ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

1. Από το ιστορικό μπορούμε να θεωρήσουμε ότι τα ηλεκτρικά φορτία δημιουργούν στο γύρω χώρο τους ένα πεδίο, ανάλογο με το πεδίο βαρύτητας και το μαγνητικό πεδίο. Το πεδίο αυτό ονομάζεται ηλεκτρικό πεδίο.

Ορισμός του ηλεκτρικού πεδίου: Ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται ο χώρος, όπου ασκούνται ηλεκτρικές δυνάμεις σε κάθε ηλεκτρικό φορτίο, που υπάρχει σε αυτόν. 

Υπάρχουν δυο είδη ηλεκτρικού πεδίου: Το ηλεκτροστατικό και το μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο.

Στην ενότητα αυτή με τον όρο ηλεκτρικό πεδίο θα εννοούμε το ηλεκτροστατικό πεδίο. 

Υπενθύμιση: Τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία, δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα, δημιουργούν γύρω τους εκτός από ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο.

2. Ένταση του ηλεκτρικού πεδίου

Για να περιγράψουμε το ηλεκτρικό πεδίο πρέπει σε κάθε σημείο του να μπορούμε να υπολογίζουμε τη δύναμη -κατά μέτρο, διεύθυνση και φορά- που θα ασκηθεί σε ένα ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο θα βρεθεί σε συγκεκριμένο σημείο του πεδίου.

Η πειραματική έρευνα έδειξε ότι:

Αν σε ένα σημείο του πεδίου τοποθετηθεί ένα σφαιρίδιο φορτισμένο με θετικό ηλεκτρικό φορτίο +q, τότε σε αυτό ασκείται ορισμένη δύναμη F. Αν το φορτίο γίνει +2q  η δύναμη θα γίνει 2F (Διπλάσιο μέτρο και ίδια διεύθυνση και φορά).

Συμπέρασμα Το μέτρο της δύναμης είναι ανάλογο του φορτίου.   

Ο λόγος F/q αποτελεί το χαρακτηριστικό φυσικό μέγεθος του πεδίου, το οποίο ονομάζουμε ένταση του ηλεκτρικού πεδίου.

Ορισμός: Ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, είναι ο σταθερός λόγος της δύναμης F, που ασκείται σε φορτίο q τοποθετημένο στο παραπάνω σημείο, προς το φορτίο.

E = F/q 

• Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι διανυσματικό μέγεθος, όπως και η δύναμη.
• Μέτρο της είναι το πηλίκο F/q και
• Έχει διεύθυνση και φορά ίδια με τη διεύθυνση και φορά της δύναμης F.

Μονάδα μέτρησης είναι το 1N/C (Νιούτον ανά Κουλόμπ), η οποία είναι ισοδύναμη με τη μονάδα 1V/m, που χρησιμοποιείται περισσότερο.

1V/m=1N/C

Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι ανεξάρτητη από το είδος του φορτίου q στη σχέση ορισμού της. Αν στη θέση του θετικού φορτίου τοποθετηθεί αρνητικό η δύναμη που ασκείται σε αυτό είναι αντίθετης φοράς σύμφωνα με το Νόμο του Κουλόμπ. Το πηλίκο (-F)/(-q) έχει την ίδια τιμή με το  F/q. Επομένως δεν αλλάζει η φορά της έντασης.  

Αν είναι γνωστή η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο του, η δύναμη που ασκείται σε οποιοδήποτε σημειακό φορτίο q, που τοποθετείται στο σημείο αυτό, είναι

F = q * E

Η πιο απλή περίπτωση ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο του είναι το ηλεκτρικό πεδίο γύρω από ένα ακίνητο σημειακό φορτίο  Q. Εάν σε απόσταση r από το φορτίο τοποθετηθεί ένα θετικό σημειακό φορτίο +q, σύμφωνα με το Νόμο του     Κουλόμπ, θα ασκηθεί σε αυτό απωστική δύναμη: F = Q*q/4πεr²

Όπου 

F η ασκούμενη δύναμη σε Ν

r η απόσταση του φορτίου q από το Q σε m

Q, q τα φορτία σε C

ε η διηλεκτρική σταθερά του υλικού, μέσα στο οποίο βρίσκονται τα φορτία  

• Για το κενό η διηλεκτρική σταθερά έχει τιμή ε₀ ≈ 8,85418× 10⁻¹² Cb²/Ntm² 
• Για τα άλλα μονωτικά υλικά η διηλεκτρική σταθερά ε δίνεται από τη σχέση ε = ε_r * ε₀

Όπου ε_r η σχετική διηλεκτρική σταθερά

Είναι καθαρός αριθμός

Δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερη είναι η διηλεκτρική σταθερά του υλικού από τη διηλεκτρική σταθερά του κενού.

• Για τον ατμοσφαιρικό αέρα λαμβάνεται κατά προσέγγιση ε_r = 1

Θεωρείται δηλαδή ότι η διηλεκτρική σταθερά του αέρα είναι ίδια με του κενού.

• Σύμφωνα με τον ορισμό της έντασης

     Ε = F/q

     F = Q*q/4πεr²         Από τις τρεις αυτές σχέσεις, προκύπτει    E = Q/4πε₀ε_rr² 

     ε = ε_r * ε₀

Η τελευταία σχέση μας δίνει την ένταση του πεδίου σε κάθε σημείο του χώρου που απέχει απόσταση r από το σημειακό φορτίο +Q.  

3. Εάν στη θέση του φορτίου +Q τοποθετηθεί φορτίο –Q η φορά της έντασης είναι αντίθετη

Σύμφωνα με τα παραπάνω, για το πεδίο γύρω από ένα σημειακό φορτίο, έχουμε

• Η διεύθυνση της έντασης Ε σε ένα σημείο του πεδίου, καθώς και της δύναμης F είναι ευθεία που ενώνει το φορτίο Q με το σημείο.
• Η φορά της έντασης Ε και της δύναμης F είναι από το φορτίο Q προς το σημείο αν το φορτίο είναι θετικά φορτισμένο και αντίθετη, αν το φορτίο Q είναι αρνητικό.
• Το μέτρο της έντασης Ε μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης r του σημείου από το φορτίο.
• Τα σημεία του χώρου που βρίσκονται σε ομόκεντρες σφαιρικές επιφάνειες με κέντρο το φορτίο Q έχουν ένταση Ε με το ίδιο μέτρο και φορά, αλλά διαφορετική διεύθυνση.