Izvorni kod stranice Električno polje

[[datoteka:VFPt charges plus minus thumb.svg|mini|desno|Prikaz električnog polja koje okružuje pozitivni (crveno) i negativni (plavo) [[električni naboj]].]]
{{Elektromagnetizam|cTopic=[[Elektrostatika]]}}

'''Električno polje''' je [[prostor]] u kojem [[naelektrisanje]] djeluje privlačnom ili odbojnom [[sila|silom]] na drugo električno tijelo. Naelektrisana tijela okružena su električnim poljem. Teorijski se polje prostire u beskonačnost, a praktički je vrlo maleno. Smjer u kojem djeluje električna sila pokazuju električne [[silnice]]. Veličina koja opisuje jakost djelovanja električnoga polja na električne naboje naziva se '''jačina električnoga polja''' i označuje se slovom ''E''. To je [[vektor]]ska veličina čiji je iznos jednak [[sila|sili]] ''F'' proizvedenoj na pozitivni jedinični naboj ''Q'', a njezin se smjer podudara sa smjerom sile.

Nasuprot teoriji međusobnoga djelovanja električnih naboja na udaljenosti ([[Coulombov zakon]]), [[Michael Faraday|Faraday]] je uvođenjem pojma električnoga polja postavio novu teoriju djelovanja u blizini. Električno polje može se predočiti električnim [[silnica]]ma: [[krivulja]]ma čije [[tangenta|tangente]] u svakoj točki krivulje pokazuju smjer jakosti polja; [[gustoća]] je silnica na svakome mjestu razmjerna iznosu jakosti polja.

Električne silnice u [[Elektrostatika|elektrostatskome]] polju izlaze iz pozitivno nabijenih tijela, a poniru na negativno nabijena tijela. U elektrostatskim prilikama unutar vodljivoga (na primjer [[metal]]nog) tijela nema električnoga polja, a naboji se zadržavaju samo na njegovoj površini, gdje miruju. Kada [[električni naboj]]i miruju ili se [[gibanje|gibaju]] jednolikom [[brzina|brzinom]], električno se polje promatra zasebno i neovisno o [[magnetno polje|magnetnom polju]]. No ako se električno i magnetsko polje mijenjaju, onda se moraju promatrati zajedno kao [[elektromagnetsko polje]]. Klasičnu teoriju elektromagnetskih polja postavio je [[James Clerk Maxwell|J. C. Maxwell]].<ref>'''električno polje''', [http://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?id=17595] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.</ref>

== Jačina električnoga polja ==
'''Jakost električnoga polja''' (oznaka ''E'') je [[vektor]]ska [[fizikalna veličina]] koja opisuje djelovanje električne [[sila|sile]] ''F'' na česticu [[električni naboj|električnoga naboja]] ''Q'', a jednaka je količniku električne sile i električnoga naboja čestice:

:<math>{E} =  \frac{F}{Q} \,</math>

[[mjerna jedinica|Mjerna je jedinica]] jakosti električnoga polja [[volt]] po [[metar|metru]] (V/m) ili [[njutn]] po [[kulon]]u (N/C).<ref>'''jakost električnoga polja''', [http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=69156] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2017.</ref>

[[datoteka:Pith ball electroscope operating principle.svg|mini|desno|Način rada [[elektroskop]]a s kuglicom.]]

Najjednostavnije je homogeno električno polje koje vlada između dviju suprotno nabijenih [[metal]]nih ploča. Stavimo li između tih ploča osjetljiv [[elektroskop]], otklon njegovih niti bit će uvijek isti, pa je prema tome ista jakost električnoga polja. Mijenjamo li [[električni napon]] između njegovih ploča, mijenjat će se i otklon niti elektroskopa, a isto tako i  jakost električnoga polja.

