Kaikki maailmassa, olipa se luonnollista tai synteettistä, koostuu pienistä rakenteista, joita kutsutaan atomeiksi ja jotka koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Protoneilla on positiivinen varaus, neutroneilla ei ole varausta ja elektroneilla on negatiivinen varaus. Näiden hiukkasten tasapaino määrittää atomin kokonaisvarauksen. Positiivisen varauksen omaava esine, kuten ihminen, joka hieroi voimakkaasti sukkapeitteisiä jalkoja matolla, sisältää enemmän positiivisia hiukkasia (protoneja) kuin negatiivisia (elektroneja). Koska positiiviset atomit houkuttelevat negatiivisia ja muut positiiviset hylkäävät niitä, aineen muodostavien atomien varaukset vaikuttavat voimakkaasti sen ominaisuuksiin ja käyttäytymiseen.
Atomivaraukset
Atomilla, jotka ovat aineen perusyksikkö, on protoneista ja neutroneista koostuva ydin, jonka ympärille yksi tai useampi elektroni on sitoutunut. Protonien lukumäärä määrittää, mikä alkuaine atomi on, ja se annetaan sen atominumerona. Esimerkiksi magnesiumissa on 12 protonia, mikä antaa sille atominumeron 12, kun taas hapella on kahdeksan. Kun atomit liittyvät yhteen, niistä tulee molekyylejä.
Elektroneilla ja protoneilla ei ole samaa kokoa ja painoa – elektronit ovat pienempiä ja kevyempiä kuin protonit – mutta niillä on sama määrä varausta. Toisin sanoen vastaava määrä protoneja ja elektroneja kumoaa toisensa kokonaisvarauksen suhteen. Koska neutronit ovat neutraaleja, niiden lukumäärä ei vaikuta atomin varaukseen.
Vaikka atomin subatomisten hiukkasten kokonaismäärä vaihtelee, atomit ovat tyypillisesti sähköisesti tasapainotettuja, ja protoneja ja elektroneja on yhtä paljon. Tämä tarkoittaa, että atomeilla on luonnostaan neutraali varaus, mutta tämä voi muuttua hankkimalla tai menettämällä elektroneja kemiallisten ja fysikaalisten prosessien kautta. Kun elektroni katoaa, tasapaino siirtyy ylimääräisellä protonilla, mikä antaa atomille positiivisen varauksen. Käänteinen pätee negatiivisesti varautuneisiin atomeihin, jotka ovat saaneet elektronin. Kun hiukkasten tasapaino häiriintyy, jolloin saadaan joko positiivinen tai negatiivinen atomi (tai molekyyli), niitä ei enää kutsuta atomeiksi. Sen sijaan ne ovat ioneja, joista positiivisia kutsutaan kationeiksi ja negatiivisiksi anioneiksi.
Maksu ja käyttäytyminen
Esineen varaus vaikuttaa siihen, miten se reagoi ympäristöönsä. Esimerkiksi anionit houkuttelevat kationeja, mutta muut kationit hylkivät niitä. Samoin negatiivisesti varautuneet atomit hylkivät toisiaan. Tätä käyttäytymistä kutsutaan Coulombin laiksi.
Positiiviset atomit eivät houkuttele tai hylkää neutraaleja, mutta sähköstaattisen induktion ilmiön avulla voidaan luoda vetovoima. Tämä johtuu siitä, että joidenkin molekyylien elektroneilla on taipumus muuttua liikkuvammiksi, kun positiivinen varaus on lähellä. Neutraalissa molekyylissä olevat elektronit voivat sitten liikkua kohti positiivisen varauksen lähdettä. Liike luo negatiivisen varauksen lähimpään kohtaan lähdettä, vaikka molekyyli on kokonaisuudessaan muuttumaton. Tämä ilmiö tapahtuu useimmiten metallien kanssa, mikä mahdollistaa sähkövarauksen virtauksen niiden läpi.
Päivittäiset sovellukset
Monet arjen esineet ja prosessit käyttävät positiivisia varauksia. Kun pyykki rullaa esimerkiksi kuivausrummussa, liike saa elektronit siirtymään joidenkin esineiden pinnalla olevista atomeista toisille, jolloin vaatekappaleille tulee erilaisia varauksia. Tämä johtaa staattiseen takertumiseen, koska nyt positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet hiukkaset vetäytyvät toisiinsa ja saavat vaatteet tarttumaan toisiinsa. Kuivauslevyt sisältävät tyypillisesti kemikaaleja, joilla on positiivinen varaus, joka hieroo pois esineitä ja auttaa tekemään negatiivisista taas neutraaleja.
Toinen esimerkki on lasertulostin, joka tulostaa tekstiä ja kuvia paperille luomalla sarjan positiivisia ja negatiivisia varauksia. Kun tulostustyö alkaa, laser “kirjoittaa” siirtämällä negatiivisesti varautuneen staattisen sähkön sylinteriin, jossa on positiivinen varaus. Väriaine, joka on myös positiivinen, levitetään sitten sylinteriin ja houkuttelee negatiiviset alueet. Sitten sylinteri rullataan negatiivisesti varautuneen paperiarkin poikki, ja väriaine sitoutuu siihen.
Biologiset molekyylit
Kaikkien biologiseen molekyyliin kuuluvien atomien ja ionien yhteismäärä tunnetaan sen nettovarauksena. Useimmat molekyylit ovat yleisesti neutraaleja, mutta suurissa molekyyleissä on yleensä yksi tai useampi erillinen alue, jolla on negatiivinen tai positiivinen varaus. Nämä alueet vaikuttavat voimakkaasti tapaan, jolla molekyyli taittuu ja miten se on vuorovaikutuksessa muiden molekyylien kanssa. Esimerkiksi DNA ja RNA ovat molemmat nukleiinihappoja, mutta ne käyttäytyvät osittain hyvin eri tavalla, koska niiden varaukset jakautuvat eri tavalla niiden pinnoille.
Tieteellinen tutkimus vaatii usein tietoa atomien ja molekyylien varauksista, koska se vaikuttaa biologisesti aktiivisten molekyylien käyttäytymiseen. Yksi tietty alue, jolla molekyylivarausten manipulointi on erittäin hyödyllistä, on järkevä lääkesuunnittelu. Tämän alan tutkijat pyrkivät kehittämään tehokkaampia lääkkeitä, joissakin tapauksissa manipuloimalla mahdollisen lääkkeen varausta, jotta se olisi tehokkaampi vuorovaikutuksessa kohteensa kanssa.