Електричне поле — це область навколо електричного заряду, на яку діють інші заряди. Це поле є векторним полем, тобто воно має як величину, так і напрямок. Електричні поля є фундаментальними у вивченні електростатики та дають критичне розуміння того, як заряди взаємодіють один з одним. Ці взаємодії є наріжним каменем багатьох явищ у фізиці та техніці.
Електричні поля створюються електричними зарядами або змінними магнітними полями. Напруженість електричного поля \(E\) у точці простору визначається як сила \(F\) на одиницю заряду \(q\) , яку відчуває невеликий позитивний пробний заряд, розміщений у цій точці, математично виражений як: \( E = \frac{F}{q} \) Напрямок поля — це напрямок сили, яку випробовував би позитивний пробний заряд, якщо його помістити в поле.
Електричне поле через точковий заряд \(Q\) на відстані \(r\) від заряду визначається законом Кулона: \( E = \frac{kQ}{r^2} \) де \(k\) — постійна Кулона \(8.987 \times 10^9\, \textrm{Н м}^2/\textrm{C}^2\) , \(Q\) — величина заряду, а \(r\) — відстань від заряду до точки, де обчислюється поле. Напрямок поля радіальний і спрямований від заряду, якщо \(Q\) позитивний, і в бік заряду, якщо \(Q\) негативний.
Лінії електричного поля — це уявні лінії, проведені таким чином, що їх напрямок у будь-якій точці збігається з напрямком поля в цій точці. Вони забезпечують спосіб візуалізації електричних полів. Правила малювання ліній електричного поля такі:
Коли мова йде про електричне поле між двома точковими зарядами, сумарне електричне поле в точці є векторною сумою полів, створених кожним зарядом незалежно. Для зарядів одного знака лінії поля відштовхуються, а для протилежних зарядів лінії спрямовані від позитивного заряду до негативного, що свідчить про притягання.
Однорідне електричне поле — це поле, напруженість якого однакова в кожній точці поля. Зазвичай це зображується паралельними лініями на однаковій відстані. Типовим прикладом однорідного електричного поля є поле між двома великими паралельними провідними пластинами з протилежними зарядами. Напруженість поля в однорідному електричному полі можна обчислити як: \( E = \frac{V}{d} \) де \(V\) — різниця потенціалів між пластинами, а \(d\) — відстань, що розділяє їх.
Електричний диполь складається з двох рівних і протилежних зарядів, розділених невеликою відстанню. Схема поля для диполя показує лінії, які починаються з позитивного заряду і закінчуються на негативному заряді. Лінії за межами диполя подібні до ліній одного заряду на великих відстанях, але в області між зарядами лінії демонструють чіткий візерунок, який вигинається назовні, а потім повертається назад до негативного заряду. Ця закономірність ілюструє неоднорідність електричного поля навколо диполя.
Розуміння моделей електричного поля має вирішальне значення при проектуванні та аналізі різних електричних та електронних пристроїв. Від простої конструкції конденсаторів з рівномірними електричними полями до складних структур у напівпровідникових пристроях, де керування структурою електричного поля є важливим для їх роботи. Крім того, моделі електричних полів допомагають зрозуміти явища у фізиці плазми, утворенні блискавок і навіть у біологічних системах, де електричні поля використовуються для передачі нервових сигналів.
Щоб візуалізувати картини електричного поля, один з поширених експериментів полягає в тому, щоб помістити провідний папір між двома електродами, підключеними до джерела живлення, і посипати на папір порошок лікоподіуму. Коли подається напруга, порошок розташовується вздовж ліній електричного поля, дозволяючи безпосередньо спостерігати візерунки. Цей експеримент відчутно демонструє принципи ліній і моделей електричного поля.
Шаблони електричного поля забезпечують візуальну та математичну основу для розуміння взаємодії між зарядженими частинками. Незалежно від того, чи йдеться про обчислення сили, що діє на заряд в однорідному електричному полі, чи про аналіз складних моделей у дипольних полях, концепція електричних полів та їх структур є наріжним каменем у вивченні електростатики та електромагнетизму в цілому.
