以下に簡単な例を示す。
右の図のように(0,0,rz)にQなる電荷、(0,0,−rz)に−Qなる電荷があるとする。(ただし、rz,Q>0)
この時、電位φ=0の等電位面を求める。
任意の点r=(x,y,z)における電位φ(r)は、
φ(r)=Q/4πε0*(1/(x2+y2+(z−rz)2)1/2 −1/(x2+y2+(z+rz)2)1/2)
さてφ=0であるから上式を変形すれば、点rの座標の関数として、
z=0
が得られる。よってこれが、φ=0の等電位面をあらわす式である。
よって、接地された導体平面から距離hにある点電荷による電界等を考える場合には、点電荷から導体平面におろした垂線の足
に対して点対称の位置に、大きさが同じで逆符号の点電荷を考えれば良い。(導体表面に鏡を想定して、
鏡の中の点電荷の位置に大きさが同じで逆符号の点電荷を考える)
接地された導体平面に対して電荷が連続的に分布する場合には、電界等の分布は、電荷に対して重ね合わせることができることを応用して、
連続分布の電荷を点電荷とみなせるほど小さく分けて夫々の点電荷についての影像電荷を考えれば、導体表面での電界等の分布は表現される。
影像電荷の分布は、電荷の符号を変えて導体表面に鏡を想定して得られた電荷の分布に一致する。
右の図のように原点に−qなる電荷、(0,0,r)にQなる電荷があるとする。(ただし、r,Q,q>0)
この時、電位φ=0の等電位面を求める。
任意の点r=(x,y,z)における電位φ(r)は、
φ(r)=1/4πε0*(−q/(x2+y2+z2)1/2 +Q/(x2+y2+(z−r)2)1/2)
さてφ=0であるから上式を変形すれば、点rの座標の関数として、
Q/(x2+y2+(z−r)2)1/2) =q/(x2+y2+z2)1/2
Q2(x2+y2+z2)=q2(x2+y2+(z−r)2)
(Q2−q2)(x2+y2+z2)+2rq2z=q2r2
x2+y2+(z+rq2/(Q2−q2))2
=q2r2/(Q2−q2)+(rq2/(Q2−q2))2
=r2q2Q2/(Q2−q2)2
=(rqQ/(Q2−q2))2
が得られる。よってこれが、φ=0の等電位面をあらわす式である。
φ=0の等電位面は、中心−rq2/(Q2−q2)、半径rqQ/(Q2−q2)の球をあらわす。
そこで、この等電位面を導体球に置き換えてみる。
φ=0より、導体球は接地されている。導体球の半径をR、導体球の中心からL(L>R)の位置にQなる点電荷があるとする。
上で求めた、球の式と対応させると、
L=rq2/(Q2−q2)+r=rQ2/(Q2−q2)
R=rqQ/(Q2−q2)
となる。変形すれば、L/R=Q/q、rq2/(Q2−q2)=Rq/Q
初めの式からq=QR/L、2番目の式からrq2/(Q2−q2)=RR/Lが与えられる。
それぞれ、影像電荷の大きさと導体球の中心を基準にした影像電荷の位置を表している。
よって、導体球の中心から点電荷の方向へRR/Lの位置に−QR/Lなる点電荷を考えれば、導体球外側の電界等は表現される。
(’導体球の半径と導体球の中心から点電荷までの距離の比(R/L)’と導体球の半径をかけた距離(RR/L)と
この比と点電荷をかけて符号を入れ替えた電荷(−QR/L)で影像電荷は表される。)