الشحنة الكهربائية

الشحنة الكهربائية (رمزها q ، وأحيانًا Q ) هي خاصية فيزيائية للمادة تجعلها تتأثر بقوة عند وضعها في مجال كهرومغناطيسي . يمكن أن تكون الشحنة الكهربائية موجبة أو سالبة . تتنافر الشحنات المتشابهة وتتجاذب الشحنات المختلفة. ^{[ 1 ]} يُطلق على الجسم الذي لا يحمل شحنة صافية اسم الجسم المتعادل كهربائيًا . تُعرف المعرفة المبكرة لكيفية تفاعل المواد المشحونة الآن باسم الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية ، ولا تزال دقيقة في المسائل التي لا تتطلب مراعاة التأثيرات الكمومية .

في نظام معزول، تبقى الشحنة الكلية ثابتة - أي أن الفرق بين مقدار الشحنة الموجبة ومقدار الشحنة السالبة لا يتغير بمرور الوقت. تشمل حاملات الشحنة الكهربائية الجسيمات دون الذرية . في المادة العادية، تحمل الإلكترونات الشحنة السالبة ، بينما تحمل البروتونات في نوى الذرات الشحنة الموجبة. إذا كان عدد الإلكترونات في قطعة من المادة أكبر من عدد البروتونات، فإنها ستكون مشحونة بشحنة سالبة، وإذا كان عددها أقل ، فإنها ستكون مشحونة بشحنة موجبة، وإذا تساوى العددان، فإنها ستكون متعادلة كهربائيًا.

الشحنة مُكمّمة : فهي تأتي في مضاعفات صحيحة لوحدات صغيرة فردية تسمى الشحنة الأولية ، e ، حوالي1.602 × 10⁻¹⁹ كولوم  ، ^{[ 2 ]} وهي أصغر شحنة يمكن أن توجد بحرية. الجسيمات التي تُسمى ^{الكواركات} لها شحنات أصغر، مضاعفات 1/3 e ، ولكنها لا توجد إلا مُتحدة في جسيمات لها شحنة من مضاعفات e . في النموذج القياسي ، الشحنة عدد كمي محفوظ تمامًا. البروتون له شحنة + e ، والإلكترون له شحنة -e . اليوم ، تُعرَّف الشحنة السالبة بأنها الشحنة التي يحملها الإلكترون، والشحنة الموجبة بأنها الشحنة التي يحملها البروتون. قبل اكتشاف هذه الجسيمات، عرّف بنجامين فرانكلين الشحنة الموجبة بأنها الشحنة التي يكتسبها قضيب زجاجي عند دلكه بقطعة قماش حريرية.

تُنتج الشحنات الكهربائية مجالات كهربائية . ^{[ 3 ]} كما تُنتج الشحنة المتحركة مجالًا مغناطيسيًا . ^{[ 4 ]} ويُعد تفاعل الشحنات الكهربائية مع المجال الكهرومغناطيسي (مزيج من المجالين الكهربائي والمغناطيسي) مصدر القوة الكهرومغناطيسية (أو قوة لورنتز) ، ^{[ 5 ]} وهي إحدى التفاعلات الأساسية الأربعة في الفيزياء . ويُطلق على دراسة التفاعلات التي تتوسطها الفوتونات بين الجسيمات المشحونة اسم الديناميكا الكهربائية الكمومية . ^{[ 6 ]}

وحدة الشحنة الكهربائية المشتقة من النظام الدولي للوحدات هي الكولوم (C)، نسبةً إلى الفيزيائي الفرنسي شارل أوغستان دي كولوم . في الهندسة الكهربائية، يشيع استخدام الأمبير-ساعة (A⋅h). أما في الفيزياء والكيمياء ، فيُستخدم الشحنة الأولية ( e ) كوحدة قياس. كما تستخدم الكيمياء ثابت فاراداي ، وهو شحنة مول واحد من الشحنات الأولية.

