Albert Einstein, que era físico teórico (não fazia experiências em laboratório), desenvolveu trabalhos muito importantes usando "experiências de pensamento" para facilitar a elaboração das idéias. Vamos também fazer uma "experiência de pensamento" a fim de entender alguns conceitos novos.

Suponhamos que haja, em um determinado local, uma grande carga positiva isolada, fixa, longe de quaisquer outras cargas. Utilizando a imagem das linhas de força, podemos visualizar (mentalmente) uma grande quantidade de linhas que nela se originam e se propagam pelo espaço. Já que não há outras cargas na vizinhança, essas linhas não se distorcem, e prosseguem em trajetórias retas até o infinito. Examinando bem a região em volta da carga, vemos que a densidade de linhas é maior perto da superfície, e vai se tornando menor com a distância. Isso acontece porque a carga é esférica, de maneira que as linhas se afastam umas das outras à medida que se propagam. De acordo com o que foi discutido no capítulo sobre Cargas Elétricas, isso significa que o campo elétrico é mais forte nas vizinhanças da carga, e vai ficando cada vez mais fraco com a distância. Podemos ver isso matematicamente se recordarmos a equação para a intensidade do campo, deduzida no capítulo sobre Forças Elétricas e Campos:

Nessa equação E é a intensidade do campo, k_o é a constante de proporcionalidade, Q é a carga que está originando o campo, e d é a distância da carga até o ponto considerado. Vejamos o que essa linguagem matemática significa para a Física.

Quanto vale a intensidade de campo elétrico E? Temos, do outro lado do sinal de "igual", a constante k_o multiplicada pela carga Q. O fato de essas duas grandezas estarem no numerador da fração significa que E é diretamente proporcional a elas. Ou seja, se k_o é grande, E será grande; se k_o é pequeno, E será pequeno. A mesma coisa com relação a Q. Uma carga grande gera um campo intenso, uma carga pequena gera um campo fraco. A distância d, no entanto, está no denominador. Isso quer dizer que a intensidade E é inversamente proporcional à distância: quanto maior a distância, menor o campo, e vice-versa. Mais ainda: d está elevado ao quadrado! Então, se a distância dobra, a intensidade do campo fica dividida por quatro; se a distância triplica, a intensidade fica dividida por nove, e assim por diante. Ou seja, a intensidade cai muito rapidamente com o aumento da distância.

Gastamos treze linhas e meia para dizer em palavras o que a equação matemática disse com quatro letras, cinco símbolos, e dois algarismos! Ainda bem que existe a Matemática!

Prossigamos com a nossa "experiência de pensamento". Vamos agora pegar uma outra carga positiva, muitíssimo menor que a primeira, e a designaremos pelo símbolo q. Será a nossa "carga de prova". É tão pequena a nossa carga de prova que as suas linhas de força perturbam muito pouco a distribuição de linhas da outra. Tanto que podemos ignorar completamente tal perturbação, enquanto brincamos com as duas cargas. A brincadeira consiste em colocar a carga pequena em diferentes lugares, perto da carga maior, e ver o que acontece.

Para começar, vamos colocar a carga menor dentro do campo elétrico da carga maior e soltá-la. Já sabemos que vai haver uma repulsão, porque as duas são positivas. A grande, Q, está fixa, então só a pequena, q, vai poder se mover. Assim que a largamos ela sai voando ao longo da linha de força que a estiver atravessando, e, se não a pegarmos de volta, vai para o infinito.

Continuando, vamos colocá-la de novo no campo elétrico, mas agora segurando-a para que não saia voando para o infinito. Pelo contrário: vamos empurrá-la para perto da carga Q, em movimento lento e sem aceleração. O que sentimos contra a palma da mão? Sentimos que a carga q empurra a nossa mão no sentido contrário, e que essa força se torna mais forte à medida que nos aproximamos de Q. É como se estivéssemos levando uma criança para tomar injeção, e nos aproximássemos cada vez mais da farmácia. Para compensar, temos que fazer cada vez mais força, se quisermos prosseguir nesse movimento com a mesma velocidade constante com que começamos.

Se repetirmos o procedimento começando de pontos diversos, descobriremos que para percorrer uma distância fixa, por exemplo 1 metro, a dificuldade será menor se o ponto inicial for mais afastado, e aumentará bastante para pontos iniciais mais próximos da carga Q. Então, gastaremos diferentes quantidades de energia para fazer a carga q percorrer a mesma distância de 1 metro, dependendo do ponto onde começarmos.

Isso significa que, dentro de um campo elétrico, os pontos não são equivalentes. Dependendo da distância em que eles se encontram da carga geradora, têm propriedades diferentes. Dizemos então que cada ponto, dentro de um campo elétrico, possui um determinado potencial. A grandeza potencial elétrico depende da intensidade da carga geradora do campo, da distância entre essa carga e o ponto considerado, e do meio material. A expressão matemática é:

onde V é o símbolo do potencial, cuja unidade no Sistema Internacional é o "volt", símbolo V (em homenagem a Alessandro Volta).

Naquela hora em que puzemos a carga q em um determinado ponto dentro do campo e depois a soltamos, ela foi espontaneamente de um ponto de maior potencial para outro de menor potencial. Se tivéssemos deixado, ela teria ido para o ponto de potencial mais baixo possível, no infinito. Então, existe uma diferença de potencial entre os pontos que formam a trajetória da carga. O que está provocando essa diferença é a distância d, já que os outros parâmetros (a constante de proporcionalidade k_o e a carga geradora Q) permanecem inalteradas. Dá pra tirar duas conclusões importantes:

# uma carga positiva se move, espontaneamente, do ponto de maior potencial para o ponto de menor potencial;

# os pontos que se localizam a uma mesma distância da carga geradora do campo possuem o mesmo potencial, e portanto formam uma superfície equipotencial.

A carguinha q, quando se encontra em um ponto de potencial V, possui uma determinada energia potencial elétrica que pode ser calculada pela fórmula

sendo W o símbolo da energia, cuja unidade no Sistema Internacional é o "joule" (pronuncia-se "jáule"), símbolo J, em homenagem ao físico inglês James Prescott Joule (1818-1889).

Assim, quando q vai espontaneamente do maior para o menor potencial, ela "perde" energia potencial. (Notar que "potencial" é uma propriedade do ponto, enquanto que "energia potencial" é uma propriedade da carga de prova.)

O "Princípio de Conservação da Energia" diz: em um sistema isolado, a energia total permanece constante; as várias formas de energia existentes nesse sistema podem se transformar umas nas outras, mas não podem ser criadas nem destruídas. Então o que acontece com a energia potencial "perdida" pela carguinha q é uma transformação em energia cinética (ou "energia de movimento"): a velocidade aumenta à medida que ela se afasta da carga geradora Q. Suponhamos que ela chegue finalmente a uma distância infinita, onde o potencial é zero. Nesse ponto sua velocidade será máxima, porque toda a energia potencial terá sido convertida em cinética.