Електричне поле
Електричне поле описує, яку силу на одиничний позитивний заряд створює розподіл заряду в кожній точці простору: E=F/q. Для точкового заряду величина поля спадає як 1/r², а напрям іде від позитивного заряду та до негативного.
Поле як властивість простору
Замість опису “заряд миттєво тягне інший заряд” фізика вводить поле, створене джерелами. Пробний заряд відчуває F=qE. Поле існує як частина електромагнітного опису і не залежить від того, який саме малий пробний заряд ми уявно ставимо в точку.
Точковий заряд
У вакуумі E=k|Q|/r². Сферична симетрія пояснює обернено-квадратичну залежність: однаковий потік розподіляється по сферах площею 4πr². Знак Q задає напрям: назовні від +Q та всередину до −Q.
Суперпозиція
Поля від кількох зарядів додаються векторно. Не можна просто додати модулі, якщо напрями різні. Саме суперпозиція створює складні карти поля диполів, конденсаторів і молекулярних розподілів заряду.
Лінії поля
Лінії поля є графічним інструментом: дотична показує напрям E, а густота ліній умовно передає величину. Вони не є фізичними нитками і не можуть перетинатися в точці, де поле має єдиний напрям.
Провідники в електростатиці
У рівновазі електричне поле всередині ідеального провідника дорівнює нулю, а надлишковий заряд розміщується на поверхні. Інакше вільні носії продовжували б рухатися. Біля поверхні поле перпендикулярне до неї, якщо немає тангенціальної сили на заряди.
Закон Гауса
Потік E через замкнену поверхню дорівнює Qвсередині/ε₀. Закон завжди правильний, але особливо корисний для високої симетрії — сферичної, циліндричної або плоскої. Без симетрії він не дає величину поля одним простим кроком.
Енергія та сила
Поле може виконувати роботу над зарядом і пов’язане з потенціалом. Для статичного поля робота між двома точками не залежить від шляху. Це дозволяє переходити від векторного E до скалярного потенціалу V, коли така постановка зручніша.
Диполь і неоднорідне поле
Електричний диполь має нульовий сумарний заряд, але його поле далеко від системи не зникає миттєво. Дві протилежні заряджені частини створюють характерну кутову структуру. У неоднорідному полі диполь може відчувати не лише момент, який намагається його повернути, а й результуючу силу. Це важливо для полярних молекул і діелектрофорезу.
Вправа
Як зміниться величина електричного поля точкового заряду, якщо відстань збільшити вдвічі?
Розв’язання
Через залежність E∝1/r² поле стане у 4 рази меншим. Напрям не зміниться, якщо ми залишаємося на тій самій радіальній прямій відносно заряду.