יתר המטענים). משום כך נוח להגדיר שדה חשמלי ככוח חשמלי ליחידת מטען ולתאר את חוקי החשמל בעזרת השדה כתכונה של המרחב, והוא מסומן E . באופן דומה מגדירים שדה מגנטי המסומן B . הכוח הפועל על מטען חשמלי בנוכחות שדה חשמלי ושדה מגנטי נקרא כוח לורנץ והוא אחד מארבעת כוחות היסוד של הטבע.

עקרון הסופרפוזיציה קובע שהשדה שיוצרים מספר מטענים הוא סכום השדות שיוצרים כל המטענים לחוד. במרחב התלת ממדי זהו סכום וקטורי. חוק גאוס הוא משוואה דיפרנציאלית חלקית שממנה ניתן לחשב את השדה החשמלי שיוצרת התפלגות מטען מרחבית כלשהי. עקרון הסופרפוזיציה נובע מכך שהיא משוואה לינארית.