Ett elektriskt fält är ett område runt en elektrisk laddning där en kraft upplevs av andra laddningar. Detta fält är ett vektorfält, vilket betyder att det har både storlek och riktning. Elektriska fält är grundläggande i studiet av elektrostatik och ger kritiska insikter om hur laddningar interagerar med varandra. Dessa interaktioner är hörnstenen i många fenomen inom fysik och teknik.
Elektriska fält skapas av elektriska laddningar eller av varierande magnetfält. Styrkan hos ett elektriskt fält \(E\) vid en punkt i rymden definieras som kraften \(F\) per enhetsladdning \(q\) som upplevs av en liten positiv testladdning placerad vid den punkten, matematiskt uttryckt som: \( E = \frac{F}{q} \) Fältets riktning är riktningen för kraften som en positiv testladdning skulle uppleva om den placerades i fältet.
Det elektriska fältet på grund av en punktladdning \(Q\) på ett avstånd \(r\) från laddningen ges av Coulombs lag: \( E = \frac{kQ}{r^2} \) där \(k\) är Coulombs konstant \(8.987 \times 10^9\, \textrm{N m}^2/\textrm{C}^2\) , \(Q\) är laddningens storlek, och \(r\) är avståndet från laddningen till den punkt där fältet beräknas. Fältets riktning är radiell och bort från laddningen om \(Q\) är positiv och mot laddningen om \(Q\) är negativ.
Elektriska fältlinjer är imaginära linjer ritade på ett sådant sätt att deras riktning vid vilken punkt som helst är densamma som riktningen för fältet vid den punkten. De ger ett sätt att visualisera elektriska fält. Reglerna för att rita elektriska fältlinjer är följande:
När man hanterar det elektriska fältet mellan två punktladdningar är det elektriska nettofältet vid en punkt vektorsumman av de fält som skapas av varje laddning oberoende. För laddningar av samma tecken stöter fältlinjerna bort varandra, medan för motsatta laddningar är linjerna riktade från den positiva till den negativa laddningen, vilket indikerar attraktion.
Ett enhetligt elektriskt fält är ett där fältstyrkan är densamma vid varje punkt i fältet. Detta representeras vanligtvis av parallella, jämnt fördelade linjer. Ett vanligt exempel på ett enhetligt elektriskt fält är fältet mellan två stora parallella ledande plattor med motsatta laddningar. Fältstyrkan i ett enhetligt elektriskt fält kan beräknas som: \( E = \frac{V}{d} \) där \(V\) är potentialskillnaden mellan plattorna och \(d\) är avståndet som separerar dem.
En elektrisk dipol består av två lika och motsatta laddningar åtskilda med ett litet avstånd. Fältmönstret för en dipol visar linjer som börjar vid den positiva laddningen och slutar vid den negativa laddningen. Linjerna utanför dipolen liknar de för en enda laddning på stora avstånd, men i området mellan laddningarna uppvisar linjerna ett distinkt mönster som kröker sig utåt innan de böjer sig tillbaka mot den negativa laddningen. Detta mönster illustrerar den olikformiga naturen hos det elektriska fältet runt en dipol.
Att förstå elektriska fältmönster är avgörande för att designa och analysera olika elektriska och elektroniska enheter. Från den enkla designen av kondensatorer med enhetliga elektriska fält till de komplexa strukturerna i halvledarenheter där kontroll av elektriska fältmönster är avgörande för deras funktion. Dessutom hjälper elektriska fältmönster till att förstå fenomen inom plasmafysik, blixtbildning och till och med i biologiska system där elektriska fält används för överföring av nervsignaler.
För att visualisera elektriska fältmönster är ett vanligt experiment att placera ett ledande papper mellan två elektroder anslutna till en strömkälla och strö lycopodiumpulver på papperet. När en spänning appliceras arrangerar pulvret sig längs de elektriska fältlinjerna, vilket gör att mönstren kan observeras direkt. Detta experiment demonstrerar principerna för elektriska fältlinjer och mönster på ett påtagligt sätt.
Elektriska fältmönster ger en visuell och matematisk ram för att förstå interaktionerna mellan laddade partiklar. Oavsett om det handlar om att beräkna kraften på en laddning i ett enhetligt elektriskt fält eller att analysera komplexa mönster i dipolfält, är begreppet elektriska fält och deras mönster en hörnsten i studiet av elektrostatik och elektromagnetism som helhet.
