Le concept de potentiel électrique est étroitement lié à celui de champ électrique. Une petite charge placée dans un champ électrique subit une force. Amener la charge à ce point, contre cette force, nécessite un travail. Le potentiel électrique en tout point est défini comme l’énergie nécessaire pour amener lentement une unité de charge d’essai d’une distance infinie à ce point. Il est généralement mesuré en volts, 1 volt représentant le potentiel pour 1 joule dépensé pour amener une charge de 1 coulomb depuis l’infini. Cette définition du potentiel, bien que formelle, a peu d’applications pratiques, et un concept plus utile est celui de différence de potentiel électrique, l’énergie requise pour déplacer une charge unitaire entre deux points spécifiés. Un champ électrique a la propriété particulière d’être conservatif, ce qui signifie que le chemin emprunté par la charge d’essai n’est pas pertinent : tous les chemins entre deux points spécifiés dépensent la même énergie, et on peut donc énoncer une valeur unique pour la différence de potentiel.
Pour des raisons pratiques, il est utile de définir un point de référence commun auquel les potentiels peuvent être exprimés et comparés. Bien que ce point puisse être à l’infini, une référence beaucoup plus utile est la Terre elle-même, qui est supposée être au même potentiel partout. Ce point de référence prend naturellement le nom de « terre ». La Terre est supposée être une source infinie de charges positives et négatives à quantités égales, et est donc électriquement non chargée — et non chargeable.
Le potentiel électrique est un scalaire, c’est-à-dire qu’il n’a qu’une magnitude et pas de direction. Il peut être considéré comme analogue à la hauteur : de la même manière qu’un objet relâché tombera d’une certaine différence de hauteur causée par un champ gravitationnel, une charge « tombera » d’une certaine différence de potentiel causée par un champ électrique. De la même manière que les cartes en relief montrent des courbes de niveau marquant les points de hauteur égale, des lignes de champ marquant des points à potentiel égal (connues sous le nom d’équipotentielles) peuvent être dessinées autour d’un objet chargé électrostatiquement. Les équipotentielles croisent toutes les lignes de force à angle droit. Elles doivent également être parallèles à la surface d’un conducteur, sinon cela produirait une force qui déplacerait les porteurs de charge pour égaliser le potentiel de la surface.
Le champ électrique est formellement défini comme la force exercée par unité de charge, mais le concept de potentiel permet une définition plus utile et équivalente : le champ électrique est le gradient local du potentiel électrique. Généralement exprimé en volts par mètre, la direction du vecteur du champ est la ligne de plus grand potentiel, et l’endroit où les équipotentielles sont les plus proches l’une de l’autre.
