المجال الكهربائي هو منطقة تحيط بشحنة كهربائية حيث تتأثر القوة بشحنات أخرى. هذا الحقل هو حقل متجه، مما يعني أن له حجمًا واتجاهًا. تعتبر المجالات الكهربائية أساسية في دراسة الكهرباء الساكنة وتوفر رؤى مهمة حول كيفية تفاعل الشحنات مع بعضها البعض. هذه التفاعلات هي حجر الزاوية في العديد من الظواهر في الفيزياء والهندسة.
يتم إنشاء المجالات الكهربائية عن طريق الشحنات الكهربائية أو عن طريق المجالات المغناطيسية المتغيرة. يتم تعريف قوة المجال الكهربائي \(E\) عند نقطة ما في الفضاء على أنها القوة \(F\) لكل وحدة شحن \(q\) التي تتعرض لها شحنة اختبار موجبة صغيرة موضوعة عند تلك النقطة، ويتم التعبير عنها رياضيًا على النحو التالي: \( E = \frac{F}{q} \) اتجاه المجال هو اتجاه القوة التي قد تتعرض لها شحنة الاختبار الموجبة إذا وضعت في المجال.
المجال الكهربائي الناتج عن شحنة نقطية \(Q\) على مسافة \(r\) من الشحنة يُعطى بموجب قانون كولوم: \( E = \frac{kQ}{r^2} \) حيث \(k\) هو ثابت كولوم \(8.987 \times 10^9\, \textrm{ن م}^2/\textrm{ج}^2\) ، \(Q\) هو حجم الشحنة، و \(r\) هي المسافة من الشحنة إلى النقطة التي يتم فيها حساب المجال. يكون اتجاه المجال شعاعيًا وبعيدًا عن الشحنة إذا كانت \(Q\) موجبة وباتجاه الشحنة إذا كانت \(Q\) سالبة.
خطوط المجال الكهربائي هي خطوط وهمية مرسومة بحيث يكون اتجاهها عند أي نقطة هو نفس اتجاه المجال عند تلك النقطة. أنها توفر وسيلة لتصور المجالات الكهربائية. قواعد رسم خطوط المجال الكهربائي هي كما يلي:
عند التعامل مع المجال الكهربائي بين شحنتين نقطيتين، فإن المجال الكهربائي الصافي عند نقطة ما هو المجموع المتجه للحقول التي أنشأتها كل شحنة بشكل مستقل. بالنسبة للشحنات التي لها نفس العلامة، فإن خطوط المجال تتنافر، أما بالنسبة للشحنات المتضادة، فإن الخطوط تتجه من الشحنة الموجبة إلى الشحنة السالبة، مما يدل على التجاذب.
المجال الكهربائي الموحد هو المجال الذي تكون فيه شدة المجال متساوية عند كل نقطة في المجال. يتم تمثيل ذلك عادةً بخطوط متوازية ومتباعدة بشكل متساوٍ. من الأمثلة الشائعة على المجال الكهربائي الموحد هو المجال الموجود بين لوحين موصلين كبيرين متوازيين ولهما شحنات متعاكسة. يمكن حساب شدة المجال في مجال كهربائي منتظم على النحو التالي: \( E = \frac{V}{d} \) حيث \(V\) هو فرق الجهد بين اللوحين و \(d\) هي المسافة الفاصلة هم.
يتكون ثنائي القطب الكهربائي من شحنتين متساويتين ومتعاكستين تفصل بينهما مسافة صغيرة. يُظهر نمط المجال لثنائي القطب الخطوط التي تبدأ عند الشحنة الموجبة وتنتهي عند الشحنة السالبة. تشبه الخطوط الموجودة خارج ثنائي القطب تلك الخاصة بشحنة واحدة على مسافات كبيرة، ولكن في المنطقة الواقعة بين الشحنات، تظهر الخطوط نمطًا مميزًا ينحني إلى الخارج قبل أن ينحني مرة أخرى نحو الشحنة السالبة. يوضح هذا النمط الطبيعة غير المنتظمة للمجال الكهربائي حول ثنائي القطب.
يعد فهم أنماط المجال الكهربائي أمرًا بالغ الأهمية في تصميم وتحليل الأجهزة الكهربائية والإلكترونية المختلفة. بدءًا من التصميم البسيط للمكثفات ذات المجالات الكهربائية الموحدة وحتى الهياكل المعقدة في أجهزة أشباه الموصلات حيث يعد التحكم في أنماط المجال الكهربائي أمرًا ضروريًا لتشغيلها. بالإضافة إلى ذلك، تساعد أنماط المجال الكهربائي في فهم الظواهر في فيزياء البلازما، وتشكل البرق، وحتى في الأنظمة البيولوجية حيث يتم استخدام المجالات الكهربائية في نقل الإشارات العصبية.
لتصور أنماط المجال الكهربائي، إحدى التجارب الشائعة هي وضع ورقة موصلة بين قطبين كهربائيين متصلين بمصدر طاقة ورش مسحوق الليكوبوديوم على الورقة. عند تطبيق جهد كهربائي، يقوم المسحوق بترتيب نفسه على طول خطوط المجال الكهربائي، مما يسمح بملاحظة الأنماط مباشرة. توضح هذه التجربة مبادئ خطوط وأنماط المجال الكهربائي بطريقة ملموسة.
توفر أنماط المجال الكهربائي إطارًا مرئيًا ورياضيًا لفهم التفاعلات بين الجسيمات المشحونة. سواء كان ذلك حساب القوة المؤثرة على شحنة في مجال كهربائي منتظم أو تحليل الأنماط المعقدة في المجالات ثنائية القطب، فإن مفهوم المجالات الكهربائية وأنماطها هو حجر الزاوية في دراسة الكهرباء الساكنة والكهرومغناطيسية ككل.