Jakost električnog polja ''E'' između električno nabijenih ploča ovisna je o električnom naponu ''U'' koji između njih vlada i o udaljenosti ''d'' između ploča. Ako napon povećamo dvostruko, a isto tako i razmak između ploča, jakost električnog polja se neće promijeniti. Jakost električnog polja se neće također promijeniti ako napon smanjimo na polovinu i razmak između ploča. Neka je na primjer u prvom slučaju napon 200 V, a razmak između ploča 4 [[metar|cm]]. U drugom slučaju neka je napon 100 V, a razmak između ploča 2&nbsp;cm, pa je jakost električnog polja ''E'', to jest omjer između električnog napona ''U'' i razmaka ''d'' uvijek ista ili:

:<math>{E} =  \frac{U}{d} \, =  \frac{200}{4} \, =  \frac{100}{2} \, =  50\frac{V}{cm} \, </math>

U ovom primjeru imamo jedinicu jakosti električnog polja V/cm. Međutim u [[Međunarodni sustav mjernih jedinica|Međunarodnom sustavu mjernih jedinica]], mjerna jedinica jakosti električnog polja je V/m:

:<math> 1\ \frac{V}{m} \, =  0,01\frac{V}{cm} \, </math>

'''Električno polje ima mjernu jedinicu jakosti električnog polja 1 V/m ako se na udaljenosti od 1 metar u smjeru silnica električni napon promijeni za 1 volt.''' <ref>Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.</ref>

== Definicija ==
[[datoteka:EfieldTwoOppositePointCharges.svg|mini|desno|Prikaz električnog polja između dva točkasta naboja.]]

Dovedemo li na osamljenu metalnu kuglu [[polumjer]]a ''R'' količinu pozitivnog električnog naboja ''Q'', [[pokus]] će pokazati da naboj ''Q'' djeluje električnom silom na probni naboj ''q'' u prostoru oko kugle, gdje je [[sila]] odbojna  ako su naboji  istog predznaka, odnosno privlačna ako su naboji suprotnog predznaka. Električna [[sila]] je najveća u neposrednoj blizini kugle i smanjuje se s udaljenošću. Povežemo li veličinu sile sa gustoćom zamišljenih silnica koje izviru iz kugle nabijene električnim nabojem ''Q'', tada možemo gustoću silnica na samoj površini definirati kao omjer naboja i površine kugle polumjera <math>r</math>:

:<math>{\sigma} =  \frac{Q}{4 \cdot r^2 \cdot \pi}, \,</math>

a gustoću silnica na sfernoj površini na udaljenosti ''r'' od središta nabijene kugle:

:<math>{\sigma} =  \frac{Q}{4 \cdot r^2 \cdot \pi}. \,</math>

Rezultati pokusa bi pokazali da je sila razmjerna gustoći silnica u promatranoj točki u prostoru i količini naboja ''q'' te da opada s kvadratom udaljenosti sukladno smanjenju gustoće silnica kako slijedi:

:<math> F  \sim \sigma \cdot q, \,</math>

:<math> F  \sim  \frac{Q}{4 \cdot r^2 \cdot \pi} \cdot q ,\,</math>

što možemo zapisati i kao:

:<math> F  \sim  \frac{{Q} \cdot {q}}{4 \cdot r^2 \cdot \pi}. \,</math>

Uvođenjem pojma [[dielektrična konstanta vakuuma|dielektričke konstante vakuuma]]:

:<math>{\varepsilon_0}\approx  8,854 \cdot 10 ^ {-12} </math> <math> \frac{C^2} {Nm^2},\, </math>

sila ''F'' se može izraziti odgovarajućom veličinom u [[njutn]]ima (N), gdje je 1 [[kulon]] (C)= 1 A s:

:<math>F =\frac{1}{4 \cdot \pi \cdot \varepsilon_0} \cdot \frac{Q \cdot q}{r^2}.\,</math>

Razmatramo li omjer sile ''F'' i naboja ''q'', definira se jakost električnog polja, kao posebnog energetskog stanja u prostoru oko kugle, kao veličinu sile po jediničnom naboju +''q'' = 1 As na udaljenosti ''r'' od središta nabijene kugle:

:<math>\mathbf{E}(\mathbf{r}) = \frac{1}{4 \cdot \pi \cdot \epsilon_0} \cdot \frac{q}{r^2} \cdot \frac\mathbf{r}{r}</math>

gdje je <math>\ r</math> apsolutna vrijednost [[vektor]]a položaja <math>\mathbf{r}</math>, a <math>\ \epsilon_0</math> je dielektrična konstanta vakuuma, a električno polje je pozitivno za pozitivan naboj ''Q''.
Električno polje je [[vektorsko polje]] i može se predočiti [[silnice|silnicama]]. Izvori električnog polja su pozitivni električni naboji, a ponori negativni naboji.

