Tüm malzemeler atomlardan yapılmıştır ve normal hâllerinde elektriksel olarak nötrdürler, yani eşit sayıda pozitif yüklü proton ve negatif yüklü elektron barındırırlar. Ancak farklı elektriksel özelliklere sahip iki malzeme bir araya geldiğinde veya sürtünme ile temas ettiğinde, yüzey molekülleri etkileşerek elektriksel bir bağ oluşturur. Malzemelerin birbirinden ayrılması da sürtünme etkisi yaratır ve bu sürtünme kuvveti elektronları bir maddeden uzaklaştırıp diğeri üzerinde biriktirerek elektriksel bir dengesizlik meydana getirir.
Statik elektrik, bir cisimdeki negatif ve pozitif yüklerin arasındaki dengesizliği ifade eder. Bu yük dengesizliği fiziksel yollarla ortaya çıkar ve en yaygın nedeni katı cisimler arasındaki temastır. Protonların hareket etmesi mümkün olmadığından, statik elektrikte görülen hareketli yükler her zaman elektronlardır. Elektron kaybeden malzeme pozitif, elektron kazanan malzeme ise negatif yüklenmiş olur. Bu olayın teknik adı tribo-elektrifikasyondur ve genellikle statik elektrik olarak bilinir.
İnsan vücudunda biriken statik yükün hissedilebilir bir şok yaratması için deşarj geriliminin en az 3500 V olması gerekir; bu değerin altındaki gerilimleri hissetmek zordur. Yürüdüğümüzde ayakkabı tabanımız ile zemin arasındaki sürtünme statik yük oluşturur ve bu yük bir nesneye dokunana kadar vücut yüzeyinde kalır. Dokunma anında yüklerin hızlıca diğer nesneye atlamasına elektrostatik boşalma (deşarj) denir. Bu ani boşalma, parmak ile metal arasında 25.000 volta kadar ulaşabilen yüksek potansiyel farkından dolayı görünür ve duyulabilir bir kıvılcım oluşturabilir.
Elektrostatik deşarj, bir cisimde büyük miktarda yük birikmesi sonucu başka bir cisme doğru gerçekleşen hızlı ve kontrolsüz bir boşalma türüdür. Bu durum özellikle hassas yarı iletken cihazların üretildiği ve kullanıldığı elektronik endüstrisinde büyük bir tehlike kaynağıdır. Bir parmaktan gelen basit bir kıvılcım, hassas elektronik bileşenlerin iç devrelerine zarar vererek onları tamamen kullanılamaz hâle getirebilir.
ESD tehlikelerini önlemek için standart elektrostatik deşarj önleme prosedürleri uygulanmalıdır. İş istasyonları iletken masa tablalarına sahip olmalı ve uygun şekilde topraklanmalıdır. Çalışanlar elektrostatik yüklenme oluşturmayacak malzemelerden yapılmış eldiven ve giysiler giymeli, iletken veya anti-statik zeminler ile yer paspasları kullanmalıdır. Bilek bantlarının kısıtlayıcı olduğu alanlarda ayakkabı bantları tercih edilmelidir.
Ortamın nemlendirilmesi statik elektrik birikimini engellemede kritik bir rol oynar; bağıl nem %45 ile %60 arasında tutulmalıdır, çünkü nem azaldıkça statik elektrik üretimi katlanarak artar. Ayrıca statik yükü nötralize etmek için havayı iletken hâle getiren iyonlaşma cihazları kullanılmalı, hassas devre kartları ise iletken plastik torbalarda saklanmalı ve taşınmalıdır.
Yıldırım, fırtınalı hava olaylarında meydana gelen ani ve çok büyük boyutlu bir elektrostatik boşalmadır. Bu boşalma bir bulutun kendi içindeki yüklü bölgeleri arasında, iki farklı bulut arasında veya bir bulut ile yer arasında gerçekleşebilir. Atmosferde yükselen sıcak su damlacıkları ile yukarıdaki soğuk su damlacıklarının karşıt hareketi, sürtünme ve havanın karışması nedeniyle elektron değişimine yol açar. Bu durum bulutun tepesinde aşırı pozitif yük, dibinde ise yüksek miktarda negatif yük birikmesine neden olur.
