پتانسیل الکتریکی

یکی از اهداف فیزیک شناسایی نیروهای اساسی در جهان است، مانند نیروی الکتریکی، همچنین تعیین کردن اینکه آیا نیرو پایستار است-آیا انرژی پتانسیل می توان به آن نسبت داد-یا نه. انگیزه ما برای نسبت دادن یک انرژی پتانسیل به نیرو به این دلیل است که ما می توانیم اصل پایستگی انرژی را برای یک سیستم بسته شامل نیروی به کار ببریم. فیزیکدانان و مهندسان به طور تجربی کشف کردند که نیروی الکتریکی نیرویی پایستار است و بنابراین می توان یک انرژی پتانسیل الکتریکی به آن نسبت داد.
وقتی یک نیروی الکترواستاتیک بین دو یا چند ذره باردار در یک سیستم ذرات اعمال می شود، ما می توانیم یک انرژی پتانسیل الکتریکی U برای سیستم درنظر بگیریم. اگر پیکربندی سیستم از حالت اولیه i به حالت نهایی f تغییر کند، نیروی الکترواستاتیک روی ذرات کار W انجام می دهد. بنابراین تغییر انرژی پتانسیل سیستم برابر است با:
چون نیرو الکترواستاتیکی پایستار است، کار انجام شده توسط آن مستقل از مسیر است. ما معمولا مبدا انرژی پتانسیل را برای حالتی که فاصله ذرات سیستم از یکدیگر بینهایت باشد صفر درنظر می گیریم. اگر تعدادی از ذرات باردار از بینهایت نزدیک یکدیگر آورد شوند، و کار انجام شده توسط نیروی الکترواستاتیک در این انتقال برابر با ∞W باشد، انرژی پتانسیل نهایی سیستم برابر است با:
انرژی پتانسیل یک ذره ی باردار در یک میدان الکتریکی، به بزرگی بار ذره بستگی دارد. در حالی که، انرژی پتانسیل بر واحد بار در هر نقطه ی میدان الکتریکی یک مقدار منحصر به فرد است. بنابراین انرژی پتانسیل بر واحد بار، U/q، مستقل از بار ذره است و فقط به مشخصات میدان الکتریکی بستگی دارد. انرژی پتانسیل بر واحد بار الکتریکی در یک نقطه ی میدان الکتریکی، پتانسیل الکتریکی V نامیده می شود: