Allt i världen, vare sig det är naturligt eller syntetiskt, består av små strukturer som kallas atomer, som är gjorda av protoner, neutroner och elektroner. Protoner har en positiv laddning, neutroner har ingen laddning och elektroner har en negativ laddning. Balansen av dessa partiklar bestämmer den totala laddningen av en atom. Ett föremål med positiv laddning, som en person efter att kraftigt gnuggat sockklädda fötter på en matta, innehåller fler positiva partiklar (protoner) än negativa (elektroner). Eftersom positiva atomer attraheras av negativa och stöts bort av andra positiva, påverkar laddningarna av atomerna som utgör en bit materia starkt dess egenskaper och beteende.
Atomladdningar
Atomer, som är materiens grundläggande enhet, har en kärna som består av protoner och neutroner, runt vilka en eller flera elektroner är bundna. Antalet protoner bestämmer vilket grundämne atomen är och ges som dess atomnummer. Till exempel har magnesium 12 protoner, vilket ger det atomnumret 12, medan syre har åtta. När atomer går samman blir de molekyler.
Elektroner och protoner har inte samma storlek och vikt – elektroner är mindre och lättare än protoner – men de har samma mängd laddning. Det vill säga, ett matchande antal protoner och elektroner tar ut varandra i termer av total laddning. Eftersom neutroner är neutrala påverkar deras antal inte laddningen av en atom.
Även om det totala antalet subatomära partiklar en atom har varierar, är atomer vanligtvis elektriskt balanserade, med lika många protoner och elektroner. Det betyder att atomer naturligt har en neutral laddning, men detta kan förändras genom att få eller förlora elektroner genom kemiska och fysikaliska processer. När en elektron går förlorad skiftar balansen med en extra proton, vilket ger atomen en positiv laddning. Det omvända är sant för negativt laddade atomer, som har fått en elektron. När partikelbalansen störs, vilket ger antingen en positiv eller negativ atom (eller molekyl), kallas de inte längre atomer. Istället är de joner, med positiva som kallas katjoner och negativa som kallas anjoner.
Laddning och beteende
Laddningen som ett föremål har påverkar hur det reagerar på sin omgivning. Katjoner attraheras till anjoner, till exempel, men stöts bort av andra katjoner. På liknande sätt stöter negativt laddade atomer bort varandra. Detta beteende kallas Coulombs lag.
Positiva atomer attraherar eller stöter inte bort neutrala, men genom ett fenomen som kallas elektrostatisk induktion kan en attraktion skapas. Detta beror på att elektronerna i vissa molekyler tenderar att bli mer rörliga när en positiv laddning är i närheten. Elektroner i den neutrala molekylen kan sedan röra sig mot källan till den positiva laddningen. Rörelsen skapar en negativ laddning vid den närmaste punkten till källan, även om molekylen är oförändrad totalt sett. Detta fenomen inträffar oftast med metaller, vilket är det som gör att en elektrisk laddning kan flöda genom dem.
Vardagsapplikationer
Många vardagliga föremål och processer använder sig av positiva laddningar. När tvätten tumlas i en torktumlare, till exempel, får rörelsen elektroner att flytta från atomerna på ytan av vissa föremål till andra, vilket ger klädesplagg olika laddningar. Det är detta som leder till statisk klamring, eftersom de nu positivt och negativt laddade partiklarna attraheras av varandra och får kläderna att hålla ihop. Torkarlakan innehåller vanligtvis kemikalier som har en positiv laddning, som smittar av sig på föremålen, vilket hjälper till att göra de negativa neutrala igen.
Ett annat exempel är laserskrivaren som skriver ut text och bilder på papper genom att skapa en serie positiva och negativa laddningar. När ett utskriftsjobb börjar ”skriver” lasern genom att överföra negativt laddad statisk elektricitet till en cylinder med positiv laddning. Toner, som också är positiv, appliceras sedan på cylindern och dras till de negativa områdena. Cylindern rullas sedan över ett ark negativt laddat papper och tonern binder till det.
Biologiska molekyler
Den sammanlagda summan av alla atomer och joner som ingår i en biologisk molekyl kallas dess nettoladdning. De flesta molekyler är totalt sett neutrala, men stora tenderar att ha ett eller flera diskreta områden som uppvisar en negativ eller positiv laddning. Dessa områden påverkar starkt hur molekylen viker sig och hur den interagerar med andra molekyler. Till exempel är DNA och RNA båda nukleinsyror, men de beter sig väldigt olika delvis eftersom deras laddningar är olika fördelade längs deras ytor.
Vetenskaplig forskning kräver ofta information om laddningar av atomer och molekyler eftersom det påverkar hur biologiskt aktiva molekyler beter sig. Ett särskilt område där manipulering av molekylära laddningar är mycket användbart är i rationell läkemedelsdesign. Forskare inom detta område arbetar för att utveckla mer effektiva mediciner, i vissa fall genom att manipulera laddningen av ett potentiellt läkemedel för att få det att interagera mer effektivt med sitt mål.