Pemindahan tenaga listrik terjadi karena aksi muatan listrik. Untuk penunjukan kuantitas listrik, maka muatan listrik biasanya dinyatakan dengan
Q atau
q dan diukur dalam
coulomb ( disingkat C ). Sebagai konvensi yang umumnya diikuti dalam buku ini, maka huruf-huruf besar di gunakan untuk menyatakan kuantitas-kuantitas yang tidak berubah dengan waktu ; huruf - huruf kecil menunjukkan kuantitas-kuantitas yang berubah dengan waktu. Walaupun kita dapat merasakan sebuah kawat atau benda yang serupa yang menangkut sebuah muatan namun sukar bagi kita untuk membayangkan muatan yang terpisah dari benda tersebut. Sifat dasar muatan listrik paling baik dimengerti dengan mempelajari pengaruh-pengaruh yang dihasilkan muatan tersebut. Pembenaran adanya partikel-partikel bermuatan didasarkan pada banyak sekali bukti nyata eksperimental dan model-model teoretis yang meramalkan sifat yang diamati
Salah satu di antara fenomena yang pertama diamati dalam pengkajian muatan listrik adalah bahwa ada dua macam muatan : yakni yang postif dan negatif.
Proton-proton dianggap bermuatan positif, dan
elektron-elektron dianggap bermuatan negatif. Muatan pada sebuah elektron, yang kadang-kadang dinamakan muatan elektron, adalah - 1,602 X 10⁻¹⁹ C sehingga hampir sebanyak 6,3 X 10¹⁸ elektron diperlukan untuk membentuk satu coulomb.
Sebuah efek yang paling penting dari sebuah muatan listrik adalah bahwa muatan listrik tersebut dapat menghasilkan gaya. Secara spesifik, maka sebuah muatan akan menolak muatan-muatan lain yang tandanya sama ; muatan tersebut akan menarik muatan-muatan lain yang tandanya berlawanan. Karena muatan pada sebuah elektron adalah negatif, maka setiap muatan yang menarik ( atau ditarik oleh ) sebuah elektron dengan demikian adalah sebuah muatan positif ; salah satu contohnya adalah muatan pada sebuah proton. Perhatikan bahwa gaya tarikan atau tolakan dirasakan sama besarnya oleh masing-masing muatan atau partikel-partikel bermuatan. Besarnya gaya di antara dua benda bermuatan sebanding dengan hasil kali muatan-muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara muatan-muatan tersebut. Yakni, gaya
F di antara dua benda yang bermuatan
Q₁ dan
Q₂ diberikan oleh hukum
Coulomb sebagai :
F =
k Q₁Q₂
d²
di mana
d adalah jarak di antara muatan-muatan dan
k adalah sebuah konstanta yang bergantung pada medium yang mengelilingi muatan-muatan tersebut. Arah gaya adalah sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan. Perhatikan bahwa persamaan ini adalah sama macamnya seperti hubungan yang mengatur gaya-gaya gravitas di antara dua massa. Hubungan seperti itu dinamakan
hukum kuadrat balik (
inverse square laws ).
Situasi ini dapat di jelaskan dengan mengatakan bahwa terdapat sebuah daerah pengaruh di sekitar sebuah muatan listrik yang di dalamnya akan dikerahkan sebuah gaya bila muatan baru ditempatkan dalam kedudukan yang lebih jauh. Daerah pengaruh sperti itu dinamakan sebuah
medan (
field ), medan yang ditimbulkan oleh kehadiran muatan-muatan listrik adalah sebuah
medan listrik (
electric field ). Karena kita sekarang membicarakan muatan yang diam, maka medan tersebut dapat dinamakan sebuah
medan elektrostatik (
electrostatic field ). Perhatikanlah sekali lagi keserupaannya yang umum dengan gaya gravitas dan gravitasi. Bila kita misalnya mengatakan, bahwa sebuah kendaraan ruang angkasa telah meninggalkan medan gravitasi bumi, maka kita mengartikan bahwa gaya gravitas yang beraksi pada kendaraan tersebut telah menjadi sangat kecil. Jelaslah bahwa pernyataan yang serupa dapat dibuat mengenai sebuah partikel bermuatan terhadap sebuah medan listrik.
