Ładunki i pola Doświadczenia pokazały, że istnieją dwa rodzaje elektryczności: ładunki ujemne, otrzymywane przez pocieranie ebonitu; ładunki dodatnie, otrzymywane przez pocieranie szkła przy czym: ładunki jednoimienne odpychają się, zaś ładunki różnoimienne przyciągają się. Natężenie pola elektrycznego - Jedną z pierwszych zależności, dot. oddziaływania między ładunkami elektrycznymi było, doświadczalnie ustalone, prawo Coulomba. Mówi ono, że ładunek punktowy Q₁ działa na inny ładunek punktowy Q₂ siłą, opisaną wzorem (W)F12=k*(Q1*Q2/r^3)*(W)r. Jeżeli we wzorze Coulomba potraktujemy ładunek Q₁ jako wytwarzający pole elektryczne, to siła działająca w danym punkcie pola na ładunek Q₂ jest do tego ładunku proporcjonalna; dla dowolnego rozkładu ładunków wytwarzających pole elektryczne, definiuje się wielkość -wektor natężenia pola elektrycznego (W)E=lim[(w)F/q]. Wektor ten jest jednym z dwu podstawowych wektorów pola elektrycznego i charakteryzuje je pod względem siłowym. Zjawisko indukcji elektrycznej- Na ładunki znajdujące się w polu elektrycznym działają siły, jeśli te ładunki są ładunkami swobodnymi (np. elektrony w metalu, jony w elektrolitach i gazach), to mogą się one przemieszczać tak długo, aż zostanie osiągnięty jakiś nowy stan równowagi. Taki efekt przemieszczenia ładunków swobodnych nazywamy zjawiskiem indukcji elektrycznej. Wskutek zbliżenia do elektroskopu naładowanej pałeczki z ładunkiem dodatnim (bez dotknięcia) – efektem końcowym jest zaindukowany ładunek ujemny na elektroskopie. Zjawisko indukcji elektrycznej wykorzystuje się do określenia drugiego, ważnego wektora pola elektrycznego. Weźmy bardzo małą, cienką płytkę metalową o powierzchni dS i wprowadźmy ją do pola tak, aby wektor normalny do powierzchni d#S był równoległy do linii sił pola elektrycznego. Jeżeli postąpimy tak, jak na rys. poniżej – na płytce zaindukuje się ładunek dQ_ind .

Ładunek ten zależy od orientacji powierzchni względem pola elektrycznego i jest największy, gdy s#S||#E; stanowi on wielkość, która charakteryzuje dane pole elektryczne.

Definiuje się więc – wektor indukcji elektrycznej #D - w oparciu o wzór dQind=#D*d#S. Moduł tego wektora, czyli |#D|, ma znaczenie gęstości powierzchniowej ładunku zaindukowanego na powierzchni przewodnika, ustawionej prostopadle do pola. - w próżni zachodzi związek #D=ɛ0*#E; - w ośrodku izotropowym #D||#E; - w ośrodku anizotropowym #D┴#E. Prawo Gaussa związek sC#D*d*#S=Q który jest zapisem, bardzo ważnego w elektrodynamice, tzw. prawa Gaussa.

Prawo to jest obowiązujące niezależnie od tego czy rozważana powierzchnia S jest powierzchnią przewodzącą czy tylko „pomyślaną” - powierzchnia metalowa odgrywa w tym przypadku tylko rolę „wskaźnika - sondy”.