الشحنة هي الخاصية الأساسية للمادة التي تُظهر التجاذب أو التنافر الكهروستاتيكي في وجود مواد أخرى مشحونة. الشحنة الكهربائية خاصية مميزة للعديد من الجسيمات دون الذرية. شحنات الجسيمات الحرة هي مضاعفات صحيحة للشحنة الأولية e ؛ نقول إن الشحنة الكهربائية مُكمّمة . كان مايكل فاراداي ، في تجاربه على التحليل الكهربائي ، أول من لاحظ الطبيعة المنفصلة للشحنة الكهربائية. أثبتت تجربة قطرة الزيت التي أجراها روبرت ميليكان هذه الحقيقة بشكل مباشر، وقاس الشحنة الأولية. اكتُشف أن نوعًا واحدًا من الجسيمات، الكواركات، له شحنات كسرية إما − 1/3 أو + 2/3 ، ولكن يُعتقد أنها دائمًا ما توجد بمضاعفات الشحنة الصحيحة ؛ ولم تُلاحظ الكواركات الحرة قط .

بحسب الاصطلاح ، تكون شحنة الإلكترون سالبة ( -e) ، بينما تكون شحنة البروتون موجبة ( +e) . تتنافر الجسيمات المشحونة ذات الشحنات المتشابهة، وتتجاذب الجسيمات ذات الشحنات المختلفة. يحدد قانون كولوم قوة التجاذب الكهروستاتيكي بين جسيمين، مؤكدًا أن القوة تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب شحنتيهما، وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما. شحنة الجسيم المضاد تساوي شحنة الجسيم المقابل له، ولكن بإشارة معاكسة.

الشحنة الكهربائية لجسم كبير هي مجموع الشحنات الكهربائية للجسيمات التي يتكون منها. غالبًا ما تكون هذه الشحنة صغيرة، لأن المادة تتكون من ذرات، وعادةً ما تحتوي الذرات على أعداد متساوية من البروتونات والإلكترونات ، وفي هذه الحالة تلغي شحناتها بعضها بعضًا، مما ينتج عنه شحنة صافية تساوي صفرًا، وبالتالي تصبح الذرة متعادلة.

الأيون هو ذرة (أو مجموعة ذرات) فقدت إلكترونًا واحدًا أو أكثر، مما أكسبها شحنة موجبة صافية (كاتيون)، أو اكتسبت إلكترونًا واحدًا أو أكثر، مما أكسبها شحنة سالبة صافية (أنيون). تتكون الأيونات أحادية الذرة من ذرات منفردة، بينما تتكون الأيونات متعددة الذرات من ذرتين أو أكثر مرتبطة معًا، وفي كلتا الحالتين ينتج أيون ذو شحنة موجبة أو سالبة صافية.

المجال الكهربائي الناتج عن شحنة كهربائية موجبة (يسار) والمجال الناتج عن شحنة كهربائية سالبة (يمين).

أثناء تكوين الأجسام العيانية، تتحد الذرات والأيونات المكونة لها عادةً لتشكيل هياكل تتألف من مركبات أيونية متعادلة مرتبطة كهربائياً بذرات متعادلة. ولذلك، تميل الأجسام العيانية إلى أن تكون متعادلة إجمالاً، ولكن نادراً ما تكون متعادلة تماماً.

