elektrisk felt

Elektrisk felt, tilstand ved rummet eller materiale, karakteriseret ved at der i alle punkter virker en kraft på en elektrisk ladning; feltet skabes af andre elektriske ladninger eller af tidsvarierende magnetfelter. I det følgende omtales især elektrostatik, dvs. elektriske felter fra ladninger i hvile.

Ifølge Coulombs lov påvirker én punktladning en anden med en kraft rettet efter ladningernes forbindelseslinje. Kraften er en vektorstørrelse; er der flere ladninger til stede, bliver den resulterende kraft på en ladning vektorsummen af kræfterne fra alle de andre. I dette billede tilskrives kraften på en ladning således tilstedeværelsen af andre ladninger.

Et alternativt synspunkt er, at der i rummet findes en særlig tilstand, et elektrisk felt, som måske nok kan være frembragt af elektriske ladninger, men hvis oprindelse sådan set er uvæsentlig. Feltet angives i ethvert punkt ved en vektor E, som kaldes den elektriske feltstyrke, og hvis fysiske betydning er kraft pr. ladningsenhed. Kraften F på en lille ladning q i det elektriske felt E er da F = qE. Måleenheden for elektrisk feltstyrke i SI-enheder er newton pr. coulomb, hvilket er det samme som volt pr. meter (V/m).

Det kræver et arbejde at flytte en ladning fra ét punkt til et andet i et felt. Det er en særlig egenskab ved det elektrostatiske felt, at dette arbejde er uafhængigt af den vej, der følges (feltet er konservativt). Arbejdet ved at flytte en enhedsladning kaldes potentialforskellen mellem de to punkter. Ofte vælges det ene punkt som fast referencepunkt og tildeles potentialet nul. Arbejdet ved at flytte en enhedsladning fra referencepunktet til et andet punkt P kaldes det elektriske potential i dette punkt. Det beregnes som et integral

hvor ds er et lille stykke a vejen (se arbejde). I laboratoriet vælges jorden ofte som reference og tildeles potentialet nul. Potentialforskellen mellem to punkter kaldes også spændingen mellem dem. Det skal understreges, at der er overensstemmelse mellem den her definerede spænding og dagligdagens erfaringer med stikkontakter, batterier mv.

Potentialet spiller en afgørende rolle i teorien for elektriske felter. Matematisk set er det en skalar (et tal), som knyttes til ethvert punkt i det elektriske felt. Det betegnes φ eller, når der er tale om spænding, V. Da det er enklere at regne med skalarer end med vektorer, søger man ofte først at finde potentialet ved beregning (fx ved løsning af den såkaldte Laplaceligning) eller ved udmåling. Et elektrisk felt er fuldstændig fastlagt, når potentialet er kendt som funktion af stedet, fx φ = φ(x,y,z) i retvinklede koordinater. Den elektriske feltstyrke beregnes da som minus gradienten af potentialet, E = −∇φ.

Potential måles i joule pr. coulomb, hvilket er det samme som volt (V).

Et elektrisk felt ændres, når der placeres materialer i det. Materialer kan i denne henseende inddeles i to store grupper, ledere og dielektrika.

En leder har frie ladninger, som bevæger sig under påvirkning af et ydre elektrisk felt. I et metal er de frie ladninger elektroner fra atomernes yderste elektronskaller. Gives et metallisk legeme en ladning, skabes der øjeblikkelig et elektrisk felt i metallet, som sætter elektronerne i bevægelse. Bevægelsen ophører dog meget hurtigt (efter ca. 10^-14 s), da elektronerne arrangerer sig i metallet, således at de tilsammen gør dette til et feltfrit område. Var dette ikke tilfældet, ville elektronbevægelsen fortsætte uden ydre energitilførsel, skønt elektronerne hele tiden må afgive energi som varme. Det indre af en leder er derfor under statiske forhold et feltfrit område. Dette gælder også hulrum i en leder. Selvom hulrummet er et bur bygget af et stormasket metalnet, er feltet i det indre meget ringe på trods af, at buret måske har et potential på mange tusinde volt (Faradays bur).

I dielektrika er der ingen frie ladninger, idet alle elektronerne er fast bundet til de enkelte atomer eller molekyler. Under påvirkning af et ydre felt forskydes elektronernes ligevægtspositioner imidlertid en smule, hvorved materialet polariseres. Det er en konsekvens af polarisationen, at der på dielektrikets overflade og i dets indre opstår en ladning, der kaldes bunden ladning, da den skyldes elektroner bundet til de enkelte atomer eller molekyler.

Er der dielektrika til stede, bidrager de bundne ladninger til det elektriske felt på lige fod med de frie ladninger på ledere. Dette komplicerer i høj grad beregning af feltet. I denne sammenhæng anvendes ofte et andet vektorfelt, den elektriske fluxtæthedD, som alene skyldes frie ladninger. Tidligere kaldtes D-feltet det elektriske forskydningsfelt.

Elektriske felter kan anskueliggøres ved elektriske feltlinjer, som er linjer, der i ethvert punkt tegnes parallelt med feltets retning og således, at tætheden af feltlinjerne er proportional med feltstyrken. Feltlinjerne for E-feltet kan begynde og ende på såvel frie som bundne ladninger, mens feltlinjerne for D-feltet kun kan ende på frie ladninger.

Statiske elektriske felter har en række praktiske anvendelser som rensning af røg for partikler, i kopieringsmaskiner og i elektrooptiske apparater (fx tv-rør). Studiet af elektrostatiske felter har desuden bidraget væsentligt til forståelsen af elektriske fænomener i bredeste forstand.