Viskas pasaulyje, tiek natūrali, tiek sintetinė, susideda iš mažyčių struktūrų, vadinamų atomais, sudarytų iš protonų, neutronų ir elektronų. Protonai turi teigiamą krūvį, neutronai neturi, o elektronai turi neigiamą krūvį. Šių dalelių pusiausvyra lemia bendrą atomo krūvį. Teigiamą krūvį turinčiame objekte, kaip ir žmoguje, energingai trynęs kojinėmis apmautos pėdas ant kilimo, teigiamų dalelių (protonų) yra daugiau nei neigiamų (elektronų). Kadangi teigiamus atomus traukia neigiami ir atstumia kiti teigiami, atomų, sudarančių materijos gabalą, krūviai stipriai veikia jos savybes ir elgesį.
Atominiai užtaisai
Atomai, kurie yra pagrindinis materijos vienetas, turi branduolį, sudarytą iš protonų ir neutronų, aplink kuriuos yra surištas vienas ar daugiau elektronų. Protonų skaičius nustato, koks elementas yra atomas, ir pateikiamas kaip jo atominis skaičius. Pavyzdžiui, magnis turi 12 protonų, todėl jo atominis skaičius yra 12, o deguonis turi aštuonis. Kai atomai susijungia, jie tampa molekulėmis.
Elektronai ir protonai nėra vienodo dydžio ir svorio – elektronai yra mažesni ir lengvesni už protonus – tačiau jie turi tokį patį krūvį. Tai yra, atitinkamas protonų ir elektronų skaičius panaikina vienas kitą pagal bendrą krūvį. Kadangi neutronai yra neutralūs, jų skaičius neturi įtakos atomo krūviui.
Nors bendras atomų subatominių dalelių skaičius skiriasi, atomai paprastai yra elektriškai subalansuoti, turi vienodą protonų ir elektronų skaičių. Tai reiškia, kad natūraliai atomai turi neutralų krūvį, tačiau jis gali pasikeisti, įgyjant arba prarandant elektronus per cheminius ir fizinius procesus. Kai elektronas prarandamas, balansas pasislenka su papildomu protonu, suteikdamas atomui teigiamą krūvį. Atvirkščiai pasakytina apie neigiamo krūvio atomus, kurie įgijo elektroną. Kai sutrinka dalelių pusiausvyra ir susidaro teigiamas arba neigiamas atomas (arba molekulė), jos nebevadinamos atomais. Vietoj to, jie yra jonai, kurių teigiami vadinami katijonais, o neigiami – anijonais.
Mokestis ir elgesys
Objekto turimas krūvis turi įtakos jo reakcijai į aplinką. Pavyzdžiui, katijonus traukia anijonai, bet kiti katijonai juos atstumia. Panašiai neigiamo krūvio atomai atstumia vienas kitą. Toks elgesys vadinamas Kulono įstatymu.
Teigiami atomai nepritraukia ir neatstumia neutralių, tačiau per reiškinį, vadinamą elektrostatine indukcija, galima sukurti trauką. Taip nutinka todėl, kad kai kurių molekulių elektronai linkę tapti mobilesni, kai šalia yra teigiamas krūvis. Tada neutralioje molekulėje esantys elektronai gali judėti link teigiamo krūvio šaltinio. Judėjimas sukuria neigiamą krūvį arčiausiai šaltinio esančiame taške, nors molekulė apskritai nepakitusi. Šis reiškinys dažniausiai nutinka metalams, todėl per juos gali tekėti elektros krūvis.
Kasdienės programos
Daugelis kasdienių daiktų ir procesų naudoja teigiamus krūvius. Pavyzdžiui, kai skalbiniai slenka džiovykloje, dėl judėjimo elektronai iš vienų daiktų paviršiuje esančių atomų juda ant kitų, suteikdami drabužių gabalams skirtingą krūvį. Tai lemia statinį sukibimą, nes dabar teigiamai ir neigiamai įkrautos dalelės traukia viena kitą ir drabužius prilimpa. Džiovintuvų lakštuose paprastai yra cheminių medžiagų, turinčių teigiamą krūvį, kuris nusitrina ant daiktų ir padeda neigiamiems vėl tapti neutraliais.
Kitas pavyzdys yra lazerinis spausdintuvas, kuris spausdina tekstą ir vaizdus ant popieriaus, sukurdamas teigiamų ir neigiamų krūvių seriją. Kai prasideda spausdinimo užduotis, lazeris „rašo“ perkeldamas neigiamo krūvio statinę elektrą į cilindrą su teigiamu krūviu. Toneris, kuris taip pat yra teigiamas, užtepamas ant cilindro ir pritraukiamas prie neigiamų sričių. Tada cilindras vyniojamas ant neigiamo krūvio popieriaus lapo ir dažai sujungiami su juo.
Biologinės molekulės
Bendras visų atomų ir jonų, kurie yra biologinės molekulės dalis, suma yra žinoma kaip jos grynasis krūvis. Dauguma molekulių apskritai yra neutralios, tačiau didelės paprastai turi vieną ar daugiau atskirų sričių, kuriose yra neigiamas arba teigiamas krūvis. Šios sritys daro didelę įtaką molekulės susilankstymui ir sąveikai su kitomis molekulėmis. Pavyzdžiui, ir DNR, ir RNR yra nukleorūgštys, tačiau iš dalies jos elgiasi labai skirtingai, nes jų krūviai paviršiuose pasiskirsto skirtingai.
Moksliniams tyrimams dažnai reikia informacijos apie atomų ir molekulių krūvius, nes tai turi įtakos biologiškai aktyvių molekulių elgesiui. Viena sritis, kurioje labai naudinga manipuliuoti molekuliniais krūviais, yra racionalus vaistų kūrimas. Šios srities mokslininkai stengiasi sukurti veiksmingesnius vaistus, kai kuriais atvejais manipuliuodami galimo vaisto įkrova, kad jis veiksmingiau sąveikautų su savo taikiniu.