أحيانًا، تحتوي الأجسام الكبيرة على أيونات موزعة في جميع أنحاء المادة، مرتبطة ارتباطًا وثيقًا في مكانها، مما يُكسب الجسم شحنة موجبة أو سالبة صافية. كذلك، يمكن للأجسام الكبيرة المصنوعة من عناصر موصلة أن تكتسب أو تفقد إلكترونات بسهولة متفاوتة (بحسب العنصر)، ثم تحتفظ بشحنة سالبة أو موجبة صافية إلى أجل غير مسمى. عندما تكون الشحنة الكهربائية الصافية لجسم ما غير صفرية وثابتة، تُعرف هذه الظاهرة بالكهرباء الساكنة . يمكن إنتاج هذه الظاهرة بسهولة عن طريق فرك مادتين مختلفتين معًا، مثل فرك الكهرمان بالفرو أو الزجاج بالحرير . بهذه الطريقة، يمكن شحن المواد غير الموصلة بدرجة كبيرة، إما بشحنة موجبة أو سالبة. تنتقل الشحنة المأخوذة من إحدى المادتين إلى الأخرى، تاركةً شحنة معاكسة لها في المقدار. ينطبق قانون حفظ الشحنة دائمًا ، مما يُكسب الجسم الذي أُخذت منه الشحنة السالبة شحنة موجبة لها في المقدار، والعكس صحيح.

حتى عندما تكون الشحنة الكلية لجسم ما صفرًا، يمكن أن تتوزع الشحنة بشكل غير منتظم داخله (على سبيل المثال، بسبب مجال كهرومغناطيسي خارجي ، أو جزيئات قطبية مرتبطة). في مثل هذه الحالات، يُقال إن الجسم مستقطب . تُعرف الشحنة الناتجة عن الاستقطاب بالشحنة المرتبطة ، بينما تُسمى الشحنة على الجسم الناتجة عن الإلكترونات المكتسبة أو المفقودة من خارجه بالشحنة الحرة . تُعرف حركة الإلكترونات في المعادن الموصلة في اتجاه محدد بالتيار الكهربائي .

وحدة قياس الشحنة الكهربائية في النظام الدولي للوحدات هي الكولوم (رمزه: C). يُعرَّف الكولوم بأنه كمية الشحنة التي تمر عبر مقطع عرضي لموصل كهربائي يحمل أمبيرًا واحدًا لمدة ثانية واحدة . ^{[ 7 ]} اقتُرحت هذه الوحدة عام 1946 وصُدِّقت عام 1948. ^{[ 7 ]} يُستخدم الرمز q الصغير غالبًا للدلالة على كمية الشحنة الكهربائية. يمكن قياس كمية الشحنة الكهربائية مباشرةً باستخدام مقياس الشحنة الكهربائية ، أو بشكل غير مباشر باستخدام مقياس الغلفانومتر الباليستي .

تُعرَّف الشحنة الأولية بأنها ثابت أساسي في النظام الدولي للوحدات (SI). [ 8 ^{] وقيمة الشحنة} الأولية، عند التعبير عنها بوحدات النظام الدولي للوحدات، هي بالضبط1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  C . ^{[ 2 ]}

بعد اكتشاف الطبيعة الكمومية للشحنة، اقترح جورج ستوني في عام 1891 وحدة "الإلكترون" لهذه الوحدة الأساسية للشحنة الكهربائية. ثم اكتشف جيه جيه طومسون الجسيم الذي نسميه اليوم الإلكترون في عام 1897. تُعرف هذه الوحدة اليوم بالشحنة الأولية ، أو وحدة الشحنة الأساسية ، أو يُرمز لها ببساطة بـ e ، حيث تكون شحنة الإلكترون −e . ينبغي أن تكون شحنة النظام المعزول من مضاعفات الشحنة الأولية e ، حتى وإن بدت الشحنة على نطاقات واسعة وكأنها كمية متصلة. في بعض السياقات، يكون من المفيد الحديث عن كسور من الشحنة الأولية؛ على سبيل المثال، في تأثير هول الكمومي الكسري .

تُستخدم وحدة الفاراداي أحيانًا في الكيمياء الكهربائية. الفاراداي الواحد هو مقدار شحنة مول واحد من الشحنات الأولية، ^{[ 9 ]} أي9.648 533 212 ... × 10 ⁴  C .