Bulut ile yer arasındaki yıldırım deşarjlarının %90'ı negatif karakterlidir, yani buluttaki negatif yük bölgesinden başlayıp pozitif yüklü toprağa doğru yayılır. Geriye kalan %5'lik kısım ise bulut tabanındaki pozitif yüklerden kaynaklanır. Bulut tabanında çok yüksek bir alan gücü oluştuğunda, havanın iyonize olmasıyla bir korona bölgesi meydana gelir. Buradan aşağıya doğru flamalar şeklinde yaklaşık 50 metrelik adımlarla kademeli bir fırça deşarjı uzar ve yere yaklaşır.
Aşağı doğru inen öncü yükler yere yeterince yaklaştığında, yerdeki binalar ve ağaçlar gibi çıkıntılardan yukarı doğru ters polariteli yükler çekilir. İki yük birleştiğinde iletken yol tamamlanır ve ana geri dönüş vuruşu gerçekleşir. Bu dönüş vuruşu 400.000 Amper'e kadar akım taşıyabilir ve hızı lider deşarjın aşağı doğru hızından kat kat daha fazladır. Yıldırımın ana sıcaklığı yaklaşık 28.000 °C civarındadır ve düştüğü yerde muazzam bir yıkıcı güç açığa çıkarır.
Yıldırımdan korunmak amacıyla binalarda ve tesislerde farklı fiziksel koruma sistemleri kurulur. Bunlardan ilki, 1749 yılında Benjamin Franklin tarafından icat edilen ve yakalama ucu olarak da bilinen Franklin Çubuğu sistemidir. Bu sistem, binanın en yüksek noktasına monte edilen ve doğrudan topraklanan metal bir çubuktan oluşur. Yıldırım binaya çarpacağı zaman bu iletken çubuğa yönelir ve binanın ana yapısına zarar vermeden güvenli bir şekilde toprağa aktarılır.
İkinci yaygın yöntem Faraday Kafesi ile korumadır. Bu sistemde, yapının en yüksek kısımlarına yerleştirilen yakalama uçlarına ek olarak, çatıda ve dış cephede iletken bir ağ oluşturulur. Çatıdan zemine çoklu iletken yollar çekilerek bina adeta metal bir kafes içine alınır ve tüm iç metalik nesneler topraklama ağına bağlanarak eş potansiyel sağlanır.
Üçüncü yöntem ise Gerili Hat ile korumadır. Bu sistem, düzensiz mimariye sahip tekil binalarda, açık alanlarda, yüksek gerilim hatlarında ve yanıcı-patlayıcı depoların korunmasında tercih edilir. Korunacak yapının etrafına yerleştirilen bağımsız direkler arasına kalay kaplı bakır iletken teller gerilerek oluşturulur. Bu teller belirli bir sehim (sarkma) yapacak şekilde gerilir ve direkler üzerinden topraklama şeritlerine bağlanır.
Topraklama, bir elektrikli cihazın metalik gövdesini ve normalde gerilim altında olmayan bütün iletken kısımlarını, güvenlik amacıyla çok düşük dirence sahip bir iletken yardımıyla toprağa gömülmüş bir elektrota bağlama işlemidir. Topraklamanın temel amacı, cihazlarda oluşabilecek kaçak akımların insan hayatını tehlikeye atmasını önlemek, gerilimi sabit tutmak, yangın riskini azaltmak ve yıldırım gibi aşırı gerilimleri güvenli bir şekilde deşarj etmektir.
Topraklama genel olarak iki ana tipe ayrılır: Nötr Topraklaması (Sistem Topraklaması) ve Ekipman Topraklaması. Nötr topraklamasında, jeneratör veya transformatör gibi yıldız sargılı sistemlerin nötr noktası doğrudan toprağa bağlanır. Ekipman topraklamasında ise cihazların akım taşımayan dış metal gövdeleri toprağa bağlanarak, olası bir yalıtım hatasında arıza akımının insan üzerinden değil, toprak hattı üzerinden akması sağlanır.
Kullanım amaçlarına göre ise topraklama üç çeşittir: İşletme Topraklaması, Koruma Topraklaması ve Fonksiyon Topraklaması. İşletme topraklaması, enerji sisteminin nötr noktasının topraklanarak referans gerilim sağlanmasıdır. Koruma topraklaması, insanları tehlikeli dokunma gerilimlerine karşı korumak için yapılır. Fonksiyon topraklaması ise iletişim tesisleri, raylı sistemler ve parafudrlar gibi elemanların kendilerinden beklenen görevleri yerine getirebilmesi için yapılan özel topraklamadır.