正方形の 4 隅に置いた点電荷 - 電場と電位の合成
一辺 の正方形の 4 隅に を置きます。中心の電場は 、電位は です。
隣り合う 2 つを負に変えると、今度は逆になる。電場は に跳ね上がり、電位のほうが になります。
同じ配置で、片方が消えてもう片方が残る。電場がベクトル、電位がスカラーだからです。
足し方が違う
点電荷が作る電場と電位は、分母だけが違います[1]。
電場は向きを持つので、成分に分けて足す。電位は向きを持たないので、符号つきの数値をそのまま足します[2]。
電位の式に絶対値が付いていない点に注意が向くと、計算が早くなります。負電荷は負の電位を作り、正電荷の作る電位を削っていく。
電場は 1 本ずつ矢印を描いて成分で足す
電位は符号つきの数値を並べて足す
どちらも重ね合わせだが、足す対象が違う
中心までの距離
一辺 の正方形なら、対角線は 。中心は対角線の中点なので、頂点までは です。
なら 。2 乗すると で、こちらは根号が消えます。
電場の計算で使うのは だけなので、根号は消えたまま進む。電位では そのものが要ります。

各頂点の電荷が中心に作る電場の大きさは、どれも同じです。
4 本の矢印は、それぞれ対角線に沿って外向き。向かい合う 2 本が正反対を向くので、対で消えます。
電位のほうは打ち消しようがありません。
緑の矢印が 4 本を合成した電場です。薄い矢印は 1 個ずつの寄与を表しています。
例:隣り合う 2 つを負にする
上の 2 隅を 、下の 2 隅を にします。
正電荷からは離れる向き、負電荷へは近づく向き。4 本とも下向きの成分を持ちます。
左右の成分は対で消える。残るのは下向きの成分だけです。
電位は なので、掛ける前から と分かります。
例:対角が同符号
左上と右下を正、右上と左下を負にします。
対角どうしの 2 本は正反対を向いて消え、もう 1 組も同じように消える。電場は です。
電位も 。この配置だけは、両方そろって消えます。
| 4 つとも正 | 電場 、電位 |
| 上が正で下が負 | 電場 、電位 |
| 対角が同符号 | 電場 、電位 |
| 1 つだけ負 | 電場 、電位 |
符号の配り方は 4 通りしかないのに、結果は と有限のあいだで組み合わせが変わります。
例:1 つだけ符号を変える
4 つとも正の状態から、左下だけ に変えます。
まともに 4 本足してもよいのですが、差だけを見ると速い。 を にする操作は、 を重ねて置く操作と同じです。
もとの 4 つは を作っていたので、残るのは重ねたぶんだけ。
向きは、負電荷にした左下へ向かう向き。電位は にあたる量が残ります。
対称な配置に 差だけを重ねる 見方をとると、成分の分解が要らなくなります。
もとの配置が を作るなら、変えた分の寄与がそのまま答え。角度を使わずに済む。
この見方は、頂点が 6 個でも 8 個でも通ります。対称な土台があるかどうかだけが条件です。
中心に電荷を置くとどうなるか
中心に を置いたとき、受ける力は で出ます。
4 つとも正の配置なら なので、力は働きません。ただし少しでもずれると、押し戻されるのではなく外へ逃げる向きの力が出ます。
位置エネルギーは です。 なので、 なら 。
力が でもエネルギーは残る。この 2 つは別の量です[3]。
向きを持つので対で消える。消えた点では、置いた電荷が動き出さない
向きを持たないので符号だけで決まる。消えるのは正と負が同量のときに限られる
例:正三角形でも同じ手順
頂点が 3 つでも、対称なら同じ結論になります。
一辺 の正三角形の 3 頂点に を置きます。中心までの距離は 。
3 本の矢印は ずつずれているので、足すと になる。正方形での対どうしの打ち消しとは消え方が違いますが、結果は同じです。
頂点を増やすと電位は上がる
一辺を に固定したまま、頂点の数を増やしてみます。
正六角形では、中心までの距離が一辺と等しくなる。 です。
| 配置 | 中心までの距離 | 中心の電位 |
|---|---|---|
| 正三角形 | ||
| 正方形 | ||
| 正六角形 |
電荷の数が増えるほど電位も上がりますが、距離も伸びるので上がり方はゆるやか。電場のほうは、どれも のままです。
例:中心から少しずらす
4 つとも正の配置で、中心から右へ だけずらした点を考えます。
左の 2 隅は遠くなり、右の 2 隅は近くなる。近いほうの寄与が強くなるので、合成した電場は右向きに残ります。
中心は電場が の点ですが、安定な位置ではありません。少しずれると、ずれた向きへさらに押し出される。
正電荷だけで囲んだ内側に、正電荷を静かに留めておける点は作れない。電場が という条件だけでは、そこに留まる保証になりません。
単位はどちらも同じものを見ている
電場の単位は 、電位の単位は です。 なので、 は と一致します。
電場は とも書ける。電位が距離あたりどれだけ変わるかが電場、という関係になっているためです[2]。
一様な電場なら の形で結べます。今回のように場所ごとに向きが変わる配置では、この単純な式は使えません。
検算のしかた
対称性の確認が最も早い。中心を通る軸で配置を折り返したとき、正負の並びまで同じに重なれば、その軸に垂直な成分は です。
電位の検算は符号の合計を見るだけ。正電荷と負電荷が同じ量なら、中心の電位は必ず になります。距離がそろっているためです。
数値の桁も見ておきます。 の に を入れるところを で割ってしまうと、答えが 7 倍ずれる。
正方形の 4 隅のうち、左上と右上に 、左下と右下に を置きます。中心について正しいものはどれですか。
- 電場も電位も
- 電場は でなく、電位は
- 電場は で、電位は でない
電場は矢印を描いてから足し、電位は符号を並べて足す。どちらを聞かれているかで手順が変わります。
















正と負が同量なので電位は 0 です。電場のほうは 4 本とも下向きの成分を持ち、足し合わさって残ります。両方 0 になるのは、対角どうしを同符号にした配置です。