Sila je najjača u [[vakuum]]u, a slabija u svim drugim sredstvima:

:<math>F = \frac{1}{\varepsilon_r} \cdot \frac{1}{4 \cdot \pi \cdot \varepsilon_0} \cdot \frac{Q \cdot q}{r^2} \, = \frac{1}{4 \cdot \pi \cdot \varepsilon} \cdot \frac{Q \cdot q}{r^2}.\,</math>

gdje je: ''ε<sub>r</sub>'' - [[relativna dielektrična permitivnost]] nekog sredstva ili tvari, ''ε'' - [[dielektrična permitivnost]] (ili samo [[permitivnost]]) tvari.

== Energija električnog polja ==
{{Glavni|Energija električnog polja}}
Električno polje u sebi sadržava [[energija|energiju]]. Gustoća energije sadržane u električnom polju jest:

:<math>u = \frac{1}{2} \cdot \epsilon_0 \cdot \epsilon_r \cdot \mathbf{E}^2</math>

gdje je:
*<math>\ u</math> - gustoća energije,
*<math>\ \epsilon_0</math> - dielektrična konstanta vakuuma,
*<math>\ \epsilon_r</math> r- elativna dielektrična konstanta tvari u kojem djeluje električno poǉe,
*<math>\ \mathbf{E}</math> - električno polje (kvadrat električnog polja znači da se električno polje [[skalarni umnožak|skalarno množi]] samo sa sobom, pa je on identički jednak kvadratu apsolutne vrijednosti električnog polja)

Ukupna energija električnog polja sadržana u [[volumen]]u ''V'' je stoga:

:<math>U = \int_{V} \frac{1}{2} \cdot \epsilon_0 \cdot \epsilon_r \cdot \mathbf{E}^2 \, \cdot \mathrm{d}V</math>

gdje je ''U'' - energija električnog polja, a d''V'' - element volumena.

== Električno polje unutar provodnika ==
Ako elektriziramo šuplju posudu (u obliku šuplje kugle) koja ima otvor s gornje strane tako da je dotaknemo pokusnom kuglicom, možemo se uvjeriti da je [[kugla]] nabijena pomoću [[elektroskop]]a čiji će se listići razmaknuti. Zatim razelektriziramo kuglicu i elektroskop na taj način da ih dodirnemo rukom. Nakon toga dotaknimo se pokusnom kuglicom unutarnje strane šuplje posude, a zatim kuglice elektroskopa. Listići elektroskopa ostat će na miru što je znak da posuda s unutarnje strane nije električna. Prema tome vidimo da u unutrašnjosti vodiča nema [[električni naboj|električnih naboja]], a ni električnog polja. Uzrok tome je što se svi [[elektron]]i, to jest nosioci [[elektricitet]]a, međusobno odbijaju i nastoje se jedan od drugoga udaljiti što više. Zbog toga se elektricitet nalazi samo na površini [[električni vodič|električnog vodiča]]. Ta pojava omogućuje zaštitu [[Instrument|instrumenata]] od utjecaja električnog polja [[metal]]nim kućištem.

== Električno polje Zemlje ==
[[Datoteka:Lightning 02.jpg|mini|desno|[[Munja|Munje]] nastale za vrijeme [[Grmljavinska oluja|grmljavinske oluje]].]]