Medan listrik didefinisikan di sebuah titik sebagai gaya per satuan muatan positif. Yakni, medan listrik di suatu titik adalah gaya, yang ditanyakan oleh besar dan arahnya, yang akan beraksi pada satu satuan muatan positif di titik tersebut. Kontribusi kepada medan seluruhnya di suatu titik dibuat oleh semua muatan yang cukup dekat untuk mempengaruhi besar dan arah medan tersebut.
Kita skearang sudah siap untuk memikirkan mengenai kerja dan perpindahan tenaga yang ada sangkut-pautnya dengan gaya listrik. Misalkan kita memindahkan sebuah muatan positif di dalam sebuah medan listrik dalam arah yang berlawanan dengan arah medan, yakni yang melawan gaya yang beraksi pada muatan tersebut yang ditimbulkan oleh muatan-muatan listrik yang lain. Misalnya, jika medan tersebut ditimbulkan oleh sebuah muatan negatif yang berada di dekatnya, maka kita akan menggerakan muatan positif tersebut semakin jauh dari muatan negatif tersebut. Nah kerja akan dilakukan di dalam menggerakan muatan untuk melawan gaya-gaya yang beraksi pada muatan tersebut, sama halnya sperti kerja yang dilakukan di dalam mengangkat sebuah berat dalam medan gravitasi bumi. Lagi pula, dalam hal ini berlaku hukum kekekalan tenaga ; yakni, partikel tersebut sekarang akan berada dalam sebuah kedudukan yang tenaga potensialnya lebih tinggi, sama halnya sperti berat yang diangkat akan memiliki tenaga potensial yang lebih besar. Akibatnya, kita dapat memikirkan penyimpanan tenaga dengan menggunakan medan tersebut dan seterusnya kita dapat memikirkan pemindahan tenaga ini untuk melakukan kerja.
Sebuah kuantitas listrik yang penting, yakni
selisih potensial (
potential difference ) atau
tegangan (
voltage ), akan didefinisikan sebagai kerja per satuan muatan positif di dalam menggerakan sebuah muatan di antara dua titik di dalam medan tersebut. Secara matematis, maka definisi ini dinyatakan sebagai :
V =
W atau
W =
VQ
Q
di mana
V adalah selisih potensial dalam
volt dan
W adalah kerja yang dilakukan di dalam mengankut sebuah muatan
Q di antara dua titik
a dan
b. Huruf
E digunakan juga untuk menyatakan tegangan; di dalam artikel ini, kedua huruf tersebut digunakan. Bila terdapat pilihan
E atau
V karena penggunaan yang lazim atau karena kebiasaan, maka pilihan tersebut harus diikuti. Karena kerja adalah gaya
F dikali jarak
l di antara
a dan
b dan karena kekuatan medan listrik ξ adalah gaya per satuan muatan, maka persamaan ini seringkali di berikan sebagai :
V =
F l = ξ l
Q
Dalam persamaan di atas dianggap bahwa gaya ( medan ) beraksi dalam arah yang didefinisikan oleh a dan b. Jika tenaga semakin besar sewaktu bergerak dari a ke b , maka terdapat suatu kenaikan tegangan dalam arah a ke b. Sebaliknya, akan terdapat suatu penurunan tegangan bila muatan positif yang sama kehilangan tenaga sewaktu bergerak dari b ke a. Jelaslah bahwa penurunan tegangan dari b ke a mempunyai nilai yang sama sperti kenaikan a ke b. Akan tetapi, kita perhatikan bahwa penurunan tegangan di antara b dan a adalah negatif dari kenaikan tegangan dari b ke a.
