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 חסרי מטען, וסביב הגרעין אלקטרונים שטעונים שלילית. מטען האלקטרון הפוך בסימן אך זהה בגודל למטען הפרוטון, ומספר האלקטרונים במצב רגיל שווה למספר הפרוטונים כך שסכום המטענים הוא אפס.
המטען החשמלי נמדד במערכת היחידות הבינלאומית (SI) בקולון, על שם שארל-אוגוסטן דה קולון. מטען האלקטרון הוא קולון, ומטען הפרוטון הוא קולון.
זרם חשמלי.
בעת חיבור מוליך לשתי נקודות שביניהן קיים מתח חשמלי, למשל חיבור תיל מוליך בין שני מוליכים טעונים בעלי פוטנציאלים שונים, יזרמו בתיל המוליך מטענים מהגוף בעל הפוטנציאל הגדול יותר לגוף בעל הפוטנציאל הקטן יותר, עד שהפוטנציאלים בשני הגופים ישתוו. קצב תנועת המטענים בזמן נקרא זרם חשמלי, ובמקרה המתואר לעיל הוא יתרחש לזמן קצר. על מנת ליצור זרם חשמלי לאורך זמן יש צורך בכוח אלקטרו מניע – גורם שישמור על מתח קבוע בין שתי נקודות. הכוח האלקטרו מניע (בקיצור: כא"מ) הוא העבודה החיצונית שיש להשקיע על יחידת מטען על מנת ליצור הפרש פוטנציאלים בין שני הדקים מנותקים. בסוללה חשמלית, למשל, הכא"מ נוצר על ידי הפרדת מטענים חיוביים משליליים באמצעות תגובה כימית עם אלקטרודות אליהן מחוברים ההדקים. התקן שיוצר כא"מ בין שני הדקים נקרא מקור מתח. ההדק שבו הפוטנציאל גדול יותר מסומן ב־+ והאחר מסומן ב־-. הארקה היא חיבור לאדמה, והיא משמשת הן כנקודת ייחוס לפוטנציאל החשמלי והן כאמצעי להגנה מפני הצטברות מטען גדולה מדי.
זרם חשמלי הוא גודל המטען העובר בשטח חתך (או בתיל) ביחידת זמן. כיוון הזרם במוליך הוא מפוטנציאל גבוה לפוטנציאל נמוך (למשל, מפוטנציאלי חיובי לפוטנציאל שלילי). מהגדרה זו של הזרם, נובע שכיוון הזרם יהיה תמיד בכיוון שבו היו נעים מטענים חיוביים, ולכן כיוון הזרם במתכת יהיה הפוך לזה של תנועת האלקטרונים. זרם שגודלו קבוע בזמן נקרא זרם ישר וזרם שמשתנה בזמן באופן מחזורי נקרא זרם חילופין. נוהגים לסמן את הזרם באות I והוא נמדד במערכת היחידות הבינלאומית ביחידות של אמפר (על שם אנדרה מרי אמפר).
ניתן לתאר את תנועת המטענים במרחב גם בדרך מעט שונה: לכל נקודה במרחב מיוחס וקטור צפיפות זרם המוגדר כמכפלת צפיפות המטען בנקודה במהירותו. כיוון שבתורה הקלאסית מטען אינו יכול להיעלם במקום אחד ולהופיע במקום אחר, צפיפות המטען מקיימת משוואת רציפות כך שצפיפות הזרם היא השטף של צפיפות המטען.
שדה חשמלי.
נוח להגדיר שדה חשמלי ככוח חשמלי ליחידת מטען ולתאר את חוקי החשמל בעזרת השדה כתכונה של המרחב, שאותו מקובל לסמן באות E. באופן דומה מגדירים שדה מגנטי, שאותו נהוג לסמן באות 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 ליניארית.
מתח חשמלי.
הכוח האלקטרוסטטי הוא כוח משמר ולכן ניתן לגזור אותו מאנרגיה פוטנציאלית, הנקראת אנרגיה פוטנציאלית חשמלית. האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען בנקודה כלשהי היא העבודה שיש להשקיע עליו על מנת להביאו מנקודת ייחוס אל הנקודה, כאשר נקודת הייחוס לרוב נבחרת במרחק אינסופי מיתר המטענים. באופן שקול, האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית בנקודה היא הכוח החשמלי הפועל על מטען לאורך דרכו מהנקודה אל האינסוף. מקובל לסמן את האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית באות U, ובמערכת היחידות הבינלאומית, היא נמדדת – בדומה לצורות אחרות של אנרגיה – ביחידות של ג'אול.
האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען פרופורציונית לגודל המטען, ולכן ניתן להגדיר פוטנציאל חשמלי כאנרגיה פוטנציאלית חשמלית ליחידת מטען. ניתן לגזור את השדה החשמלי ישירות מהפוטנציאל החשמלי באותו האופן שבו הכוח נגזר מהאנרגיה הפוטנציאלית. מקובל לסמן את הפוטנציאל החשמלי במרחב באות היוונית φ, והוא תלוי רק בפילוג המטענים המרחבי. תלות זו מתבטאת במשוואת פואסון – המצטמצמת למשוואת לפלס, כאשר המרחב ריק ממטענים.
מתח חשמלי בין שתי נקודות במרחב הוא ההפרש בין הפוטנציאלים החשמליים באותן נקודות. הוא מבטא את ההפרש באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית ליחידת מטען, ולכן הוא גודל חשוב בתיאור מערכות חשמליות. מקובל לסמן את המתח באות V, והוא נמדד במערכת היחידות הבינלאומית ביחידות של וולט (על שם אלסנדרו וולטה).
