電子學/電荷
兩個原子走在街上。第一個原子對第二個原子說：“我想我丟失了一個電子！”第二個說：“你確定嗎？”第一個回答說：“我肯定！”
原子是物質的最小粒子，由質子、電子和中子構成。質子帶正電，電子帶負電，抵消質子的正電荷。中子是類似於質子的粒子，但帶中性電荷。除了同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引之外，正電荷和負電荷之間沒有區別。如果將一個單獨的正質子和負電子放置彼此附近，它們將結合在一起形成一個氫原子。這種排斥和吸引（靜止帶電粒子之間的力）被稱為靜電力，理論上延伸至無窮遠，但會隨著距離的增加而減弱。
原子和宇宙總體上都帶中性電荷，並具有相同數量的質子和電子。當一個原子缺少一個或多個電子時，它會帶正電，而當一個原子至少有一個額外的電子時，它會帶負電。帶正電或負電使原子成為離子。原子只有透過聚變、裂變和放射性才能獲得或失去質子和中子。儘管原子是由許多粒子構成，物體是由許多原子構成，但它們在排斥和吸引方面與帶電粒子表現相似。
在一個原子中，質子和中子結合在一起形成一個緊密結合的原子核。這個原子核周圍環繞著一個巨大的電子雲，這些電子在很大距離處繞著原子核運動，並透過電磁吸引力被束縛在質子附近。電子雲以一系列重疊的殼層/能帶形式存在，其中內部的價帶被電子填充，並與原子緊密結合。外部的導帶不包含電子，除非那些透過獲得能量而加速到導帶的電子。如果具有足夠的能量，電子將從原子中逸出。當導帶中的電子減速並落入另一個導帶或價帶，併發出一個光子時，就被稱為光電效應。
- 雷射：當電子在導帶之間來回運動，發出同步的光子時。
- 當導帶和價帶重疊時，原子為導體，允許電子自由移動。導體是金屬，可以看作是一堆原子核周圍環繞著一團“電子海”。
- 當導帶和價帶之間存在較大間隙時，原子為絕緣體，並捕獲電子。絕緣體是非金屬，擅長阻止電子流動。
- 當導帶和價帶之間存在很小間隙時，原子為半導體。半導體表現得像導體和絕緣體一樣，並利用導帶和價帶工作。外價帶中的電子被稱為空穴。由於它們流動的方式，它們表現得像正電荷一樣。在半導體中，電子與材料發生碰撞，它們的運動被阻止。這使得電子具有有效質量，小於其正常質量。在一些半導體中，空穴的有效質量大於導帶電子。
電子裝置基於利用導體、絕緣體和半導體之間的差異的理念。
在導體中，物體的電子可以自由移動。由於它們的排斥性質，價電子會離開物體的中心，並在其表面均勻分佈，以便儘可能地遠離彼此。這個空腔被稱為法拉第籠，它可以阻止輻射（例如電荷、無線電波和電磁脈衝）進入和離開物體。如果法拉第籠有孔，輻射就可以透過。
用導體做的一件有趣的事情是金屬球之間的電荷轉移。最初，球體是中性的。第一步是將球體 1 放在球體 2 旁邊，但不要接觸。這會導致球體 2 中的所有電子都從球體 1 處移動到球體 2 的另一端。因此，球體 2 現在有一個充滿了電子的負極和一個缺少電子的正極。接下來，球體 2 透過與連線到地球的導體接觸而接地，地球吸收了它的電子，使球體 2 帶正電荷。正電荷（缺少電子）由於缺少電子而均勻地分佈在表面。
在絕緣體中，物體的電子被卡住。這允許電荷透過摩擦起電效應在物體表面積聚。摩擦起電效應（摩擦產生的電效應）涉及兩種不同的絕緣體（如玻璃、硬橡膠、琥珀，甚至褲子的座位）相互接觸時電子交換。產生的電荷的極性和強度根據材料成分及其表面光滑度而有所不同。例如，用絲綢摩擦過的玻璃會積聚電荷，用毛皮摩擦過的硬橡膠也會積聚電荷。摩擦材料在一起會極大地增強這種效應。
- 范德格拉夫起電機：一種電荷泵（電子泵），產生靜電。在范德格拉夫起電機中，傳送帶使用摩擦來拾取電子，然後將電子沉積在金屬刷子上。最終結果是產生電荷差。
由於被摩擦的材料現在帶電，與未帶電的物體或帶相反電荷的物體接觸會導致積聚的靜電透過電火花放電。一個人僅僅走過地毯就可以積聚足夠的電荷，導致電火花跨越一釐米。電火花的力量足以吸引灰塵顆粒到布料上，破壞電氣裝置，點燃燃氣，產生閃電。在極端情況下，電火花會摧毀處理火藥和炸藥的工廠。去除靜電的最佳方法是透過接地放電。潮溼的空氣也會緩慢地放電靜電。這是電池和電容器隨著時間的推移會失去電荷的一個原因。
質子和電子具有相反但相等的電荷。因為在幾乎所有情況下，質子或電子的電荷都是最小的電荷，因此一個質子的電荷量被認為是一個正基本電荷，一個電子的電荷量被認為是一個負基本電荷。由於原子和這些粒子非常小，並且通常討論的是幾萬億個基本電荷的電荷量，因此通常使用一個更大的電荷單位。庫侖是電荷單位，可以用正數或負數表示，它大約等於 6.2415×1018 個基本電荷。因此，一個基本電荷大約等於 1.602 ×10-19 庫侖。庫侖的常用縮寫是大寫C。SI 中庫侖的定義是，當 1 安培 ( A ) 的電流透過某一點時，在 1 秒 ( s ) 內透過該點的電荷量，即 C = A s 或 A = C/s。一個安培是物理學中的一個基本單位，從它可以定義其他各種單位，例如庫侖。