میدان الکتریکی ناحیه ای در اطراف بار الکتریکی است که در آن نیرویی توسط بارهای دیگر تجربه می شود. این میدان یک میدان برداری است، یعنی هم قدر و هم جهت دارد. میدان های الکتریکی در مطالعه الکترواستاتیک اساسی هستند و بینش های مهمی را در مورد نحوه تعامل بارها با یکدیگر ارائه می دهند. این فعل و انفعالات سنگ بنای بسیاری از پدیده ها در فیزیک و مهندسی هستند.
میدان های الکتریکی توسط بارهای الکتریکی یا میدان های مغناطیسی متغیر ایجاد می شوند. قدرت میدان الکتریکی \(E\) در یک نقطه از فضا به عنوان نیروی \(F\) در واحد بار \(q\) که توسط یک بار آزمایشی مثبت کوچک در آن نقطه ایجاد می شود تعریف می شود که از نظر ریاضی به صورت زیر بیان می شود: \( E = \frac{F}{q} \) جهت میدان جهت نیرویی است که یک بار آزمایشی مثبت در صورت قرار گرفتن در میدان تجربه می‌کند.
میدان الکتریکی ناشی از بار نقطه ای \(Q\) در فاصله \(r\) از بار توسط قانون کولن به دست می آید: \( E = \frac{kQ}{r^2} \) که در آن \(k\) ثابت کولن \(8.987 \times 10^9\, \textrm{N m}^2/\textrm{سی}^2\) ، \(Q\) مقدار بار است و \(r\) فاصله از شارژ تا نقطه ای است که میدان در حال محاسبه است. اگر \(Q\) مثبت باشد جهت میدان شعاعی و دور از بار و اگر \(Q\) منفی باشد به سمت بار است.
خطوط میدان الکتریکی خطوطی خیالی هستند که به گونه ای ترسیم می شوند که جهت آنها در هر نقطه با جهت میدان در آن نقطه یکسان باشد. آنها راهی برای تجسم میدان های الکتریکی ارائه می دهند. قوانین ترسیم خطوط میدان الکتریکی به شرح زیر است:
هنگامی که با میدان الکتریکی بین دو بار نقطه ای سروکار داریم، میدان الکتریکی خالص در یک نقطه، مجموع بردار میدان هایی است که توسط هر بار به طور مستقل ایجاد می شود. برای بارهای یک علامت، خطوط میدان یکدیگر را دفع می کنند، در حالی که برای بارهای مخالف، خطوط از بار مثبت به بار منفی هدایت می شوند که نشان دهنده جاذبه است.
میدان الکتریکی یکنواخت میدانی است که در آن شدت میدان در هر نقطه از میدان یکسان باشد. این معمولاً با خطوط موازی و با فاصله مساوی نشان داده می شود. یک مثال رایج از میدان الکتریکی یکنواخت، میدان بین دو صفحه رسانای موازی بزرگ با بارهای مخالف است. شدت میدان در یک میدان الکتریکی یکنواخت را می توان به صورت زیر محاسبه کرد: \( E = \frac{V}{d} \) که \(V\) اختلاف پتانسیل بین صفحات و \(d\) فاصله جداسازی است. آنها
دوقطبی الکتریکی از دو بار مساوی و متضاد تشکیل شده است که با فاصله کمی از هم جدا شده اند. الگوی میدان برای یک دوقطبی خطوطی را نشان می دهد که با بار مثبت شروع می شوند و به بار منفی ختم می شوند. خطوط خارج از دوقطبی شبیه خطوط یک بار منفرد در فواصل زیاد هستند، اما در ناحیه بین بارها، خطوط الگوی مشخصی را نشان می‌دهند که قبل از اینکه به سمت بار منفی منحنی شوند به سمت بیرون منحنی می‌شوند. این الگو ماهیت غیر یکنواخت میدان الکتریکی اطراف یک دوقطبی را نشان می دهد.
درک الگوهای میدان الکتریکی در طراحی و تجزیه و تحلیل دستگاه های مختلف الکتریکی و الکترونیکی بسیار مهم است. از طراحی ساده خازن ها با میدان های الکتریکی یکنواخت گرفته تا ساختارهای پیچیده در دستگاه های نیمه هادی که کنترل الگوهای میدان الکتریکی برای عملکرد آنها ضروری است. علاوه بر این، الگوهای میدان الکتریکی به درک پدیده‌های فیزیک پلاسما، تشکیل رعد و برق و حتی در سیستم‌های بیولوژیکی که در آن از میدان‌های الکتریکی در انتقال سیگنال عصبی استفاده می‌شود، کمک می‌کند.
برای تجسم الگوهای میدان الکتریکی، یک آزمایش رایج این است که یک کاغذ رسانا را بین دو الکترود متصل به منبع تغذیه قرار داده و پودر لیکوپودیوم را روی کاغذ بپاشیم. هنگامی که یک ولتاژ اعمال می شود، پودر خود را در امتداد خطوط میدان الکتریکی قرار می دهد و اجازه می دهد که الگوها به طور مستقیم مشاهده شوند. این آزمایش اصول خطوط و الگوهای میدان الکتریکی را به صورت ملموس نشان می دهد.
الگوهای میدان الکتریکی یک چارچوب بصری و ریاضی برای درک فعل و انفعالات بین ذرات باردار ارائه می کنند. خواه محاسبه نیروی بار در یک میدان الکتریکی یکنواخت یا تجزیه و تحلیل الگوهای پیچیده در میدان های دوقطبی باشد، مفهوم میدان های الکتریکی و الگوهای آنها سنگ بنای مطالعه الکترواستاتیک و الکترومغناطیس به عنوان یک کل است.