منذ القدم، عرف الناس أربعة أنواع من الظواهر التي تُفسَّر اليوم جميعها بمفهوم الشحنة الكهربائية: (أ) البرق ، (ب) سمكة الطوربيد (أو سمكة الراي الكهربائية)، (ج) نار سانت إلمو ، و(د) أن الكهرمان المحكوك بالفرو يجذب الأجسام الصغيرة الخفيفة. ^{[ 10 ]} يُنسب أول وصف لتأثير الكهرمان غالبًا إلى عالم الرياضيات اليوناني القديم طاليس الملطي ، الذي عاش بين عامي 624 و546 قبل الميلاد تقريبًا، ولكن ثمة شكوك حول ما إذا كان طاليس قد ترك أي كتابات؛ ^{[ 11 ]} يُعرف وصفه للكهرمان من رواية تعود إلى أوائل القرن الثالث قبل الميلاد. ^{[ 12 ]} يمكن اعتبار هذه الرواية دليلًا على أن الظاهرة كانت معروفة منذ عام 600 قبل الميلاد على الأقل، لكن طاليس فسّر هذه الظاهرة كدليل على أن الجمادات تمتلك روحًا. ^{[ 12 ]} بعبارة أخرى، لم يكن هناك ما يشير إلى أي مفهوم للشحنة الكهربائية. بشكل عام، لم يفهم الإغريق القدماء الروابط بين هذه الأنواع الأربعة من الظواهر. لاحظ الإغريق أن أزرار الكهرمان المشحونة تجذب الأجسام الخفيفة كالشعر . كما وجدوا أنه عند فرك الكهرمان لفترة كافية، يمكن توليد شرارة كهربائية ، ولكن يُقال أيضًا أنه لم يُذكر شيء عن الشرارات الكهربائية حتى أواخر القرن السابع عشر. ^{[ 13 ]} تُعزى هذه الخاصية إلى التأثير الكهروستاتيكي الاحتكاكي . في أواخر القرن الثاني عشر، لُوحظ أن مادة الجيت ، وهي شكل مضغوط من الفحم، لها تأثير مشابه للكهرمان، ^{[ 14 ]} وفي منتصف القرن السادس عشر، اكتشف جيرولامو فراكاستورو أن الماس يُظهر هذا التأثير أيضًا. ^{[ 15 ]} بذل فراكاستورو وآخرون، ولا سيما جيرولامو كاردانو، جهودًا لوضع تفسيرات لهذه الظاهرة. ^{[ 16 ]}

على النقيض من علم الفلك والميكانيكا والبصريات ، التي دُرست كميًا منذ القدم، يُمكن اعتبار نشر كتاب "دي ماغنيت" للعالم الإنجليزي ويليام جيلبرت عام 1600 بدايةً للبحث النوعي والكمي المستمر في الظواهر الكهربائية. [ 17 ] في هذا الكتاب ^{، خصص جيلبرت} قسمًا صغيرًا للحديث عن "تأثير الكهرمان" (كما سماه) عند تناوله العديد من النظريات السابقة، ^{[ 16 ]} وصاغ الكلمة اللاتينية الحديثة "إليكتيكا" (من الكلمة اليونانية " إلكترون " التي تعني الكهرمان ). تُرجمت الكلمة اللاتينية إلى الإنجليزية بكلمة " إليكتريكس" . ^{[ 18 ]} يُنسب إلى جيلبرت أيضًا مصطلح "كهربائي" ، بينما ظهر مصطلح "كهرباء" لاحقًا، ونُسب لأول مرة إلى السير توماس براون في كتابه "Pseudodoxia Epidemica" عام 1646. ^{[ 19 ]} (للمزيد من التفاصيل اللغوية، انظر أصل كلمة "كهرباء "). افترض جيلبرت أن تأثير الكهرمان هذا يُمكن تفسيره بواسطة "انبعاث كهربائي" (تيار صغير من الجسيمات يتدفق من الجسم الكهربائي، دون أن يُقلل من حجمه أو وزنه) يؤثر على الأجسام الأخرى. كانت فكرة الانبعاث الكهربائي المادي هذه مؤثرة في القرنين السابع عشر والثامن عشر. وكانت بمثابة مقدمة للأفكار التي طُورت في القرن الثامن عشر حول "السائل الكهربائي" (دوفاي، نوليه، فرانكلين) و"الشحنة الكهربائية". ^{[ 20 ]}