מוליך הוא חומר שמכיל מטענים חשמליים חופשיים לתנועה (בניגוד למבודד). במתכת, לדוגמה, חלק מהאלקטרונים אינם ממוקמים סביב גרעינים של אטומים מסוימים בסריג המתכתי, אלא יכולים לנוע בו באופן חופשי. במוליך טעון שאינו נמצא תחת השפעתו של שדה חשמלי, המטענים העודפים יפעילו כוחות דחייה ביניהם ויסתדרו כך שהמרחקים ביניהם יהיו מקסימליים, או באופן שקול, כך שהאנרגיה הפוטנציאלית החשמלית במערכת תהיה מינימלית. מצב זה מתקיים כאשר הם מפולגים על פניו של הגוף המוליך. בנוכחות שדה חשמלי, מטענים יהיו מרוכזים באופן לא אחיד, גם במוליך נייטרלי: חלק מהמטענים החופשיים יתרכזו בצדו האחד של המוליך, כך שבצדו האחד הוא יהיה טעון חיובית, ובצדו האחר הוא יהיה טעון שלילית – וסך המטען הוא אפס. תופעה זו נקראת השראה אלקטרוסטטית. בתהליך זה השדה החשמלי בתוך המוליך מתאפס, תופעה הידועה ככלוב פאראדיי.
כוח חשמלי.
הכוח החשמלי בין שני מטענים חשמליים יחסי למכפלת המטענים ולהיפוך ריבוע המרחק ביניהם, בדומה לכוח הכובד, אולם הכוח החשמלי חזק בערך פי 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 חיוביים ושליליים מסתדרים כך שמטענים הפוכים נמשכים זה לזה. סך המטען של חלקיקים כאלו הוא אפס, והם נקראים נייטרליים. בקירוב טוב הם אינם מפעילים כוחות חשמליים על חלקיקים אחרים, ולכן לרוב אין אנו מרגישים כוחות משיכה או דחייה חשמלית בין גופים. עם זאת, במרחקים קטנים כמו בין מולקולות או אטומים, מורגשים כוחות שיוריים (כוחות ואן דר ואלס וכוחות הדומים להם), הנוצרים בשל המרחקים בין המטענים החיוביים והשליליים, הגורמים להשפעות במרחב שאינן מתקזזות זו עם זו.
מטען חשמלי יכול אמנם להתקיים רק כיחידות בדידות (כפולות של מטען האלקטרון או של מטען הפרוטון), אך פעמים רבות, כאשר במערכת מספר רב של מטענים, נוח להתייחס למטען כאילו הוא מפוזר במרחב באופן רציף. במקרים אלו, מוגדרת צפיפות מטען, שהיא פונקציה רציפה (למקוטעין) של המרחב. בנוסף, מטען יכול להצטבר סמוך לפניו של משטח, או לאורכו של גוף חד ממדי (כמו תיל). במקרים כאלו נוח להגדיר צפיפות מטען משטחית וצפיפות מטען אורכית (בהתאמה).
הכוח שפועל בין מטענים נקודתיים מתואר על ידי חוק קולון, הקובע שכוח זה יחסי 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 שניתן להזניח את השפעת מטען זה על יתר המטענים).
התנגדות חשמלית.
ברוב המוליכים קיים יחס ישר בין המתח והזרם – קשר הידוע כחוק אוהם. היחס בין המתח לזרם נקרא התנגדות חשמלית, שאותה מקובל לסמן באות R, והיא נמדדת במערכת היחידות הבינלאומית ביחידות של אוהם (על שם גאורג אוהם). הגודל ההופכי להתנגדות נקרא מוליכות חשמלית – המידה שבה מתח על מוליך גורם לזרם דרכו – וניתן לנסח באמצעותו ניסוח כללי יותר לחוק אוהם: צפיפות הזרם בנקודה בתוך מוליך עומדת ביחס ישר לשדה שמופעל באותה נקודה, ומקדם הפרופורציה הוא המוליכות החשמלית.
נגד הוא רכיב בעל התנגדות ידועה בין הדקיו, וניתן לייחס לו הספק, משום שמטענים נעים בו מפוטנציאל גבוה לנמוך. קצב השינוי באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של המטענים בזמן נקרא הספק חשמלי. ההספק מסומן לרוב באות P ונמדד במערכת היחידות הבינלאומיות ביחידות של ואט (על שם ג'יימס ואט). ההספק החשמלי על נגד נתון על ידי מכפלת הזרם הזורם דרך הנגד במפל המתח עליו (המתח ש"מתבזבז" עליו).
קֶצֶר חשמלי.
בחיבור הדקי מקור מתח על ידי תיל מוליך יתרחש קצר חשמלי – יזרום זרם גדול מאוד שעלול לגרום להתחממות יתר, שרפה, התעוותות של חומרים, התחשמלות או התפוצצות. במעגלים חשמליים, נתיך וממסר פחת הם רכיבים שתפקידם לנתק את הזרם במקרה של קצר. עם זאת, במערכות מסוימות, קצר הוא מצב רצוי. כך למשל, בפעולת הריתוך משתמשים לעיתים במעגל מקוצר, על מנת ליצור הספק גדול דיו לחימום המתכות.
אלקטרודינמיקה.
הכוח האלקטרומגנטי.