Lewa strona tego równania nosi nazwę strumienia wektora #D przez powierzchnię zamkniętą S – jest to analog do pojęcia strumienia wektora prędkości cieczy Φ=sC#vd#S. Tak więc prawo Gaussa orzeka:strumień indukcji elektrycznej przez powierzchnię zamkniętą jest równy ładunkowi całkowitemu, zawartemu wewnątrz tej powierzchni. Potencjał elektryczny Na ładunek próbny q w każdym punkcie pola elektrycznego działa siła #Fe=q*#E Jeśli pod wpływem tej siły ładunek przemieszcza się o odcinek elementarny d#l , to pole elektryczne wykonuje pracę elementarną. Pole elektryczne statyczne charakteryzuje się tym, że praca W_e nie zależy od drogi, po której jest ona wykonana; zależy wyłącznie od położenia punktów początkowego (A) i końcowego (C) - jest polem potencjalnym i każdemu punktowi pola możemy przypisać istnienie pewnej energii potencjalnej. Natężenie pola - ujemny gradient potencjału - Punkty o tym samym potencjale tworzą tzw. powierzchnię ekwipotencjalną. Istnieje równocześnie taki wektor d#ln o długości minimalnej skierowanym zgodnie ze wzrostem potencjału. Stąd wynika, że wektor natężenia pola elektrycznego #E jest prostopadły do powierzchni ekwipotencjalnej i skierowany przeciwnie do kierunku wzrostu potencjału. Jego wartość jest równa maksymalnej szybkości zmian potencjału na jednostkę długości. Zatem natężenie pola elektrycznego jest ujemnym gradientem potencjału. Tak więc znając rozkład pola w postaci potencjału, możemy znaleźć natężenie tego pola w każdym jego punkcie. Energia układu ładunków Ogólnie definiuje się ją poprzez pracę, jaką musiały by wykonać siły zewnętrzne, aby dany układ ładunków został utworzony lub zamiennie – jako praca sił elektrycznych, która prowadziła by do rozdzielenia układu na elementarne fragmenty nie oddziałujące na siebie (czyli znajdujące się w nieskończoności od siebie). Jeśli w pewnej części przestrzeni tworzymy układ np. czterech ładunków Q₁, Q₂, Q₃ i Q₄ odpowiednio w punktach 1, 2, 3 i 4, to:-sprowadzamy z & do punktu 1 ładunek Q₁ : ze względu na brak innych ładunków (brak na tym etapie pola elektrycznego) praca z tym związana W₁ = 0; - sprowadzamy do punktu 2 ładunek Q₂ : odbywa się to w istniejącym już polu, wytworzonym przez ładunek Q₁ – praca wykonana przez siłę zewnętrzną jest równa W₂; sprowadzamy do punktu 3 ładunek Q₃; przemieszczenie tego ładunku odbywa się w polu elektrycznym wytworzonym przez ładunki Q₁ i Q₂; - praca związana z takim przemieszczeniem wynosi W₃ -sprowadzamy ładunek Q₄ do punktu 3 – praca z tym związana W₄ jest wykonana w polu wytworzonym przez trzy ładunki już istniejące w tej części przestrzeni. Całkowita praca, potrzebna na utworzenie tego układu ładunków jest równa W = W1 + W2 + W3 + W4 i stanowi energię pola elektrycznego układu. Dipol elektryczny i jego pole Układ dwóch jednakowych ładunków różnoimiennych znajdujących się w pewnej odległości od siebie nazywamy dipolem elektrycznym. Wielkością charakteryzującą dipol jest wielkość wektorowa #Pe nazywana elektrycznym momentem dipolowym. Dipol elektryczny w zewnętrznym polu 1. w jednorodnym polu elektrycznym - Na różnoimienne, ale równe co do wartości ładunki dipola, działają jednakowe przeciwnie skierowane siły, i ich suma jest równa zero! Jak widać, pod wpływem tego momentu, dipol ma tendencję do ustawiania się zgodnie z kierunkiem pola, tzn. aby zachodziła relacja #pe||#E. Oznacza to także, że dipol posiada energię potencjalną w danym położeniu φ, minimum dla φ=0 oraz maksimum dla φ=π. 2. w niejednorodnym polu elektrycznym - Otrzymane wyżej relacje na moment siły i energię potencjalną są nadal obowiązujące, ale wtedy (#F+)+(#F-)≠0, i dipol może się poruszać ruchem postępowym. Wskutek obrotu dipol zwykle się ustawia tak, że #pe||#E. Oznacza to, że w polu niejednorodnym, na dipol działa siła #F zgodnie z kierunkiem wzrostu natężenia pola elektrycznego, albo inaczej – dipol jest wciągany w kierunku obszaru silniejszego pola. Polaryzacja dielektryków Przez dielektryk, inaczej nazywany – izolator, ogólnie rozumiemy substancję, która nie przewodzi prądu elektrycznego. Wielkością charakteryzującą własności elektryczne dielektryka jest jego względna przenikalność elektryczna, zwykle oznaczana symbolem ɛ . Rozważmy doświadczenie, w którym na płytkach kondensatora płaskiego znajdują się ładunki +Q oraz -Q , zaś w obszarze między płytkami znajduje się: a) – próżnia (powietrze), lub b) – dielektryk. Względną przenikalność elektryczną materiału definiujemy poprzez stosunek pojemności kondensatora z dielektrykiem i tego samego kondensatora próżniowego ɛ=C/C0 gdy dielektryk wypełnia całą objętość kondensatora. dielektryki niepolarne nie posiadają własnego momentu dipolowego . Cechą charakterystyczną dielektryków niepolarnych jest brak zmian względnej przenikalności od temperatury dielektryki polarne posiadają własny moment dipolowy, Względna przenikalność elektryczna takiego dielektryka zależy od temperatury. Efektem makroskopowym – gdy dielektryk znajduje się w polu elektrycznym – jest pojawienie się przy jego granicznych powierzchniach - „efektywnych”, związanych ładunków -Q_p i +Q_p zw. ładunkami polaryzacyjnymi. Dielektryki ogólnie dzielimy na niepolarne i polarne, w których indukowane momenty dipolowe zawsze praktycznie natychmiast znikają po usunięciu pola elektrycznego. W dielektrykach polarnych uporządkowanie momentów zwykle także zanika w czasie stosunkowo krótkim.Elektrety – dielektryki polarne, w których zanik uporządkowania dipoli zachodzić może bardzo wolno (mieszanina wosku z żywicą). Piroelektryki – po szybkim podgrzaniu kryształu pojawia się moment dipolowy różny od zera (turmalin). Piezoelektryki – występuje polaryzacja dielektryka pod wpływem działania naprężenia. Ferroelektryki – kryształy dielektryczne o strukturze domenowej – analog ferromagnetyków