في حوالي عام 1663، اخترع أوتو فون غيريكه ما يُرجح أنه أول مولد كهربائي ساكن ، لكنه لم يُدرك أنه جهاز كهربائي بالدرجة الأولى، واقتصرت تجاربه الكهربائية عليه على الحد الأدنى. ^{[ 21 ]} ومن الرواد الأوروبيين الآخرين روبرت بويل ، الذي نشر عام 1675 أول كتاب باللغة الإنجليزية مُخصص بالكامل للظواهر الكهربائية. ^{[ 22 ]} كان عمله في معظمه تكرارًا لدراسات جيلبرت، لكنه حدد أيضًا العديد من "الظواهر الكهربائية" الأخرى، ^{[ 23 ]} ولاحظ التجاذب المتبادل بين جسمين. ^{[ 22 ]}

في عام ١٧٢٩، كان ستيفن غراي يجري تجارب على الكهرباء الساكنة ، التي كان يولدها باستخدام أنبوب زجاجي. لاحظ أن سدادة الفلين، المستخدمة لحماية الأنبوب من الغبار والرطوبة، أصبحت مشحونة كهربائيًا أيضًا. أظهرت تجارب أخرى (مثل تمديد سدادة الفلين بوضع أعواد رفيعة فيها) -للمرة الأولى- أن الشحنات الكهربائية (كما سماها غراي) يمكن نقلها (توصيلها) عبر مسافة. تمكن غراي من نقل الشحنة باستخدام خيط (٧٦٥ قدمًا) وسلك (٨٦٥ قدمًا). ^{[ ٢٤ ]} من خلال هذه التجارب، اكتشف غراي أهمية المواد المختلفة، التي تسهل أو تعيق توصيل الشحنات الكهربائية. يُنسب إلى جون ثيوفيلوس ديساغولير ، الذي كرر العديد من تجارب غراي، صياغة مصطلحي الموصلات والعوازل للإشارة إلى تأثيرات المواد المختلفة في هذه التجارب. ^{[ ٢٤ ]} اكتشف غراي أيضًا الحث الكهربائي (أي ، إمكانية نقل الشحنة من جسم إلى آخر دون أي اتصال مادي مباشر). فعلى سبيل المثال، بيّن أنه بتقريب أنبوب زجاجي مشحون من كتلة من الرصاص معلقة بخيط، دون أن يلامسها، يمكن جعل الرصاص مشحونًا كهربائيًا (كأن يجذب برادة النحاس ويدفعها). ^{[ 25 ]} وحاول تفسير هذه الظاهرة بفكرة الانبعاثات الكهربائية. ^{[ 26 ]}

أحدثت اكتشافات غراي نقلة نوعية في التطور التاريخي للمعرفة المتعلقة بالشحنة الكهربائية. فقد فتحت إمكانية انتقال الشحنات الكهربائية من جسم إلى آخر الباب أمام الاحتمال النظري بأن هذه الخاصية ليست مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالأجسام التي تُشحن بالكهرباء عن طريق الاحتكاك. ^{[ 27 ]} وفي عام 1733، استلهم شارل فرانسوا دي سيسترناي دو فاي ، من أعمال غراي، سلسلة من التجارب (نُشرت في مذكرات الأكاديمية الملكية للعلوم )، مُبينًا أن جميع المواد تقريبًا يُمكن شحنها بالكهرباء عن طريق الاحتكاك، باستثناء المعادن والسوائل ^{[ 28 ]} ، واقترح أن الكهرباء تأتي بنوعين يُلغي أحدهما الآخر، وهو ما عبّر عنه بنظرية السائلين. ^{[ 29 ]} فعندما دُلك الزجاج بالحرير ، قال دو فاي إن الزجاج شُحن بالكهرباء الزجاجية ، وعندما دُلك الكهرمان بالفرو، شُحن الكهرمان بالكهرباء الراتنجية . في الفهم المعاصر، تُعرَّف الشحنة الموجبة الآن بأنها شحنة قضيب زجاجي بعد دلكه بقطعة قماش حريرية، لكن تحديد نوع الشحنة الموجبة ونوعها السالبة يبقى أمرًا اعتباطيًا. ^{[ 30 ]} وقد اقترح جان أنطوان نوليه (1745) نظرية مهمة أخرى للسائلين في ذلك الوقت . ^{[ 31 ]}

