חלק גדול מהתופעות בעולמנו הן חשמליות במהותן: לא רק פעולת המזגן, המנורה והמחשב, אלא גם עצם העובדה שאנו יושבים בכיסאנו ולא נופלים דרכו ודרך האדמה הישר אל מרכז כדור הארץ. הכוח המחזיק אותנו במקומנו כנגד משיכת הכבידה הוא חשמלי במהותו, ונובע מהאינטראקציה בין האלקטרונים שבגופנו לאלקטרונים שבגוף עליו אנו יושבים.

המלה אלקטרון, שממנה נגזרת אלקטרוניקה, מקורה במלה יוונית שפרושה "ענבר". היוונים הבחינו שחתיכת ענבר (לאמור - שרף עצי מחט קדומים שהתאבן) מגלה התנהגות מוזרה כאשר משפשפים אותה בפיסת צמר או פרווה. כיום אנו אומרים שהענבר נטען במטען חשמלי. המלה העברית "חשמל" מופיעה לראשונה בתיאור ההתגלות האלוהית בספר יחזקאל, שם קשה לקבוע חד-משמעית את פירושה המקורי: "וארא והנה רוח סערה באה מן-הצפון, ענן גדול ואש מתלקחת, ונגה לו סביב, ומתוכה, כעין החשמל מתוך האש"... בתקופה המודרנית המלה אומצה במשמעות Electricity.

מטען חשמלי מהו? קיימים מספר מושגים בפיזיקה אשר לא ניתן להגדירם באמצעות מושגים בסיסיים יותר. מטען חשמלי הוא אחד המושגים הללו. בדומה למושג מאסה, אין דרך להשיב על שאלת המהות שלו. אנו יכולים רק לומר, כי מושג זה מאפשר לנו לתאר באופן אלגנטי ומדויק, התואם את המציאות, אוסף גדול של תופעות, ולכן אנו בוחרים לעשות בו שימוש.

היחידה הבסיסית של המטען החשמלי - היחידה הקטנה ביותר שאנו מוצאים חופשית (לקווארקים מטען השווה לשליש או שני שליש מטען האלקטרון, אך עד כה לא נצפו קווארקים בודדים, אלא בקבוצות שמטענן המשותף גדול או שווה למטען האלקטרון) בטבע - היא מטען האלקטרון. אנו מכנים מטען זה שלילי. לפרוטון יש מטען הפוך ושווה בגודלו למטען האלקטרון, וזהו המטען המכונה חיובי. המושגים "שלילי" ו"חיובי" הודבקו למטעניהם של האלקטרון והפרוטון מסיבות היסטוריות, והם מתפקדים היטב בתוך המסגרת המתמטית המתארת את האינטראקציה בין מטענים, אך אין שום מובן עמוק למושגים אלו; יכולנו לבחור לכנותם גם "שחור" ו"לבן", או "רע" ו"טוב". נסקור כאן את עקרונות היסוד של האלקטרוסטטיקה - התיאוריה העוסקת במטענים חשמליים נייחים ובכוחות הפועלים ביניהם; כאשר המטענים נעים, מופיע קשר הדוק בין התיאוריה העוסקת בחשמל לתיאוריה העוסקת במגנטיות, ובקשר ביניהם – התיאוריה האלקטרומגנטית - נעסוק בגיליון הבא.

כלל חשוב הקשור למטען חשמלי הוא שימור המטען. המטען החשמלי אינו נעלם ואינו מופיע יש מאין. סכום המטענים החשמליים של כל מערכת - כלומר כל גוש חומר או קבוצת חלקיקים - קבוע תמיד, ולא משנה מהן האינטראקציות הפנימיות המתקיימות בין רכיבי המערכת. שימור המטען מתקיים רק כל עוד המערכת מבודדת, כלומר אינה יכולה לקבל מטען מבחוץ או להעביר מטען החוצה.