Kita mengenal alat-alat untuk mendapatkan kerja yang berguna dari berat yang bergerak ke kedudukan yang potensialnya lebih rendah dalam medan bumi. Barangkali yang paling berguna untuk dipikirkan adalah sebuah kincir air untuk mendapatkan kerja dari arus air yang terjun. Dalam cara yang kurang lebih analog dengan itu maka kita dapat memperoleh kerja dari arus muatan yang bergerak di bawah pengaruh gaya-gaya ke sebuah kedudukan yang potensialnya lebih rendah.
Pemikiran paragraf sebelumnya akan menyampaikan kita ke kesimpulan bahwa untuk tujuan teknik, maka kita terutama berminat untuk mempelajari muatan yang bergerak dan pemindahan tenaga resultan. Secara khas ( walaupun tidak secara eksklusif ) kita berminat mempelajari situasi di mana gerak tersebut dibatasi ke sebuah jalan tertentu yang dibentuk oleh bahan-bahan seperti tembaga dan alumunium, seperti yang telah diperlihatkan oleh pengalaman, adalah penghantar ( conductor ) listrik yang baik. Bertentangan dengan itu, maka bahan-bahan lain, seperti Bakelite, mirka, gelas, dan polietilen, dikenal sebagai penghantar yang sangat buruk. Bahan-bahan tersebut dinamakan isolator ( insulator ) dan digunakan untuk membatasi listrik ke jalan penghantar spesifik dengan membentuk rintangan kepada penyimpangan dari jalan-jalan ini, yang dinamakan rangkaian ( circuit ).
Banyaknya muatan yang bergerak per satuan waktu dinamakan arus ( current ). Bayangkanlah bahwa kita berdiri di sebuah titik dalam sebuah rangkaian dan mengamati muatan tersebut lewat. Misalkan kita melihat banyaknya muatan yang lewat persatuan waktu adalah uniform sebesar Q coulomb tiap-tiap t detik. Maka banyaknya muatan yang lewat per satuan waktu mempunyai nilai tetap sebesar :
I = Q
t
Seringkali banyaknya muatan yang mengalir per satuan waktu berubah dengan waktu, sehingga nilai arus tersebut pun berubah. Jadi, arus sesaat i di dalam sebuah rangkaian dapat di tuliskan sebagai :
i = dq atau q = ∫ i dt
dt
Satuan arus adalah ampere ( disingkat A ). Satu ampere terdapat bila arus mengalir sebanyak satu coulomb per detik. Kita harus menentukan arah dan ukuran arus tersebut. Secara historis, sebagai hasil percobaan Benyamin Franklin dengan kilat, maka sebuah arus positif disusun dari arus muata positif. Kita sekarang mengetahui bahwa arus dalam penghantar biasa terdiri dari pergeseran elektron, tetapi konvensi tersebut belum berubah. Arus positif berdasarkan definisi adalah arah aliran muatan positif, yang bertentangan dengan arah aliran elektron.
Dalam sebuah arus searah ( direct current ) ( dc ), aliran muatan semuanya adalah dalam satu arah untuk perioda waktu yang ditinjau. Contoh gambar sebagai berikut :
 |
| KUANTITAS - KUANTITAS LISTRIK FUNDAMENTAL |
memperlihatkan sebuah grafik arus searah sebagai fungsi waktu; secara lebih spesifik, maka grafik tersebut memperlihatkan sebuah arus searah yang tetap ( steady ), karena besarnya adalah konstan sebesar nilai I.
Dalam sebuah
arus bolak balik (
alternating current ) (
ac ), maka mula-mula muatan mengalir dalam satu arah dan kemudian dalam arah lain, dan mengulangi siklus ini dengan frekuensi tertentu. Variasi arus dengan waktu seringkali adalah seperti yang diperlihatkan gambar di bawah ini :
 |
| KUANTITAS - KUANTITAS LISTRIK FUNDAMENTAL |