حتى عام 1745 تقريبًا، كان التفسير الرئيسي للتجاذب والتنافر الكهربائي هو فكرة أن الأجسام المشحونة كهربائيًا تُصدر شحنة كهربائية. ^{[ 32 ]} بدأ بنجامين فرانكلين تجاربه الكهربائية في أواخر عام 1746، ^{[ 33 ]} وبحلول عام 1750، كان قد طور نظرية السائل الواحد للكهرباء ، استنادًا إلى تجربة أظهرت أن الزجاج المحكوك يكتسب نفس قوة الشحنة، ولكن في الاتجاه المعاكس، التي يكتسبها القماش المستخدم في حك الزجاج. ^{[ 33 ] [ 34 ]} تخيل فرانكلين الكهرباء كنوع من السوائل غير المرئية الموجودة في جميع المواد، وصاغ مصطلح الشحنة نفسه (وكذلك البطارية وبعض المصطلحات الأخرى ^{[ 35 ]} )؛ فعلى سبيل المثال، اعتقد أن الزجاج الموجود في جرة ليدن هو الذي يحتفظ بالشحنة المتراكمة. وافترض أن حك الأسطح العازلة معًا يتسبب في تغيير موقع هذا السائل، وأن تدفق هذا السائل يشكل تيارًا كهربائيًا. افترض فرانكلين أيضًا أن المادة عندما تحتوي على فائض من السائل تكون مشحونة بشحنة موجبة ، وعندما تحتوي على نقص تكون مشحونة بشحنة سالبة . وقد ربط مصطلح "موجب" بالكهرباء الزجاجية و "سالب" بالكهرباء الراتنجية بعد إجراء تجربة باستخدام أنبوب زجاجي حصل عليه من زميله بيتر كولينسون من الخارج. في التجربة، قام المشارك (أ) بشحن الأنبوب الزجاجي، بينما تلقى المشارك (ب) صدمة كهربائية في مفصل إصبعه من الأنبوب المشحون. وقد حدد فرانكلين أن المشارك (ب) مشحون بشحنة موجبة بعد تعرضه للصدمة. ^{[ 36 ]} ثمة بعض الغموض حول ما إذا كان ويليام واتسون قد توصل بشكل مستقل إلى نفس تفسير السائل الواحد في نفس الفترة تقريبًا (1747). بعد أن اطلع واتسون على رسالة فرانكلين إلى كولينسون، ادعى أنه قدم نفس تفسير فرانكلين في ربيع عام 1747. ^{[ 37 ]} كان فرانكلين قد درس بعض أعمال واتسون قبل إجراء تجاربه وتحليلاته الخاصة، وهو ما كان على الأرجح ذا أهمية بالغة لنظرية فرانكلين. ^{[ 38 ]} يشير أحد الفيزيائيين إلى أن واتسون هو من اقترح نظرية المائع الواحد، والتي قام فرانكلين بتطويرها لاحقًا بشكل أكبر وأكثر تأثيرًا. ^{[ 39 ]} ويجادل مؤرخ العلوم بأن واتسون أغفل فرقًا دقيقًا بين أفكاره وأفكار فرانكلين، مما أدى إلى سوء فهم واتسون لأفكاره واعتبارها مشابهة لأفكار فرانكلين. ^{[ 40 ]}على أي حال، لم تكن هناك أي ضغينة بين واتسون وفرانكلين، وأصبح نموذج فرانكلين للفعل الكهربائي، الذي صاغه في أوائل عام 1747، مقبولاً على نطاق واسع في ذلك الوقت. ^{[ 38 ]} بعد عمل فرانكلين، نادراً ما طُرحت تفسيرات تعتمد على الانبعاثات. ^{[ 41 ]}

