우주에서의 모든 상호작용은 네 가지 범주, 곧 중력적, 전자기적, 강한, 약한 상호작용으로 나뉜다. 중력 이외에 매일 접해 친숙한 힘들인 점촉력, 줄 위의 장력 등등은 기본적으로 전자기적 상호작용일 것이다. 우리가 하나의 상호작용이라고 생각하는 것은 실제로는 전자와 원자들 사이의 수많은 미세한 상호작용의 결과이다. 전자기력은 전자를 핵에 묶어 원자와 분자를 이루게 한다. 전자기력은 마천루에서부터 인체에 이르기까지 액체와 고체를 이루도록 원자들을 서로 엮는다. 전자기학은 기술적으로 풍부하게 응용되는데, 특히 전파, 마이크로파, 빛 및 다른 형태의 전자기복사들은 진동하는 전기장과 자기장들로 구성되어 있다. 일상 생활에서 보여지는 대부분의 전자기적 현상은 복잡하다. 따라서 전자기 작용이 어떻게 일어나는지 알기 위해 좀더 간단한 상황을 공부하자. 전자기라는 합성어 자체는 완전히 분리된 힘이라고 생각되어 왔던 전기와 자기가 실제로는 똑같은 기본적 상호작용의 다른 측면이라는 것을 의미한다. 이러한 전기와 자기를 통합하는 연구는 19세기 말에 시작되었다.
인류는 적어도 3000년 동안 전기력의 존재를 잘 알고 있었다. 고대 그리스인은 보석을 만들기 위해 소나무 수액이 딱딱하게 화석화된 호박 조각들을 사용하였다. 호박 조각을 천에 비벼서 윤을 낼 때, 호박이 실이나 머리카락과 같은 작은 물체를 끌어당긴다는 사실이 관찰되었다. 오늘날에는 호박은 비벼서 대전되었다고 말하고, 호박과 옷감 사이에서 전하가 이동되었다고 말한다. 전기라(electric)라는 단어는 호박(elektron)을 뜻하는 그리스 단어에서 유래한다.
건조한 날에 구두를 신고 양탄자가 깔린 실내를 걸어갈 때 비슷한 현상이 나타난다. 양탄자와 구두 사이에서 그리고 구두와 인체 사이에서 전하가 이동된다. 여러분 신체에 쌓인ㅇ 전하의 일부가 갑작스레 손가락 끝에서 문손잡이로 혹은 친구에게로 이동해 큰 충격을 느끼게 하기도 한다.
전하의 형태
전하는 물체들을 비비는 과정에 의해 생성되는 것이 아니고, 단지 한 물체에서 다른 물체로 이동되는 것이다. 전하의 보존법칙은 물리학의 기본법칙으로 지금가지 예외가 없었다. 호박과 대전이 가능한 다른 물질과의 실험으로부터 전하에는 2가지 형태가 있다는 것을 알 수 있다. 프랭클린이 처음으로 그 전하들을 양전하(+)와 음전하(-)로 불렀다. 한 계에서 알짜 전하는 그 계 안의 구성입자들이 가지고 있는 전하의 대수적인 합으로, 양(+)의 부호와 음(-)의 부호가 모두 포함됨을 유의하라. 유리 조각을 비단에 문지를 때 유리는 양전하를 받고, 비단은 음전하를 받게 된다. 유리와 비단 이루어지는 전체계의 알짜 전하는 변하지 않는다. 전기적으로 중성인 물체는 양전하와 음전하의 수가 같아서 알짜 전하는 0이다. 전하량은 q 또는 Q로 표시한다.
보통의 물질은 전자, 양성자 및 중성자로 구성되어 있는 원자로 이루어져 있다. 양성자와 중성자는 핵에서 발견되므로 핵자라고 부른다. 중성자는 전기적으로 중성이다. 양성자와 전자의 전하량은 크기는 같으나 부호가 반대이다. 양성자의 전하가 양(+)의 전하로 택해져서 전자의 전하는 음(-)의 전하가 된다. 중성원자는 같은 수의 전자와 양성자를 가져 양전하와 음전하가 균형을 이룬다. 전자와 양성자의 수가 다른 원자를 이온이라 부르며, 알짜 전하가 0이 아니게 된다. 그 이온에 양성자보다 전자가 많으면 이온의 알자 전하는 음(-)이며, 만약 원자에 양성자보다 전자가 적으면 원자의 알자 전하는 양(+)이다.
기본 전하
양성자와 전자의 전하 크기는 같다. 그것의 전하량을 기본 전하(elementary charge, e)라 부른다. 전하의 SI 단위는 쿨롱(C)으로 e=1.602*10^-19[C] 보통의 물체는 양전하와 음전하 사이의 아주 적은 불균형만을 갖기 때문에 단위 쿨롱은 너무 커 사용이 불편하다. 그래서 종종 전하들은 밀리쿨롱(mC), 마이크로쿨롱, 나노쿨롱, 피코쿨롱으로 표시하기도 한다. 쿨롱은 두 개의 대전된 입자 사이의 전기적 힘을 관계식으로 유도한 프랑스 물리학자 쿨롱으로부터 왔다.
물질의 알짜 전하는 기본 전하의 정수배이다. 별의 내부나 대기 상층부 또는 입자 가속기 내부와 같은 색다른 장소에서 발견되는 특이한 물질에서조차 관력되는 전하량은 항상 e의 정수배이다.
중력과 전기력 사이의 중요한 차이점 중 하나는 전하는 양(+)과 음(-)의 두 부호를 갖는 반면, 질량은 항상 양(+)의 값만을 갖는 것이다. 두 질량 사이의 중력은 항상 인력인 반면에, 대전된 두 입자 사이의 전기력은 전하의 부호에 따라 인력과 척력이 될 수 있다. 같은 부호의 전하를 갖는 두 입자는 서로 밀치고, 반대 부호의 전하를 갖는 두 입자는 서로 당긴다. 간당히 정리하면 "같은 종류의 전하들은 서로 밀치고, 다른 종류의 전하들은 서로 당긴다." 전하를 띤 입자를 줄여서 전하라고 부른다.
분극
전기적으로 중성인 물체에 양전하와 음전하가 분리된 영역이 있을 수 있다. 이러한 물체를 분극(polarization)되었다고 한다. 분극된 물체는 알짜전하가 0이라도 전기력을 느낄 수 있다. 모피에 비벼서 음으로 대전된 고무막대는 작은 종이 조각을 끌어당긴다. 비단에 비벼서 양으로 대전된 유리막대의 경우도 마찬가지이다. 종이 조각은 전기적으로 중성이지만 대전된 막대는 종이를 분극시켜 종이 조각의 가까운 쪽에 있는 다른 종류의 전하를 당기고, 종이 조각 면 쪽에 있는 같은 종류의 전하를 밀어낸다.