Điện trường là vùng xung quanh một điện tích nơi các điện tích khác chịu tác dụng của lực. Trường này là trường vectơ, nghĩa là nó có cả độ lớn và hướng. Điện trường là nền tảng trong nghiên cứu tĩnh điện và cung cấp những hiểu biết quan trọng về cách các điện tích tương tác với nhau. Những tương tác này là nền tảng của nhiều hiện tượng trong vật lý và kỹ thuật.
Điện trường được tạo ra bởi điện tích hoặc từ trường biến thiên. Cường độ của điện trường \(E\) tại một điểm trong không gian được định nghĩa là lực \(F\) trên một đơn vị điện tích \(q\) tác dụng bởi một điện tích thử nghiệm dương nhỏ đặt tại điểm đó, được biểu thị bằng toán học như sau: \( E = \frac{F}{q} \) Hướng của trường là hướng của lực mà một điện tích dương thử nghiệm sẽ chịu nếu đặt trong điện trường.
Điện trường gây ra bởi một điện tích điểm \(Q\) ở khoảng cách \(r\) tính từ điện tích được cho bởi định luật Coulomb: \( E = \frac{kQ}{r^2} \) trong đó \(k\) là hằng số Coulomb \(8.987 \times 10^9\, \textrm{N m}^2/\textrm{C}^2\) , \(Q\) là độ lớn của điện tích và \(r\) là khoảng cách từ điện tích đến điểm cần tính trường. Hướng của trường là hướng tâm và hướng ra xa điện tích nếu \(Q\) dương và hướng về phía điện tích nếu \(Q\) âm.
Đường sức điện trường là những đường tưởng tượng được vẽ sao cho hướng của chúng tại một điểm bất kỳ trùng với hướng của điện trường tại điểm đó. Chúng cung cấp một cách để hình dung điện trường. Nguyên tắc vẽ đường sức điện như sau:
Khi xét điện trường giữa hai điện tích điểm, điện trường toàn phần tại một điểm là tổng vectơ của các trường do mỗi điện tích độc lập tạo ra. Đối với các điện tích cùng dấu, các đường sức đẩy nhau, trong khi đối với các điện tích trái dấu, các đường sức hướng từ điện tích dương sang điện tích âm, biểu thị lực hút.
Điện trường đều là điện trường trong đó cường độ điện trường tại mọi điểm trong điện trường là như nhau. Điều này thường được thể hiện bằng các đường thẳng song song, cách đều nhau. Một ví dụ phổ biến về điện trường đều là trường giữa hai bản dẫn điện lớn song song có điện tích trái dấu. Cường độ trường trong điện trường đều có thể được tính như sau: \( E = \frac{V}{d} \) trong đó \(V\) là hiệu điện thế giữa các bản và \(d\) là khoảng cách giữa các bản họ.
Một lưỡng cực điện bao gồm hai điện tích bằng nhau và trái dấu cách nhau một khoảng nhỏ. Mẫu trường của lưỡng cực hiển thị các đường bắt đầu ở điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm. Các đường bên ngoài lưỡng cực tương tự như các đường của một điện tích ở khoảng cách lớn, nhưng trong vùng giữa các điện tích, các đường biểu hiện một kiểu rõ rệt cong ra ngoài trước khi cong về phía điện tích âm. Mô hình này minh họa bản chất không đồng nhất của điện trường xung quanh một lưỡng cực.
Hiểu các mô hình điện trường là rất quan trọng trong việc thiết kế và phân tích các thiết bị điện và điện tử khác nhau. Từ thiết kế đơn giản của các tụ điện có điện trường đều đến các cấu trúc phức tạp trong các thiết bị bán dẫn trong đó việc điều khiển mô hình điện trường là cần thiết cho hoạt động của chúng. Ngoài ra, các mẫu điện trường giúp hiểu được các hiện tượng trong vật lý plasma, sự hình thành sét và thậm chí trong các hệ thống sinh học nơi điện trường được sử dụng để truyền tín hiệu thần kinh.
Để hình dung các mô hình điện trường, một thí nghiệm phổ biến là đặt một tờ giấy dẫn điện giữa hai điện cực nối với nguồn điện và rắc bột lycopodium lên giấy. Khi đặt một điện áp vào, bột sẽ tự sắp xếp dọc theo các đường sức điện trường, cho phép quan sát trực tiếp các mẫu. Thí nghiệm này thể hiện các nguyên lý của đường sức và mô hình điện trường một cách hữu hình.
Các mẫu điện trường cung cấp một khuôn khổ trực quan và toán học để hiểu được sự tương tác giữa các hạt tích điện. Cho dù đó là tính toán lực tác dụng lên điện tích trong điện trường đều hay phân tích các mẫu phức tạp trong trường lưỡng cực, khái niệm về điện trường và mẫu của chúng là nền tảng trong nghiên cứu về tĩnh điện và điện từ nói chung.