بات من المعروف الآن أن نموذج فرانكلين كان صحيحاً من حيث المبدأ. يوجد نوع واحد فقط من الشحنة الكهربائية، ولا يلزم سوى متغير واحد لتتبع مقدار الشحنة. ^{[ 42 ]}

حتى عام 1800، لم يكن من الممكن دراسة توصيل الشحنة الكهربائية إلا باستخدام التفريغ الكهروستاتيكي. وفي عام 1800، كان أليساندرو فولتا أول من أثبت إمكانية الحفاظ على الشحنة في حركة مستمرة عبر مسار مغلق. ^{[ 43 ]}

في عام 1833، سعى مايكل فاراداي إلى إزالة أي شك في أن الكهرباء متطابقة، بغض النظر عن المصدر الذي يتم إنتاجها منه. ^{[ 44 ]} ناقش مجموعة متنوعة من الأشكال المعروفة، والتي وصفها بأنها كهرباء عادية (مثل الكهرباء الساكنة ، والكهرباء الانضغاطية ، والحث المغناطيسي )، وكهرباء فولطية (مثل التيار الكهربائي من عمود فولطية )، وكهرباء حيوانية (مثل الكهرباء الحيوية ).

في عام 1838، طرح فاراداي سؤالاً حول ما إذا كانت الكهرباء سائلاً أم خاصية من خواص المادة، كالجاذبية. وقد بحث فيما إذا كان من الممكن شحن المادة بنوع من الشحنة بشكل مستقل عن الأنواع الأخرى. ^{[ 45 ]} وخلص إلى أن الشحنة الكهربائية علاقة بين جسمين أو أكثر، لأنه لا يمكن شحن جسم دون وجود شحنة معاكسة في جسم آخر. ^{[ 46 ]}

في عام 1838، قدم فاراداي أيضًا تفسيرًا نظريًا للقوة الكهربائية، مع إبدائه الحياد بشأن ما إذا كانت تنشأ من سائل واحد أو اثنين أو لا شيء. ^{[ 47 ]} ركز على فكرة أن الحالة الطبيعية للجسيمات هي أن تكون غير مستقطبة، وأنها عندما تستقطب، فإنها تسعى للعودة إلى حالتها الطبيعية غير المستقطبة.

في سياق تطويره لمنهج نظرية المجال في الديناميكا الكهربائية (ابتداءً من منتصف خمسينيات القرن التاسع عشر)، توقف جيمس كلارك ماكسويل عن اعتبار الشحنة الكهربائية مادةً خاصة تتراكم في الأجسام، وبدأ بفهمها كنتيجة لتحول الطاقة في المجال. ^{[ 48 ]} وقد اعتبر هذا الفهم ما قبل الكمي مقدار الشحنة الكهربائية كميةً متصلة، حتى على المستوى المجهري. ^{[ 48 ]}

تشير الكهرباء الساكنة إلى الشحنة الكهربائية لجسم ما، وما ينتج عنها من تفريغ كهربائي عند تقريب جسمين غير متوازنين. ويؤدي التفريغ الكهربائي إلى تغيير في شحنة كل من الجسمين.

التيار الكهربائي هو تدفق الشحنة الكهربائية عبر جسم ما. وأكثر حاملات الشحنة شيوعًا هي البروتون الموجب الشحنة والإلكترون السالب الشحنة . وحركة أي من هذه الجسيمات المشحونة تُشكل تيارًا كهربائيًا. في كثير من الحالات، يكفي الحديث عن التيار الاصطلاحي دون النظر إلى ما إذا كان محمولًا بشحنات موجبة تتحرك في اتجاه التيار الاصطلاحي أو بشحنات سالبة تتحرك في الاتجاه المعاكس. هذه النظرة الكلية هي تقريب يُبسط المفاهيم والحسابات الكهرومغناطيسية.

