שדה חשמלי הוא משהו שנוצר על ידי מטען חשמלי ומשפיע על המרחב סביב אותו מטען חשמלי, כאשר השפעת השדה החשמלי מורגשת רק על ידי מטענים חשמליים אחרים. כאשר מטען חשמלי אחר נמצא בשדה החשמלי שנוצר על ידי מטען חשמלי, המטען החשמלי השני מרגיש את ההשפעה בצורה של כוח חשמלי.
את ההגדרה של שדה חשמלי, כפי שמוסבר במאמר על שדות חשמליים, ניתן להבין באופן שכלי, אך ניתן גם לדמיין אותה בדמיון. כדי להמחיש שדה חשמלי, מוצגים קווי שדה חשמלי. קווי שדה חשמלי הם קבוצת קווים המצוירים סביב מטען חשמלי כדי לציין את נוכחותו. מכיוון שהם נועדו להדגים את נוכחותו של שדה חשמלי, קיים קשר בין קווים אלה לבין השדה החשמלי. במילים אחרות, ניתן להסביר את גודלו וכיוונו של שדה חשמלי באמצעות דיאגרמה של קווי שדה חשמלי.
להלן הקשר בין כיוון ועוצמת השדה החשמלי לבין קווי השדה החשמלי:
ראשון, כיוון השדה החשמלי הוא הרחק ממטען חיובי ולכיוון מטען שלילי. לכן, כיוון קווי השדה החשמלי הוא גם הרחק מהמטען החיובי ולכיוון המטען השלילי. אם מטען חיובי קרוב למטען שלילי, קווי השדה החשמלי מתוארים כמשתרעים מהמטען החיובי לכיוון המטען השלילי. לעומת זאת, אם מטען חיובי קרוב למטען שלילי, קווי השדה החשמלי מתוארים כמשתרעים מכל מטען חיובי והרחק זה מזה.
שנית , עוצמת השדה החשמלי מיוצגת על ידי המרחק בין קווי השדה החשמלי. ככל שהמרחק בין קווי השדה החשמלי קרוב יותר, כך עוצמת השדה החשמלי גדולה יותר, וככל שהמרחק בין קווי השדה החשמלי גדול יותר, כך עוצמת השדה החשמלי קטנה יותר.
מדוע ככל שהקווים קרובים יותר זה לזה, כך השדה החשמלי חזק יותר? כדי להבין זאת, נבחן את ההסבר הבא. נניח שמטען חיובי נמצא במרכז הכדור וקווי השדה החשמלי מקרינים החוצה לכיוונים שונים, וחודרים את פני הכדור. אם מספר קווי השדה החשמלי הוא N ושטח הפנים של הכדור הוא 4πr2 אז מספר הקווים ליחידת שטח או צפיפות הקווים הוא N/4πr2בהתבסס על נוסחה זו, עבור אותו N, אם r קטן יותר אז המרחק בין הקווים קרוב יותר ואם r גדול יותר אז המרחק בין הקווים גדול יותר. הנוסחה לעוצמת שדה חשמלי היא E = kq/r2 מראה גם שעוצמת השדה החשמלי היא ביחס הפוך לריבוע המרחק. ככל ש-r קטן יותר, כך עוצמת השדה החשמלי גדולה יותר, וככל ש-r גדול יותר, כך עוצמת השדה החשמלי קטנה יותר.
בהתבסס על הסקירה לעיל, ניתן להסיק שאם r קטן יותר (קרוב יותר למטען), עוצמת השדה החשמלי גדולה יותר והמרחק בין הקווים גם הוא קרוב יותר. לעומת זאת, אם r גדול יותר (רחוק יותר מהמטען), עוצמת השדה החשמלי קטנה יותר והמרחק בין הקווים גם הוא גדול יותר.
שלישית , מספר קווי השדה החשמלי הוא פרופורציונלי לעוצמת השדה החשמלי. ככל שיש יותר קווי שדה חשמלי, כך עוצמת השדה החשמלי גדולה יותר. ככל שיש פחות קווי שדה חשמלי, כך עוצמת השדה החשמלי קטנה יותר.
דוגמה לבעיות
1. שאלות לבחינה הארצית של SMA בפיזיקה לשנת 2012/2013, SA 55 מס' 28
מתמונת המטען הבאה, המציגה את קווי הכוח על שני מטענים קרובים זה לזה, היא...
דִיוּן
קווי שדה חשמלי, או קווי כוח, נמשכים ממטען חיובי לכיוון מטען שלילי. אם מטען חיובי ומטען שלילי ממוקמים קרוב זה לזה, קווי הכוח מופיעים כמו בתשובה א'.
התשובה הנכונה היא א'.
2. שאלות לבחינה הארצית של SMA בפיזיקה לשנת 2012/2013, SA 60 מס' 28
שני מטענים חשמליים מתקרבים זה לזה בקו חיבור, וכתוצאה מכך נוצרים קווי שדה חשמלי. התמונה הנכונה היא...
דִיוּן
התשובה הנכונה היא ד'.
3. שאלות לבחינה הארצית של SMA בפיזיקה לשנת 2012/2013, SA 65 מס' 28
קווי הכוח הנכונים בין שני מטענים הם...
דִיוּן
התשובה הנכונה היא ד'.