חלקיקים בעלי מטען מפעילים כוחות חשמליים זה על זה: מטענים הפוכי סימן מושכים זה את זה, בעוד מטענים שווי סימן מפעילים כוח דחייה. מקובל לתאר את הכוח החשמלי כנובע מ"שדה" שהמטענים משרים על סביבתם. מטען חשמלי אשר נקלע לשדה שיצר מטען חשמלי אחר, יחוש כוח. השדה קיים בכל נקודה במרחב. אם ערכו של השדה בנקודה כלשהי הוא אפס, פירוש הדבר הוא כי מטען שיימצא בנקודה לא יחוש כל כוח; אם השדה שונה מאפס, הרי שהוא בעל גודל וכיוון המתארים את גודל וכיוון הכוח שיפעל על מטען שיימצא בנקודה זו. ניקח מטען חיובי - פרוטון, למשל - ונקבע אותו במקומו כך שלא יזוז. נהוג לתאר את השדה שיוצר הפרוטון כאוסף של חצים הפונים מהפרוטון החוצה. פירוש הדבר הוא כי פרוטון אחר, גם הוא בעל מטען חיובי, אשר יימצא בשדה, יחוש כוח המאיץ אותו הלאה מהפרוטון המקובע. עוצמת השדה הולכת וקטנה ככל שאנו מתרחקים ממנו; השדה קטן כריבוע המרחק. קיים כוח נוסף בטבע הדועך כריבוע המרחק, הכבידה. המטען החשמלי יוצר את השדה החשמלי, ומטענים אחרים מגיבים לו, באופן דומה יוצרת המאסה את הכבידה ומגיבה לה. כשם שיש אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, יש גם אנרגיה פוטנציאלית חשמלית. בכל מערכת סגורה מתקיים שימור אנרגיה, וגוף אשר איבד אנרגיה פוטנציאלית חשמלית ירכוש במקומה סוג אחר של אנרגיה, למשל אנרגיה קינטית.

שדה חשמלי: הקווים הוורודים הם קווי השדה;
הקווים הכחולים הם קווים שווי פוטנציאל, כלומר,
לאורך כל קו כזה האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית קבועה.

עד עתה תיארנו מטענים בודדים, אשר יוצרים שדה חשמלי או מגיבים לו, אך בעולם הממשי מכילים העצמים שסביבנו מספר עצום של פרוטונים ואלקטרונים, כלומר של מטענים חיוביים ושליליים כאחד. לחומרים השונים יש תכונות חשמליות שונות, התלויות בחופש התנועה של המטענים שבתוכם. במתכת, למשל, האטומים מסודרים כגביש שבו יש חופש תנועה לאלקטרונים שבקליפה החיצונית של כל אטום. לכן מתכות הן מוליכות מבחינה חשמלית: הזרם החשמלי - שבמקרה זה מבוסס על זרימת אלקטרונים בחומר - חופשי לנוע במתכת. חופש התנועה של האלקטרונים במתכת גורם גם לכך, שהטלפון הסלולרי אינו יכול לקלוט או לשדר במעלית מתכתית: הטלפון מתקשר באמצעות שינויים מחזוריים - גלים - בשדה החשמלי והמגנטי. שינויים אלה, כאשר הם מגיעים לדופן המתכתית, גורמים לתאוצות משתנות של האלקטרונים שבמתכת. מאחר שהאלקטרונים עצמם הם בעלי מטען חשמלי, שינוי במיקומם גורם לשינוי בשדה החשמלי. כך נוצר מצב שהשינוי בשדה גורם לתנועת האלקטרונים, וזו מצידה מבטלת את השינויים בשדה, ולכן מונעת מעבר אינפורמציה מבעד למתכת. בתוך חומר מוליך לא יכול להתקיים שדה חשמלי. מבנה ("כלוב") שדופנותיו עשויות מתכת מכונה כלוב פרדיי, על שם המדען האנגלי מייקל פרדיי (Faraday), בן המאה התשע-עשרה, שחקר תופעות חשמליות ובין היתר הגה את מושג השדה החשמלי, זיהה את הקשר בין חשמל למגנטיות והמציא את הדינמו. על מנת שכלוב פרדיי יפעל, הוא אינו צריך להיות עשוי מתכת מלאה - גם רשת או סורגי מתכת, שאלקטרונים יכולים לנוע בהם, יספיקו כדי למנוע את מעבר שדה חשמלי וגלים מבחוץ פנימה, ובלבד שהמרווח בין הסורגים קטן מאורך הגל.