وعلى النقيض من ذلك، إذا نظرنا إلى الوضع المجهري، فسنجد أن هناك العديد من الطرق لنقل التيار الكهربائي ، بما في ذلك: تدفق الإلكترونات؛ وتدفق ثقوب الإلكترون التي تعمل كجسيمات موجبة؛ وتدفق الجسيمات السالبة والموجبة ( الأيونات أو الجسيمات المشحونة الأخرى) في اتجاهين متعاكسين في محلول إلكتروليتي أو بلازما .

يكون اتجاه التيار التقليدي في معظم الأسلاك المعدنية معاكساً لسرعة انجراف حاملات الشحنة الفعلية؛ أي الإلكترونات.

تظل الشحنة الكهربائية الكلية لنظام معزول ثابتة بغض النظر عن التغيرات التي تطرأ داخل النظام نفسه. ^{[ 50 ] : 4} هذا القانون متأصل في جميع العمليات المعروفة في الفيزياء، ويمكن اشتقاقه بصيغة محلية من ثبات دالة الموجة تحت التحويلات القياسية . ينتج عن حفظ الشحنة معادلة استمرارية التيار-الشحنة . وبشكل أعم، فإن معدل تغير كثافة الشحنة ρ ضمن حجم تكامل V يساوي التكامل المساحي لكثافة التيار J عبر السطح المغلق S = ∂V ، والذي يساوي بدوره التيار الكلي I.

${\displaystyle -{\frac {d}{dt}}\int _{V}\rho \,\mathrm {d} V=}$${\displaystyle \scriptstyle \partial V}$${\displaystyle \mathbf {J} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S} =\int J\mathrm {d} S\cos \theta =I.}$

وبالتالي، فإن قانون حفظ الشحنة الكهربائية، كما هو معبر عنه بمعادلة الاستمرارية، يعطي النتيجة التالية:

${\displaystyle I=-{\frac {\mathrm {d} q}{\mathrm {d} t}}.}$

تم نقل الرسوم بين الأوقات${\displaystyle t_{\mathrm {i} }}$و${\displaystyle t_{\mathrm {f} }}$يتم الحصول عليها من خلال تكامل كلا الطرفين:

${\displaystyle q=\int _{t_{\mathrm {i} }}^{t_{\mathrm {f} }}I\,\mathrm {d} t}$

حيث I هو التيار الخارجي الصافي عبر سطح مغلق و q هي الشحنة الكهربائية الموجودة داخل الحجم المحدد بواسطة السطح.

بصرف النظر عن الخصائص الموصوفة في مقالات الكهرومغناطيسية ، فإن الشحنة الكهربائية ثابتة نسبية . وهذا يعني أن أي جسيم يحمل شحنة كهربائية q يحتفظ بنفس الشحنة بغض النظر عن سرعته. وقد تم التحقق من هذه الخاصية تجريبياً من خلال إثبات أن الشحنة الكهربائية لنواة هيليوم واحدة ( بروتونان ونيوترونان مرتبطان معاً في نواة واحدة ويتحركان بسرعات عالية) هي نفسها الشحنة الكهربائية لنواتي ديوتيريوم (بروتون ونيوترون مرتبطان معاً، لكنهما يتحركان بسرعة أبطأ بكثير مما لو كانا في نواة هيليوم). ^{[ 51 ] [ 52 ]}

• وحدات الكهرومغناطيسية في النظام الدولي للوحدات
• شحنة اللون
• رسوم جزئية
• البوزيترون أو الإلكترون المضاد هو جسيم مضاد أو نظير المادة المضادة للإلكترون

• الوسائط المتعلقة بالشحنة الكهربائية على ويكيميديا ​​كومنز
• ما مدى سرعة اضمحلال الشحنة؟