Τι είναι ένα ηλεκτρικό πεδίο;

Ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να θεωρηθεί ως η σφαίρα επιρροής ενός ηλεκτρικά φορτισμένου αντικειμένου. Οτιδήποτε έχει ηλεκτρικό φορτίο θα επηρεάσει και θα επηρεαστεί από άλλα φορτισμένα σώματα. Εάν δύο φορτισμένα αντικείμενα τοποθετηθούν αρκετά κοντά το ένα στο άλλο, το καθένα θα βιώσει μια μετρήσιμη δύναμη που θα ασκήσει πάνω του. Το πεδίο είναι θεωρητικά άπειρο σε έκταση, αλλά το μέγεθός του μειώνεται με την απόσταση από την πηγή σύμφωνα με τον νόμο του αντίστροφου τετραγώνου. Αυτό σημαίνει ότι αν η απόσταση διπλασιαστεί, η ισχύς του πεδίου διαιρείται με το τέσσερα, και στο τριπλάσιο της απόστασης, η δύναμη διαιρείται με το εννέα, και ούτω καθεξής. το πεδίο επομένως γίνεται αμελητέο σε μεγάλες αποστάσεις.

Δεδομένου ότι ένα ηλεκτρικό φορτίο μπορεί να είναι θετικό ή αρνητικό, το ηλεκτρικό πεδίο είναι ένα διανυσματικό πεδίο, που σημαίνει ότι έχει κατεύθυνση καθώς και μέγεθος. Δύο ηλεκτρικά φορτισμένα αντικείμενα θα βιώσουν μια απωστική δύναμη εάν έχουν τον ίδιο τύπο φορτίου και μια ελκτική δύναμη εάν έχουν διαφορετικούς τύπους φορτίου. Η δύναμη που βιώνει ένα φορτισμένο αντικείμενο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να υπολογιστεί ως F = Eq, όπου F είναι η δύναμη σε Newton, E είναι το ηλεκτρικό πεδίο σε βολτ ανά μέτρο (v/m) και q είναι το φορτίο σε Coulombs. Αυτή η εξίσωση μπορεί να αναδιαταχθεί για να δώσει την ισχύ του πεδίου, E, σε βολτ ανά μέτρο: E = F/q. Αυτά τα παραδείγματα ισχύουν για μικρά, σημειακά, αντικείμενα. για πιο πολύπλοκα ή πολλαπλά φορτισμένα σώματα, οι υπολογισμοί είναι πιο περίπλοκοι.

Η κατεύθυνση ενός ηλεκτρικού πεδίου ορίζεται ως η κατεύθυνση στην οποία η ηλεκτρική δύναμη θα γίνει αισθητή από ένα αντικείμενο με θετικό φορτίο τοποθετημένο στο πεδίο. Έτσι, το πεδίο θα δείχνει μακριά από ένα θετικό φορτίο και προς ένα αρνητικό φορτίο, αφού τα όμοια φορτία απωθούνται και τα αντίθετα φορτία έλκονται. Στην περίπτωση δύο σωμάτων με τον ίδιο τύπο φορτίου, το καθένα θα δεχόταν μια δύναμη — υπολογίσιμη με την εξίσωση F = Eq — που κατευθύνεται μακριά από το άλλο αντικείμενο. Αντίθετα, για δύο αντίθετα φορτισμένα σώματα, το καθένα θα δεχόταν μια δύναμη που κατευθύνεται προς το άλλο αντικείμενο.

Μια γραμμή ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να σχεδιαστεί με ένα βέλος που δείχνει μακριά από ένα θετικό φορτίο και δείχνει προς ένα αρνητικό φορτίο. Έτσι, ένα θετικά φορτισμένο αντικείμενο θα απεικονιζόταν με γραμμές πεδίου που δείχνουν μακριά από αυτό προς όλες τις κατευθύνσεις και ένα αρνητικά φορτισμένο αντικείμενο με γραμμές πεδίου που συγκλίνουν πάνω του. Αυτό, ωστόσο, είναι απλώς μια σύμβαση και δεν υποδηλώνει ότι υπάρχει κάτι φυσικό που δείχνει προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Η έννοια του ηλεκτρικού πεδίου όπως περιγράφεται παραπάνω είναι μέρος της «κλασικής» φυσικής. Η κλασική περιγραφή λειτουργεί καλά για καθημερινές εφαρμογές, αλλά δεν εξηγεί τι συμβαίνει στην πραγματικότητα όταν φορτισμένα αντικείμενα έλκονται ή απωθούν το ένα το άλλο. Ένας κλάδος της κβαντικής θεωρίας γνωστός ως κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED), επιχειρεί να το κάνει αυτό με όρους ανταλλαγής φωτονίων, των φορέων της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.