Điện
Các khái niệm > Điện trường

Bài chi tiết: Điện trường
Xem thêm: Tĩnh điện học
Michael Faraday là người đầu tiên nêu ra khái niệm điện trường. Vật thể mang điện sẽ tạo ra trong không gian xung quanh nó một điện trường, và làm tác động lực lên những vật thể mang điện khác nằm trong trường này. Điện trường tác dụng giữa hai điện tích theo cách tương tự như trường hấp dẫn tác dụng giữa hai khối lượng: chúng được coi là có tầm tác dụng xa vô hạn và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai vật. Tuy nhiên có một sự khác biệt quan trọng giữa hai trường này. Trường hấp dẫn luôn luôn hút mọi vật về phía nhau, trong khi điện trường có thể tác dụng lực đẩy hoặc lực hút lên các điện tích, tùy thuộc vào điện tích đó là dương hay âm. Do những vật thể lớn như các hành tinh nói chung về tổng thể trung hòa về điện, do đó điện trường của nó ở khoảng cách lớn coi như bằng 0. Do đó trường hấp dẫn thống trị ở thang khoảng cách lớn trong vũ trụ, mặc dù nó là tương tác yếu nhất trong các tương tác cơ bản.
Điện trường nói chung biến đổi trong không gian, và cường độ của nó tại một điểm bất kỳ được định nghĩa là lực (trên đơn vị điện tích) tác dụng lên một vật đứng yên có điện tích không đáng kể đặt tại điểm đó. Khái niệm điện tích điểm, theo đó vật mang điện tích đủ nhỏ để điện trường tạo ra bởi điện tích điểm không gây ảnh hưởng đến điện trường khảo sát và nó phải đứng yên để tránh khỏi hiệu ứng sinh ra từ trường. Khi điện trường được định nghĩa theo phương pháp lực, mà lực là một đại lượng vectơ, do vậy điện trường là một trường vectơ có độ lớn và hướng.
Nhánh nghiên cứu điện trường tạo ra từ điện tích đứng yên gọi là tĩnh điện học. Trường tĩnh điện có thể được minh họa bằng tập hợp những đường cong liên tục tưởng tượng mà hướng tại một điểm bất kỳ trên đường cong chính là hướng của điện trường tại điểm đó. Khái niệm này bắt nguồn từ Faraday, mà thuật ngữ "các đường sức" đôi khi vẫn còn được sử dụng. Các đường sức trường là quỹ đạo của một hạt điện tích điểm mà nó buộc phải chuyển động theo trong điện trường; tuy vậy các đường sức không tồn tại thực tế mà chỉ là khái niệm để cho dễ hình dung, và trường thấm vào mọi khoảng không gian giữa những đường sức này. Các đường sức có một số đặc điểm quan trọng: chúng bắt đầu từ điện tích dương và kết thúc tại điện tích âm; thứ hai chúng phải đi vào bất kỳ một vật dẫn nào dưới một góc vuông, và thứ ba chúng không bao giờ cắt nhau hoặc tạo thành một vòng kín.
Mọi điện tích sẽ tồn tại ở mặt phía ngoài của một vật rỗng. Do đó điện trường sẽ bằng không tại mọi điểm bên trong vật dẫn. Đây chính là nguyên lý hoạt động của lồng Faraday, một vỏ kim loại dẫn điện cho phép cô lập mọi thứ bên trong nó tránh khỏi ảnh hưởng của điện trường bên ngoài.
Các nguyên lý của tĩnh điện học là cơ sở quan trọng trong thiết kế các thiết bị điện áp cao. Có một ngưỡng giới hạn đối với cường độ điện trường mà một môi trường có thể chịu được. Vượt khỏi ngưỡng này, hiện tượng đánh thủng điện xuất hiện và hồ quang điện gây ra các tia lửa giữa các phần tích điện. Ví dụ đối với không khí, hồ quang điện giữa những khoảng nhỏ với cường độ điện trường vượt hơn 30 kV trên centimét. Trên những khoảng cách lớn hơn, cường độ trở lên nhỏ hơn, xuống còn 1 kV trên centimét. Hiện tượng này hay gặp trong tự nhiên nhất chính là tia sét, khi các hạt điện tích bị tách ra trong các đám mây do sự dâng cao của cột khí, làm tăng điện trường trong không khí lớn hớn ngưỡng giới hạn mà nó có thể chịu được. Điện áp của các đám mây có tia sét có thể cao tới 100 MV và năng lượng giải phóng tới 250 kWh.
Cường độ điện trường bị ảnh hưởng lớn bởi các vật dẫn điện gần nó, và nó đặc biệt mạnh khi nó bị buộc phải lượn theo những vật sắc nhọn. Nguyên lý này được ứng dụng trong các cột thu sét, cột nhọn nhằm thu hút sét đánh về phía nó hơn là đánh xuống các công trình xây dựng mà nó bảo vệ.