Električno polje je područje oko električnog naboja gdje drugi naboji djeluju na silu. Ovo polje je vektorsko polje, što znači da ima i veličinu i smjer. Električna polja temeljna su u proučavanju elektrostatike i daju kritične uvide u to kako naboji međusobno djeluju. Te su interakcije kamen temeljac mnogih pojava u fizici i inženjerstvu.
Električna polja stvaraju električni naboji ili različita magnetska polja. Snaga električnog polja \(E\) u točki u prostoru definirana je kao sila \(F\) po jedinici naboja \(q\) na koju djeluje mali pozitivni probni naboj postavljen na tu točku, matematički izražena kao: \( E = \frac{F}{q} \) Smjer polja je smjer sile na koju bi djelovao pozitivan probni naboj da je postavljen u polje.
Električno polje zbog točkastog naboja \(Q\) na udaljenosti \(r\) od naboja dano je Coulombovim zakonom: \( E = \frac{kQ}{r^2} \) gdje je \(k\) je Coulombova konstanta \(8.987 \times 10^9\, \textrm{N m}^2/\textrm{C}^2\) , \(Q\) je veličina naboja, a \(r\) je udaljenost od naboja do točke u kojoj se računa polje. Smjer polja je radijalan i udaljen od naboja ako je \(Q\) pozitivan i prema naboju ako je \(Q\) negativan.
Linije električnog polja su zamišljene linije nacrtane na način da je njihov smjer u bilo kojoj točki isti kao i smjer polja u toj točki. Oni omogućuju način vizualizacije električnih polja. Pravila za crtanje linija električnog polja su sljedeća:
Kada govorimo o električnom polju između dva točkasta naboja, neto električno polje u točki je vektorski zbroj polja koje stvara svaki naboj neovisno. Za naboje istog predznaka, linije polja se međusobno odbijaju, dok su za suprotne naboje linije usmjerene od pozitivnog prema negativnom naboju, što ukazuje na privlačnost.
Uniformno električno polje je ono u kojem je jakost polja ista u svakoj točki polja. To se obično prikazuje paralelnim, jednako razmaknutim linijama. Uobičajen primjer jednolikog električnog polja je polje između dvije velike paralelne vodljive ploče sa suprotnim nabojem. Jačina polja u jednoličnom električnom polju može se izračunati kao: \( E = \frac{V}{d} \) gdje je \(V\) razlika potencijala između ploča, a \(d\) udaljenost koja razdvaja ih.
Električni dipol se sastoji od dva jednaka i suprotna naboja međusobno udaljena malom udaljenosti. Uzorak polja za dipol pokazuje linije koje počinju na pozitivnom naboju i završavaju na negativnom naboju. Linije izvan dipola slične su onima kod jednog naboja na velikim udaljenostima, ali u području između naboja, linije pokazuju jasan uzorak koji je zakrivljen prema van prije nego što se zakrivi natrag prema negativnom naboju. Ovaj obrazac ilustrira neuniformnu prirodu električnog polja oko dipola.
Razumijevanje uzoraka električnog polja ključno je u projektiranju i analizi raznih električnih i elektroničkih uređaja. Od jednostavnog dizajna kondenzatora s jednolikim električnim poljima do složenih struktura u poluvodičkim uređajima gdje je kontrola uzoraka električnog polja ključna za njihov rad. Dodatno, obrasci električnog polja pomažu u razumijevanju fenomena u fizici plazme, formiranju munje, pa čak i u biološkim sustavima gdje se električna polja koriste u prijenosu živčanog signala.
Za vizualizaciju uzoraka električnog polja, jedan od uobičajenih pokusa je postavljanje vodljivog papira između dvije elektrode spojene na izvor napajanja i posipanje praha likopodija po papiru. Kada se primijeni napon, prah se rasporedi duž linija električnog polja, omogućujući izravno promatranje uzoraka. Ovaj eksperiment na opipljiv način pokazuje principe linija i uzoraka električnog polja.
Uzorci električnog polja pružaju vizualni i matematički okvir za razumijevanje interakcija između nabijenih čestica. Bilo da se radi o izračunavanju sile na naboj u jednoličnom električnom polju ili analizi složenih uzoraka u dipolnim poljima, koncept električnih polja i njihovih uzoraka kamen je temeljac u proučavanju elektrostatike i elektromagnetizma u cjelini.
