La càrrega elèctrica o, simplement, càrrega, (habitualment representada com ) és una propietat fonamental associada a les partícules subatòmiques que segueix la llei de conservació i determina el seu comportament davant les interaccions electromagnètiques. La càrrega elèctrica pot ser negativa o positiva. Dues càrregues d'igual signe es repel·leixen, i dues càrregues de signe oposat s'atreuen. Per convenció, hom considera que l'electró té càrrega negativa, i el valor absolut de la seva càrrega s'acostuma a denotar . La matèria elèctricament carregada és influenciada pels camps electromagnètics i, al seu torn, també produeix camps electromagnètics. La interacció entre una càrrega en moviment i un camp electromagnètic és l'origen de la força electromagnètica que és una de les quatre forces fonamentals de la natura.
En el sistema internacional d'unitats la unitat de càrrega elèctrica és el coulomb (C). Aproximadament, 1 C = 6,24 × 1018 càrregues elementals. El coulomb es defineix com la quantitat de càrrega elèctrica total que passa per una secció transversal d'un conductor pel qual circula un corrent elèctric d'un ampere durant un segon. El símbol emprat per simbolitzar càrregues elèctriques prové de la inicial de l'anglès Quantity of electricity, ‘Quantitat d'electricitat’, que és el nom que s'emprava antigament per anomenar la càrrega elèctrica.
Totes les partícules conegudes tenen càrregues elèctriques que són múltiples enters de la càrrega elemental , el qual valor és exactament 1,602 176 634 × 10–19 C, que és una constant fonamental. Per exemple, els protons tenen càrrega +, els electrons càrrega –, les partícules α +2, els anions sulfur –2 i els neutrons tenen càrrega zero (són elèctricament neutres). La sola excepció són els quarks, que tenen càrregues fraccionàries de ±/3 i ±2/3; tanmateix, els quarks mai es presenten sols a la natura, sinó formant combinacions de càrrega entera. Les antipartícules tenen càrregues elèctriques de signe oposat respecte de la seva corresponent partícula.
La càrrega elèctrica dels objectes macroscòpics és la suma de la càrrega elèctrica del conjunt de les seves partícules. Habitualment la càrrega elèctrica és nul·la, atès que a cada àtom el nombre d'electrons és igual al nombre de protons i, per tant les càrregues respectives s'anul·len. Moltes vegades la presència d'una càrrega elèctrica neta està relacionada amb l'electricitat estàtica. A més la càrrega pot no presentar una distribució uniforme (a causa d'un camp elèctric extern, per exemple), fins i tot en els casos en què la càrrega elèctrica neta sigui zero, i llavors es parla de polarització elèctrica. Un moviment ordenat de partícules carregades cap a una direcció particular (als metalls serien els electrons) és el que es coneix com a corrent elèctric.
La quantitat de càrrega elèctrica es pot mesurar directament amb un electroscopi o indirectament amb un galvanòmetre.
Generació de camps electromagnètics miniatura|Visualització del camp elèctric creat per dues plaques metàl·liques amb càrregues de diferent signe. Les càrregues elèctriques generen camp elèctrics, expressant-se el vector intensitat del camp elèctric produït per una càrrega en un punt de l'espai que l'envolta a una distància , per l'expressió:
on: és la permitivitat del medi on es troba la càrrega . o és un vector unitari en la direcció radial i sentit de la càrrega cap a l'infinit. També pot expressar-se com . miniatura|Les brúixoles s'orienten segons el camp magnètic creat per les càrregues que circulen pel conductor de color blau. I el potencial elèctric és:
Per altra banda, si les càrregues estan en moviment, generen camps magnètics segons la llei de Biot-Savart:
on:
és el vector camp magnètic o inducció magnètica i un element diferencial. és la permeabilitat magnètica del buit. és la intensitat del corrent, que és la càrrega que circula pel conductor per unitat de temps. és la longitud del conductor i un element diferencial d'ella. és la distància del conductor al punt on es calcula el camp magnètic, amb un vector unitari que apunta des del conductor a aquest punt. és l'operador producte vectorial.
Interaccions Interaccions entre càrregues miniatura|Diagram de la repulsió entre dues càrregues positives o negatives. Clàssicament, donades dues partícules en repòs amb càrregues i , separades una distància , aquestes s'atreuen mútuament amb una força que ve donada per la llei de Coulomb, que estableix que la força d'atracció o repulsió és directament proporcional a la magnitud de les càrregues i inversament proporcional al quadrat de la distància que les separa.
on:
és la permitivitat del medi entre les dues càrregues. o és un vector unitari en la direcció de la recta que passa per ambdues càrregues i sentit d'una cap a l'altra. També pot expressar-se com .
