สนามไฟฟ้า

แม่แบบ:Infobox physical quantity สนามไฟฟ้า (แม่แบบ:Langx) คือ ปริมาณซึ่งใช้บรรยายการที่ประจุไฟฟ้าทำให้เกิดแรงกระทำกับอนุภาคมีประจุภายในบริเวณโดยรอบ หน่วยของสนามไฟฟ้า คือ นิวตันต่อคูลอมบ์ หรือโวลต์ต่อเมตร (มีค่าเท่ากัน) สนามไฟฟ้านั้นประกอบขึ้นจากโฟตอนและมีพลังงานไฟฟ้าเก็บอยู่ ซึ่งขนาดของความหนาแน่นของพลังงานขึ้นกับกำลังสองของความหนาแน่นของสนาม ในกรณีของไฟฟ้าสถิต สนามไฟฟ้าประกอบขึ้นจากการแลกเปลี่ยนโฟตอนเสมือนระหว่างอนุภาคมีประจุ ส่วนในกรณีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้น สนามไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปพร้อมกับสนามแม่เหล็ก โดยมีการไหลของพลังงานจริง และประกอบขึ้นจากโฟตอนจริง

นิยามและที่มา

นิยามทางคณิตศาสตร์ของสนามไฟฟ้ากำหนดไว้ดังนี้ กฎของคูลอมบ์ (Coulomb's law) กล่าวว่าแรงกระทำระหว่างอนุภาคมีประจุสองอนุภาค มีค่าเท่ากับ

$𝐅=\frac{1}{4\pi {ϵ}_0}\frac{q_1{q}_2}{r^2}\widehat{𝐫}(1)$

เมื่อ

• ${ϵ}_0$ (อ่านว่า เอปสิลอน-นอท) คือ สภาพยอมของสุญญากาศ ซึ่งเป็นค่าคงตัวทางฟิสิกส์ตัวหนึ่ง;
• $q_1$ และ $q_2$ คือ ประจุไฟฟ้าของอนุภาคแต่ละตัว;
• $r$ คือ ระยะทางระหว่างอนุภาคทั้งสอง;
• $\hat{r}$ คือ เวกเตอร์หนึ่งหน่วย ซึ่งชี้จากอนุภาคตัวหนึ่งไปอีกตัว

ในระบบหน่วยเอสไอ หน่วยของแรง คือ นิวตัน, หน่วยของประจุ คือ คูลอมบ์, หน่วยของระยะทาง คือ เมตร ดังนั้น ${ϵ}_0$ มีหน่วยเป็น C²/ (N·m²) ค่านี้ได้หาได้จากการทดลองโดยไม่มีทฤษฎีกำหนด

สมมุติว่าอนุภาคตัวหนึ่งอยู่นิ่ง และอนุภาคอีกตัวเป็น "ประจุทดสอบ" จากสมการด้านบนจะเห็นว่าแรงกระทำที่เกิดขึ้นบนประจุทดสอบนั้นแปรผันตรงกับขนาดของประจุทดสอบ นิยามของสนามไฟฟ้า คือ อัตราส่วนคงที่ระหว่างขนาดของประจุและขนาดของแรงที่เกิดขึ้น คือ สูตร

$𝐅=q𝐄$

$𝐄=\frac{1}{4\pi {ϵ}_0}\frac{Q}{r^2}\widehat{𝐫}$

สมการนี้เป็นจริงเฉพาะในกรณีไฟฟ้าสถิต (คือกรณีที่ประจุไม่มีการเคลื่อนที่) เท่านั้น ถ้าพิจารณากรณีทั่วไปซึ่งประจุมีการเคลื่อนที่ด้วย สมการด้านบนจะต้องกลายเป็นสมการของลอเรนซ์

คุณสมบัติ

สมการที่ (1) แสดงให้เห็นว่าสนามไฟฟ้ามีค่าขึ้นกับตำแหน่ง สนามไฟฟ้าจากประจุตัวหนึ่งจะมีค่าลดลงเรื่อยๆ ณ ตำแหน่งที่ห่างออกจากประจุนั้น โดยขนาดจะลดลงเป็นอัตราส่วนของกำลังสองของระยะทางจากตัวประจุ

สนามไฟฟ้าปฏิบัติตัวตามหลักการซ้อนทับ นั่นคือ หากมีประจุไฟฟ้ามากกว่าหนึ่งตัวในระบบแล้ว สนามไฟฟ้า ณ ตำแหน่งใด ๆ ในระบบจะมีค่าเท่ากับผลรวมแบบเวกเตอร์ของสนามไฟฟ้าซึ่งเกิดจากประจุแต่ละตัวเดี่ยว ๆ

$E_{tot}=E_1+E_2+E_3\dots$

หากเราขยายหลักการนี้ไปสู่กรณีที่ประจุไฟฟ้ามีจำนวนเป็นอนันต์ สมการจะกลายเป็น

$𝐄=\frac{1}{4\pi {ϵ}_0}\int \frac{\rho }{r^2}\widehat{𝐫}{d}^3𝐫$

เมื่อ ρ คือความหนาแน่นของประจุ หรือจำนวนประจุไฟฟ้าต่อหน่วยปริมาตร

สนามไฟฟ้านั้นมีค่าเท่ากับค่าลบของ เกรเดียนต์ของศักย์ไฟฟ้า

$𝐄=-\mathrm{\nabla }\varphi$

ดูเพิ่ม

• สมการของแมกซ์เวลล์ คือชุดสมการที่สมบูรณ์สำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้า
• ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า
• ไฟฟ้าสถิต
• แม่เหล็ก