גם בחומרים בהם האלקטרונים אינם חופשיים לנוע בין האטומים (חומרים דיאלקטריים), קיימת תגובה חשמלית. דוגמה לכך היא הניסוי המפורסם בענבר המיוחס לתאלס היווני: תאלס שפשף פיסת ענבר בצמר, וגילה כי גוש הענבר יכול למשוך אליו גופים קטנים. מי שאזל בביתו הענבר יוכל לחזור על הניסוי בעזרת מסרק פלסטיק או בלון מנופח; לאחר שמחככים אותו בפיסת בד רכה, הוא יכול למשוך שערות, חתיכות נייר קטנות, ואפילו להטות זרם מים דק. החיכוך גורם למעבר אלקטרונים בין הבד לפלסטיק, וכך מוענק לפלסטיק מטען חשמלי. כאשר מקרבים אותו לחתיכת נייר או לטיפת מים, היא נמשכת אליו אף שמטענה החשמלי הכולל אפס, כלומר - נייטרלית מבחינה חשמלית. הטיפה אמנם אינה טעונה, אך בהשפעת השדה החשמלי של הפלסטיק הטעון שלידה, היא מתקטבת. התפלגות המטען בתוך כל מולקולת מים אינה סימטרית - צד אחד שלה שלילי יותר, והצד השני חיובי. השדה החיצוני מפעיל כוח הגורם לכל המולקולות להסתדר כך שצידן החיובי פונה כלפי המטען השלילי החיצוני (או להיפך, אם המטען החיצוני חיובי). לכן פני השטח של הטיפה בצד אחד חיוביים, ובצד השני שליליים, אף כי המטען הכולל הוא עדיין אפס. מאחר שהכוח החשמלי דועך עם המרחק, הצד של הטיפה אשר נמצא קרוב יותר לפלסטיק הטעון מפעיל כוח משמעותי יותר מאשר הצד הרחוק, וכך מתאפשרת המשיכה.

טיפת מים היא דוגמה מורכבת במקצת, משום שאנו יודעים כי מים הם גם מוליכי חשמל; ידוע כי הרטבת מכשירי חשמל גורמת לקצר - לזרימת הזרם החשמלי דרך המים במקום דרך החוטים המוליכים המיועדים לכך. נוכל לראות זאת אם ניתן לזרם המים לגעת בחתיכת הפלסטיק הטעונה: המטען יזרום מהפלסטיק אל המים ומשם אל הקרקע, וזרם המים יחזור לזרום כלפי מטה ללא הפרעה. המים מוליכים לא משום שאלקטרונים חופשיים לנוע בהם, אלא משום שהם מכילים יונים - אטומים טעונים, אשר ספחו אלקטרון עודף או איבדו את אחד האלקטרונים שלהם. היונים הללו, הנושאים מטען חשמלי שאיננו אפס, חופשיים לנוע בתוך הנוזל. קרח, לעומת זאת, שהוא מוצק ובו יש לחלקיקים מעט חופש תנועה, אינו מוליך טוב. חופש התנועה המוגבל של החלקיקים בתוך המוצק גורם גם לכך, שקרח גם אינו מתקטב היטב; סידור המולקולות בגביש הקרח קבוע, והן אינן יכולות לנוע ולהפנות את צידן אל גוף חיצוני טעון הנמצא בקרבת מקום, כפי שהדבר קורה בנוזל.

