Mikä on sähkökenttä?

Sähkökenttää voidaan pitää sähköisesti varautuneen esineen vaikutusalueena. Kaikki, jolla on sähkövaraus, vaikuttaa muihin varautuneisiin kappaleisiin ja vaikuttaa niihin. Jos kaksi varautunutta esinettä sijoitetaan riittävän lähelle toisiaan, kumpikin kokee niihin mitattavan voiman. Kenttä on teoreettisesti ääretön, mutta sen suuruus pienenee etäisyydellä lähteestä käänteisen neliölain mukaan. Tämä tarkoittaa sitä, että jos etäisyys kaksinkertaistetaan, kentän vahvuus jaetaan neljällä ja kolminkertaisella etäisyydellä vahvuus jaetaan yhdeksällä jne. kentästä tulee näin ollen merkityksetön suurilla etäisyyksillä.

Koska sähkövaraus voi olla positiivinen tai negatiivinen, sähkökenttä on vektorikenttä, mikä tarkoittaa, että sillä on suunta ja suuruus. Kaksi sähköisesti varautunutta esinettä kokee vastenmielisen voiman, jos niillä on samanlainen varaus, ja houkuttelevan voiman, jos niillä on erityyppisiä varauksia. Voima, jonka varautunut kohde kokee sähkökentässä, voidaan laskea muodossa F = Eq, missä F on voima newtoneina, E on sähkökenttä voltteina metriä kohti (v/m) ja q on varaus Coulombsissa. Tämä yhtälö voidaan järjestää uudelleen, jotta saadaan kentän vahvuus, E, voltteina metriä kohti: E = F/q. Nämä esimerkit koskevat pieniä, pisteellisiä esineitä; monimutkaisemmille tai useammille varatuille kappaleille laskelmat ovat monimutkaisempia.

Sähkökentän suunta määritellään suuntaan, jossa kentässä oleva positiivisen varauksen omaava kohde tuntee sähkövoiman. Siten kenttä osoittaisi pois positiivisesta varauksesta kohti negatiivista varausta, koska samanlaiset varaukset hylkivät ja toisin kuin maksut houkuttelevat. Jos kyseessä on kaksi kappaletta, joilla on samantyyppinen varaus, kummallakin olisi voima, joka lasketaan F = Eq -yhtälöllä ja joka on suunnattu pois toisesta kohteesta. Päinvastoin, kahden vastakkain varautuneen kappaleen kohdalla kumpikin kokisi voiman, joka kohdistui toiseen kohteeseen.

Sähkökentän viiva voidaan piirtää nuolella, joka osoittaa poispäin positiivisesta varauksesta ja kohti negatiivista varausta. Siten positiivisesti varautuva kohde olisi kuvattu siten, että kenttäviivat osoittavat poispäin siitä kaikkiin suuntiin, ja negatiivisesti varautunut kohde, jossa kenttäviivat lähestyvät sitä. Tämä on kuitenkin vain yleissopimus eikä osoita, että jotain fyysistä osoittaa tiettyyn suuntaan.

Edellä kuvattu sähkökentän käsite on osa ”klassista” fysiikkaa. Klassinen kuvaus toimii hyvin jokapäiväisissä sovelluksissa, mutta ei selitä, mitä todella tapahtuu, kun ladatut esineet houkuttelevat tai torjuvat toisiaan. Kvanttiteorian haara, joka tunnetaan nimellä kvanttelektrodynamiikka (QED), yrittää tehdä tämän fotonien, sähkömagneettisen voiman kantajien, vaihdon kannalta.