La càrrega pel fet d'estar en les proximitats de la càrrega , adquireix una energia potencial elèctrica que ve donada per l'expressió:
Les antipartícules tenen càrrega oposada a les seves partícules, per exemple el positró , l'antipartícula de l'electró , té càrrega positiva, mentres que l'electró la té negativa. Si en un lloc de l'espai es troben un electró i un positró, s'atreuen i xoquen un contra l'altre anihilant-se produïnt dos fotons. Aquests fotons surten a gran velocitat portant tota l'energia i en sentits oposats en la mateixa direcció. D'aquesta manera desapareix una càrrega positiva i una de negativa, però la llei de conservació de la càrrega es compleix perquè la suma de càrregues era zero i segueix essent zero. El procés es pot representar com:
miniatura|Força produïda per un camp elèctric sobre una càrrega positiva .
Interacció amb camps elèctrics Les càrregues elèctriques situades dins camps elèctrics, com ara el produït entre dues plaques metàl·liques carregades amb càrregues de diferent signe, experimenten una força que ve donada per l'expressió:
on és el vector camp elèctric.miniatura|Treball en desplaçar una càrrega elèctrica negativa des del punt al punt .
L'energia potencial elèctrica de la càrrega dins del camp elèctric es pot calcular a partir del potencial elèctric del punt on està situada amb l'expressió:
El treball implicat en el moviment d'una càrrega elèctrica dins d'un camp elèctric des del pun A on el potencial val al punt B on el potencial és val:
Interacció amb camps magnètics miniatura|La força de Lorentz és perpendicular tant al vector velocitat com al vector camp magnètic i origina un moviment circular en la càrrega. Les càrregues elèctriques en moviment interaccionen amb camps magnètics segons la llei de Lorentz que dona l'expressió de la força sobre la càrrega :
on:
és el vector velocitat de la càrrega . és el vector camp magnètic. és l'operador producte vectorial.
En cas d'haver-hi en la mateixa zona de l'espai un camp elèctric, la força és:
Partícules portadores de forces miniatura|Diagrama de Feynman que mostra la interacció electromagnètica entre un parell d'electrons (repulsió) a través d'un fotó virtual. El model estàndard de la física de partícules és la millor manera d'entendre com es relacionen les partícules i tres de les forces que en regeixen els seus comportaments. Aquest model físic, desenvolupat a principis de la dècada de 1970, ha aconseguit explicar amb èxit gairebé tots els resultats experimentals obtinguts i ha predit amb precisió una gran varietat de fenòmens que després s'han observat.
A l'univers actuen quatre forces fonamentals: la força nuclear forta, la força nuclear feble, la força electromagnètica i la força gravitatòria. Funcionen en diferents rangs i tenen diferents intensitats. La gravetat és la més feble, però té un abast infinit. La força electromagnètica també té un abast infinit, però és molt més forta que la gravetat. Les forces febles i fortes només són efectives a distàncies molt curtes, per la qual cosa únicament dominen a l'escala de les partícules subatòmiques. Tot i el seu nom, la força feble és molt més forta que la gravetat, però és la més feble de les altres tres. La força forta, com indica el seu nom, és la més forta de les quatre interaccions fonamentals.
Tres de les forces fonamentals, la força forta, la feble i l'electromagnètica, són el resultat de l'intercanvi de partícules portadores de força o bosons de gauge. Les partícules de la matèria transfereixen quantitats discretes d'energia intercanviant bosons entre si. Cada força fonamental té el seu propi bosó corresponent: la força forta és transportada pel gluó, la força electromagnètica pel fotó i els bosons W i Z són responsables de la força feble.
Història esquerra|miniatura|Ampolla de Leiden segons el llibre de Robert Alexander Houstoun Elements of Physics, del 1919. miniatura|L'ambre és una resina fòssil de diverses coníferes, amorfa i fràgil, l'essència de la qual era emprada com a estimulant i antiespasmòdica. Una de les primeres observacions registrades d'electricitat estàtica és la de Tales de Milet (c. 625 aC-548 aC ↔ 545 aC), a l'antiga Grècia, que recollí que si es fregava ambre amb la pell d'un animal atreia objectes lleugers com el plomissol. La paraula grega per a ambre, ἤλεκτρον ḗlektron, és l'arrel dels mots «electró», «electricitat», «elèctric», etc. a través del llatí electrum. Fou el científic anglès William Gilbert (1544-1603) qui encunyà d'aquesta manera el mot «electricitat» en la seva obra De Magnete (1600).