Sähkövaraus
Yleistä

Varaus on sellaisten aineen muotojen perusominaisuus, joiden välillä ilmenee sähköstaattisia voimia.
Sähkövaraus on monille alkeishiukkasille tyypillinen ominaisuus. Kaikkien vapaina esiintyvien hiukkasten varaus on alkeisvarauksen e monikerta. Michael Faraday päätyi jo 1800-luvulla elektrolyysia koskevien tutkimustensa perusteella siihen, että sähkövaraus esiintyy vain erään perusyksikön monikertoina. Robert Millikan vahvisti tämän vuonna 1913 öljy­pisaroilla suorittamillaan kokeilla ja samalla myös mittasi alkeisvarauksen suuruuden. Sähkövaraus liittyy sähkömagnetismiin. Esimerkiksi protonin varaus on +1 e ja elektronin −1 e. Kvarkkien varaus on kuitenkin  +2/3 e tai −1/3 e, mutta vapaita kvarkkeja ei ole koskaan havaittu. Tämän ilmiön teoreettinen selitys on asymptoottinen vapaus.
Sopimuksen mukaan protonin varausta sanotaan positiiviseksi (+1 e) ja elektronin varausta negatiiviseksi (−1 e). Varaukselliset hiukkaset, joiden varaus on samanmerkkinen, työntävät toisiaan luotaan, kun taas hiukkaset, joiden varaus on vastakkaismerkkinen, vetävät toisiaan puoleensa. Coulombin lain mukaan tämä voima (sähkömagneettinen vuorovaikutus) on suoraan verrannollinen varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välimatkan neliöön. Tämän vuorovaikutuksen välittäjänä on klassisessa fysiikassa sähkövarausta ympäröivä sähkökenttä ja sähkömagneettiset aallot. Kvanttimekaniikka selittää välittymisen välittäjähiukkasin - fotonein. (Katso Kvanttisähködynamiikka)
Makroskooppisen kappaleen varaus on yhtä suuri kuin siinä olevien hiukkasten varausten summa. Se on yleensä pieni, koska aine on muodostunut atomeista, joissa elektroneja on yleensä yhtä monta kuin protoneja, minkä vuoksi niiden varaukset kumoavat toisensa ja atomin kokonaisvaraus on nolla.
Ioni on atomi tai atomiryhmä, joka on luovuttanut elektroneja, jolloin se on positiivisesti varautunut kationi taikka vastaanottanut lisää elektroneja, jolloin se on negatiivisesti varautunut anioni. Yksiatomiset ionit ovat muodostuneet vain yhdestä atomista, moniatomiset eli kompleksi-ionit sen sijaan useammasta atomista, kuitenkin siten, että ionissa on yhteensä eri määrä elektroneja kuin sinä olevien atomien ytimissä on protoneja.
Kun atomit tai ionit sitoutuvat toisiinsa muodostaen makroskooppisia kappaleita, ne pyrkivät muodostamaan sähköisesti neutraaleja rakenteita. Tämän vuoksi makroskooppisten kappaleiden sähkövaraus on yleensä pieni, mutta harvoin tarkalleen nolla.
Joissakin makroskooppisissa kappaleissa on kaikkialla ioneja sillä tavoin, että koko kappaleella on positiivinen tai negatiivinen nettovaraus. Sähköä johtavat aineet voivat myös melko helposti luovuttaa tai vastaanottaa elektroneja ja saada tällä tavoin positiivisen tai negatiivisen varauksen. Kun kappaleen sähkövaraus on nollasta poikkeava ja liikkumaton, siinä sanotaan olevan staattista sähköä.
Staattista sähköä saadaan helposti aikaan hankaamalla kahta eri ainetta vastakkain, esimerkiksi meripihkaa turkisnahalla tai lasia silkillä. Tällä tavoin sähköä johtamattomiin aineisiin voidaan saada merkittävä sähkövaraus. Ellei varaus kummastakaan kappaleesta pääse virtaamaan pois, kumpaankin muodostuu yhtä suuri, mutta vastakkaismerkkinen varaus, sillä varauksen säilymislaki pätee kaikissa ilmiöissä.
Metallit eivät tule hankaamalla sähköisiksi, mutta niihinkin voidaan saada sähkövaraus esimerkiksi kytkemällä ne jännitelähteen napoihin. Kun kondensaattori kytketään jännitelähteeseen, sen toiseen levyyn tulee positiivinen, toiseen yhtä suuri negatiivinen varaus. Tämän varauksen suuruus saadaan kertomalla jännite kondensaattorin kapasitanssilla.
Vaikka kappaleen kokonaisvaraus olisi nolla, varaus voi kappaleen sisällä olla jakautunut epätasaisesti, esimerkiksi ulkoisen sähkökentän tai polaaristen molekyylien vuoksi. Tällaisissa tapauksissa kappaleen sanotaan olevan polaroitutunut. Polarisoitumisesta johtuvaa varausta sanotaan sidotuksi varaukseksi, kun taas varausta, joka johtuu siitä, että kappale on luovuttanut tai vastaanottanut elektroneja, sanotaan vapaaksi varaukseksi.
Kun varaus on liikkeessä, sen ympärille muodostuu sähkökentän lisäksi myös magneettikenttä. Magneettikentästä aiheutuvat voimat vaikuttavat liikkuviin, mutta eivät paikallaan oleviin varauksiin. Sähkö- ja magneettikenttä yhdessä muodostavat sähkömagneettisen kentän; miten se jakautuu sähkö- ja magneettikentäksi, riippuu kuitenkin havaitsijan liiketilasta ja käytetystä koordinaatistosta.