Da postoji električno polje [[Zemlja|Zemlje]] možemo dokazati pomoću dugačke izolirane [[žica|žice]] čiji je donji kraj spojen s [[elektroskop]]om, a gornji koji ima šiljak nalazi se u [[plamen]]u. Elektroskop spojimo sa Zemljom ili ga držimo u ruci. Dignemo li takvu sondu pomoću dugačkog štapa u visinu, elektroskop će pokazati otklon. Taj nam [[pokus]] pokazuje da je Zemlja okružena električnim poljem i da je njena površina negativno električna, a da se pozitivna granična površina nalazi u višim [[atmosfera|atmosferskim]] slojevima. Mjerenja su pokazala da električno polje Zemlje dosiže do takozvanog [[ionosfera|Kennelly-Heavisideovog sloja]], koji se nalazi na visini od 80 kilometara. [[Električni potencijal|Potencijalna]] razlika između Kennelly-Heavisideovog sloja i površine Zemlje iznosi oko 200 000 [[volt|V]].

Uslijed električnog polja Zemlje i [[ionizacija|ionizacije]] zraka, koju prouzrokuju [[ultraljubičaste zrake]] koje dolaze sa [[Sunce|Sunca]] i [[Influencija|električne influencije]] nastaju električno nabijeni [[oblaci]] suprotnog [[elektricitet]]a. Ako je razlika [[električni napon|električnog napona]] vrlo velika, može nastupiti pražnjenje, pa se uz snažan potres zraka na mjestu spajanja pojave goleme električne iskre, nazvane [[munja]]. Isto tako dolazi do pražnjenja između oblaka i zemlje. Pozitivno električni oblak izazove influencijom na zemlji, odnosno na istaknutim objektima, negativni elektricitet. Kad električni napon prijeđe određenu granicu, dolazi do izbijanja u obliku vijugave i blještave crte (munje), uz jak zvučni potres zraka koji se zove [[grom]]. Električni napon kod toga mogu iznositi do 100 milijuna [[volt]]i, a munje mogu biti duge i do 3 kilometra.

=== Gromobran ===
{{Glavni|Gromobran}}
[[datoteka:Lightning-rod-diagram.svg|mini|desno|Glavni dijelovi gromobrana: prihvatni vod (gore), pomoćni vodovi (sredina) i uzemljivač (u zemlji).]]

Američki znanstvenik [[Benjamin Franklin]] sagradio je uređaj za zaštitu od groma. On se sastoji od [[Bakar (element)|bakrenog]] štapa, visokog do 5 metara, koji se stavlja na [[krov]] ili na neko drugo izloženo mjesto. Štap je uspravan, a završava pozlaćenim šiljkom. Od njega vodi goli bakreni konopac, minimalnog presjeka [[površina|površine]] od 25&nbsp;mm<sup>2</sup>, po vanjskom dijelu krova, odnosno zida, u zemlju, gdje završava bakrenom pločom od 1 m<sup>2</sup>. Ploča mora biti u vodi ili u vlažnoj zemlji. Gromobran treba izraditi na način da se svi dijelovi zgrade nalaze u zaštitnom prostoru. Djelovanje gromobrana gromobrana osniva se na [[ionizacija|ionizaciji]] zraka koja nastaje zbog šiljka na okomitom štapu. Mreže [[telegraf]]skih i [[telefon]]skih žica na krovovima štite također od groma. I one imaju spravu za zaštitu od munje.

=== Polarna svjetlost ===
{{Glavni|Polarna svjetlost}}
[[datoteka:Aurora borealis over Eielson Air Force Base, Alaska.jpg|desno|mini|[[Polarna svjetlost]].]]

U gornjim slojevima atmosfere između 100 i 700 [[kilometar]]a nastaju katkad svjetlosne pojave, i to naročito u polarnim krajevima, koje se zovu polarna svjetlost. Ona se sastoji od svjetlećih površina, koje se zrakasto šire i svijetle zelenkastom ili crvenkastom svjetlošću. To svijetljenje izazivaju [[elektron]]i, koji dolaze od [[Sunce|Sunca]]. Ti elektroni predaju svoju energiju [[atom]]ima [[kisik]]a i [[dušik]]a u [[atmosfera|atmosferi]] i time prouzrokuju svijetljenje.

== Reference ==
{{izvori}}

== Povezano ==
*[[Elektromagnetsko polje]]
*[[Magnetsko polje]]
*[[Maxwellove jednadžbe]]
*[[Vektorsko polje]]

[[Kategorija:Elektrotehnika]]
[[Kategorija:Elektromagnetizam]]
[[Kategorija:Elektricitet]]