אוויר הוא מבודד טוב. הוא אינו מוליך חשמל, מאחר שאין בו חלקיקים טעונים שיכולים לנוע בחופשיות. עם זאת, כאשר נוצר מתח חשמלי גדול מאוד - כלומר מצב שבו מטענים הפוכים גדולים מספיק נמצאים במרחק קטן מספיק – המבודד יכול להפוך למוליך. הדבר יתרחש אם עוצמת השדה החשמלי מספיקה כדי לקרוע אלקטרונים מהמולקולות להן הם שייכים, ואז תתחיל תגובת שרשרת שבה אלקטרונים אלה פוגעים במולקולות אחרות ומשחררים גם מהן אלקטרונים נוספים. תהליך זה, המלווה לרוב בפליטת אור וקול, מכונה פריצה. הדוגמה הנפוצה ביותר שלו היא הברק. האוויר שעבר יינון הופך למוליך, זרם חשמלי זורם דרכו בין שני עננים, או בין הענן לאדמה, או אף בין אזורים שונים של אותו ענן. האוויר מתחמם לטמפרטורה של כ- 20,000 מעלות צלזיוס, וכתוצאה מכך הוא פולט אור ומתפשט. התפשטותו המהירה, ההודפת את שאר האוויר שבסביבה, היא הגורמת לצליל שאנו מכנים רעם.

לא ידוע בוודאות כיצד נטענים העננים. לענני סערה התפלגות מטען אופיינית לפיה חלקו העליון של הענן נטען חיובית וחלקו התחתון נטען שלילית. תהליך הטעינה עשוי להיות קשור לזרמים הסעיים (Convective) באטמוספירה, הנושאים חלקיקים טעונים לתוך הענן, או להבדלים במאסה בין חלקיקים בעלי מטענים הפוכים. נראה כי המנגנון הדומיננטי תלוי מאוד בתנאים השוררים בענן ובסביבתו.

ידוע כי ברקים "נמשכים" לעצמים חדים - עצים, עמודים וכדומה. באזורים המועדים לסערות מלמדים את הילדים להתכופף ולהתרחק מעצים בעת סערת ברקים. הסיבה לכך היא נטייתו של המטען החשמלי להתפלג כך שקצוות חדים, בעלי עקמומיות גבוהה (כלומר, שאינם שטוחים), מאכלסים מטען בצפיפות גבוהה יותר מאשר אזורים שטוחים. פריצה חשמלית בזעיר-אנפין מתרחשת גם במערכות טעונות קטנות יותר: מכונית או עגלת קניות, שתנועת גלגליהן טוענת אותן; ליטוף של פרוות חתול או סירוק שער אדם. בכל המקרים הללו, הפריצה תתחיל לרוב בקצוות החדים - אוזניו של החתול או דופן דלת המכונית.

כליא-ברק הוא מוט מוליך אשר מטרתו למנוע נזקי פגיעת ברק. כאמור, הברק מלווה בחום רב וזרימת זרם חשמלי, אשר יכולים להיות קטלניים ליצורים חיים והרסניים לרכוש. כליא ברק מיועד להעביר מטען בהדרגה על מנת למנוע פריצה פתאומית והרסנית. כאשר ענן טעון חולף מעל מבנה המצויד בכליא ברק, השדה החשמלי יגרום לאלקטרונים בקרבת קצה המוט להשתחרר, ויתחיל תהליך מתון שיאפשר לענן להשתחרר מעודפי המטען שלו. עם זאת, קיימים מקרים קיצוניים שבהם כליא הברק לא יצליח למנוע את הפריצה האלימה. אם מדובר בכליא ברק יחיד בסביבתו, הענן עשוי להגיע כשהוא טעון במטען רב ותתרחש פריצה שתנותב אל כליא הברק ותגרום נזק לבניין שעליו הוא מוצב. באזורים המועדים לסערות ברקים, קיומם של עצים ומוטות רבים מאפשר פריקה הדרגתית ומקטין את הסיכוי לנזקים.

נוסחת החודש: חוק קולון: הכוח החשמלי הפועל בין שני מטענים ,q1, q2, הנמצאים במרחק r זה מזה. K המופיע, בנוסחה הוא קבוע מספרי התלוי במערכת היחידות שבה אנו בוחרים לבטא את הגדלים הפיזיקליים (השוו ביטוי זה לנוסחה המתארת את לוח הכבידה הפועל בין שתי מאסות):