Sähkökenttä ja sähköinen voima
Sähköinen ja magneettinen vuorovaikutus ovat etävuorovaikutuksia, joita mallinnetaan kenttien avulla. Magneettikentässä kenttäviivojen suunta ilmaisee, mihin asentoon alkeismagneetti tai esim. kompassineula pyrkii kentässä kääntymään. Sähkökentässä kenttäviivat ilmaisevat, mihin suuntaan kenttä yrittää siirtää varauksia. Tämä perustavaa laatua oleva ero johtuu siitä, että yksittäisiä plus- ja miinusmerkkisiä sähkövarauksia on olemassa, mutta magneeteissa on aina pohjois- ja etelänapa samassa kappaleessa.
Sähkökentän suunnan on sovittu olevan poispäin positiivisesta varauksesta kohti negatiivista varausta. Sähkökentän suuruus määritellään sähköisen voiman ja varauksen suuruuden suhteena.
[[$\quad E=\dfrac{F}{Q}$]]
Vastaavasti, jos sähkökentän voimakkuus tunnetaan, voidaan sen avulla laskea sähkövaraukselliseen hiukkaseen kohdistuva sähköinen voima.
Hiukkanen sähkökentässä
Sähkövaraukselliseen hiukkaseen kohdistuu sähkökentässä voima, jonka suuruus on [[$F=QE$]], missä [[$E$]] on sähkökentän voimakkuus pisteessä, jossa varaus [[$Q$]] sijaitsee.
Positiiviseen sähkövaraukseen kohdistuva voima on sähkökentän suuntainen ja negatiiviseen päinvastainen.
Sähkövarauksen siirtäminen sähköistä voimaa vastaan vaatii työtä. Tämä työ varastoituu sähkövarauksen sähköiseksi potentiaalienergiaksi, [[$E_\text{sp}$]]. Jos taas sähkövaraus päästetään liikkumaan sähkökentässä vapaasti, sen sähköinen potentiaalienergia muuntuu liike-energiaksi.
Sähköisen potentiaalienergian muutos on suoraan verrannollinen hiukkasen sähkövaraukseen. Siksi sen avulla voidaan määritellä varauksesta riippumaton, kenttää kuvaava ominaisuus: kahden pisteen välinen jännite [[$U$]]. Kenttää kuvaavan jännitteen ja kentässä siirtyvän varauksen [[$Q$]] tulo on yhtä suuri kuin varauksen sähköisen potentiaalienergian muutos.
[[$\quad \Delta E_{sp}=QU$]]
Homogeeninen sähkökenttä on joka pisteessä yhtä voimakas ja samansuuntainen. Sähkökentän voimakkuus [[$E$]] on siis kaikkialla vakio. Koska sähkökenttä on vakio, myös varaukseen kohdistuva sähköinen voima [[$F=QE$]] on vakio. Homogeeninen sähkökenttä muodostuu esimerkiksi kahden vastakkaismerkkisesti varatun yhdensuuntaisen johdinlevyn väliin. Levyjen ulkopuolella kenttä ei ole homogeeninen.
Homogeeninen sähkökentässä tapahtuva liike on matemaattisesti helpommin mallinnettavissa kuin muunlaisessa sähkökentässä tapahtuva liike. Homogeenisessa sähkökentässä jännite on sähkökentän voimakkuuden [[$E$]] ja kentän suuntaisen siirtymän [[$d$]] tulo.
[[$\quad U=Ed$]]
Hiukkasen energia sähkökentässä
Varatun hiukkasen siirtyessä jännitteen [[$U$]] yli sen sähköisen potentiaalienergian muutos on
[[$\quad \Delta E_\text{sp}=QU$]].
Suunnasta riippuen joko joudutaan tekemään tämän verran työtä tai tämän verran liike-energiaa vapautuu.
Homogeenisessa sähkökentässä etäisyydellä d toisistaan olevien pisteiden välinen jännite on
[[$\quad U=Ed$]].