Η μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ φορτισμένων σωμάτων ξεκινά από τον Έλληνα Θαλή το Μιλήσιο (600 π.Χ.), ο οποίος τρίβοντας το ήλεκτρο (κεχριμπάρι) με ξηρό ύφασμα, παρατήρησε ότι αυτό μπορεί να έλκει μικρά αντικείμενα όπως μικρά κομμάτια χαρτιού. Γι' αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε ηλεκτρισμός.

Παράλληλα παρατηρήθηκε η ιδιότητα που έχουν κάποια πετρώματα (Μαγνησία γη), να έλκουν τα σιδερένια αντικείμενα. Το φαινόμενο αυτό αντίστοιχα, ονομάστηκε Μαγνητισμός.

Τα δύο αυτά φαινόμενα θεωρούνταν ανεξάρτητα και μελετήθηκαν χωριστά ως το 1820. Τότε ο Δανός Hans Christian Oersted (1777-1851), διαπίστωσε πειραματικά ότι υπάρχει σχέση μεταξύ των δύο φαινομένων. Ακολούθησε πλήθος ερευνητών που μελέτησαν τη σχέση αυτή.

Κυριότεροι από τους ερευνητές ήταν ο Michael Faraday (1791-1867), ο Marie Ampere (1775-1836) και ο James Clerk Maxwell (1831-1879). Ο J.C. Maxwell μετά από μελέτες έφτασε στο συμπέρασμα ότι και το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Ο Maxwell με τέσσερις εξισώσεις του (1864), ολοκλήρωσε τη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού. Η ενοποίηση ηλεκτρισμού-μαγνητισμού (θεωρία ηλεκτρομαγνητισμού) που αποτυπώνεται στο παρακάτω διάγραμμα, αποτέλεσε ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της ανθρώπινης διανόησης.

Ο Charles Augustin Coulomb το 1784 μετά από μία σειρά πειραμάτων, κατάφερε να μετρήσει τις δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων. Τα συμπεράσματα διατύπωσε με τον παρακάτω νόμο που φέρει το όνομά του.

«Κάθε σημειακό ηλεκτρικό φορτίο ασκεί δύναμη σε κάθε άλλο σημειακό ηλεκτρικό φορτίο. Το μέτρο της δύναμης είναι ανάλογο του γινομένου των φορτίων που αλληλεπιδρούν και αντίστροφα ανάλογο με το τετράγωνο της μεταξύ τους απόστασης.»

Το μέτρο αυτής της ηλεκτρικής δύναμης* δίνεται από την σχέση:

F_C = k·|q₁·q₂|r²     1

Η δύναμη Coulomb έχει:

Μέτρο: 

Υπολογίζεται από τη σχέση (1).

Διεύθυνση: 

Τη διεύθυνση της ευθείας που ενώνει τα δύο σημειακά φορτία**, που είναι και φορέας της.

Φορά: 

Οι δυνάμεις Coulomb είναι ελκτικές για ετερώνυμα και απωστικές για ομώνυμα ηλεκτρικά φορτία.

Σημείο εφαρμογής: 

Τα σημειακά φορτία q₁ και q₂.

Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου στο S.I. είναι το 1C (1 Coulomb).

Η σταθερά k ονομάζεται ηλεκτρική σταθερά και εξαρτάται από το σύστημα μονάδων και το μέσο στο οποίο βρίσκονται τα ηλεκτρικά φορτία.

Όταν τα ηλεκτρικά φορτία που αλληλεπιδρούν βρίσκονται στο κενό και κατά προσέγγιση στον αέρα, η σταθερά k δίνεται από τη σχέση:

k = 14·π·ε_o

όπου ε_o μία φυσική σταθερά που ονομάζεται απόλυτη διηλεκτρική σταθερά του κενού και έχει τιμή στο S.I.:

ε_o = 8,85·10^-12C²N·m²

Επομένως η σταθερά k έχει τιμή στο S.I. κατά προσέγγιση

k ≈ 9·10⁹N·m²C²

Ο νόμος του Coulomb ακολουθεί τον νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου, όπως και ο νόμος της παγκόσμιας έλξης δηλαδή:

F = σταθ.·1r²     (Εικ. 2)

Ο Coulomb το 1785 χρησιμοποιώντας τον ομώνυμο «ζυγό στρέψης του Coulomb», επιβεβαίωσε το νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου (Εικ. 3).

*   

Η δύναμη αυτή ονομάζεται και δύναμη Coulomb.

**   

Στη συνέχεια όταν χρησιμοποιήσουμε τον όρο φορτίου θα εννοούμε σημειακό ηλεκτρικό φορτίο, δηλαδή το φορτίου που φέρει ένα σώμα που θεωρείται σημειακό αντικείμενο.

Παράδειγμα 1

Δυο μικρά σώματα, έχουν φορτία q₁ = +2C και q₂ = -2C. Τα σώματα απέχουν 2m. Να υπολογισθεί το μέτρο της ελκτικής δύναμης που ασκεί το ένα φορτίο στο άλλο.

Λύση

Το μέτρο της δύναμης είναι:

F_C = k·|q₁·q₂|r² = 9·10⁹N·m²C²·2C·2C(2m)² = 9·10⁹N

Παράδειγμα 2

Να υπολογισθεί η δύναμη Coulomb που ασκείται μεταξύ πρωτονίου - ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου και να συγκριθεί με τη δύναμη παγκόσμιας έλξης που ασκείται μεταξύ τους. Πόση θα έπρεπε να είναι η μάζα του πυρήνα, ώστε οι δύο δυνάμεις να είναι ίσου μέτρου;

Δίδονται:  

φορτίο πρωτονίου q_p = +1,6·10^-19C,

μάζα πρωτονίου m_p = 1,7·10^-27kg,

φορτίο ηλεκτρονίου q_e = -1,6·10^-19C,

μάζα ηλεκτρονίου m_e = 9,1·10^-31kg,

ηλεκτρική σταθερά k = 9·10⁹N·m²/C²,

σταθερά παγκόσμιας έλξης G = 6,7·10^-11N·m²/kg² και

ακτίνα τροχιάς του ηλεκτρονίου r = 5,3·10^-11m.

Λύση

Η δύναμη Coulomb μεταξύ πρωτονίου-ηλεκτρονίου είναι:

F_C = k·|q_p·q_e|r² = 9·10⁹·(1,6·10^-19C)·(1,6·10^-19C)(5,3·10^-11m)² = 8,2·10^-8N

Η δύναμη παγκόσμιας έλξης μεταξύ των μαζών πρωτονίου-ηλεκτρονίου είναι:

F_N = G·m_p·m_er² = 6,7·10^-11N·m²Kg²·1,7·10^-27kg·9,1·10^-31kg(5,3·10^-11m)² = 3,7·10^-47N

Άρα:

F_CF_N = 2,2·10⁺³⁹

Η δύναμη Coulomb είναι περίπου 10³⁹ φορές μεγαλύτερη από τη δύναμη παγκόσμιας έλξης, γι' αυτό επικρατεί και οικοδομεί τον μικρόκοσμο.

Για τον υπολογισμό της υποθετικής μάζας m′_p του πυρήνα εργαζόμαστε ως εξής:

F′_N = F_C     ή     G·m′_p·m_er² = k·|q_p·q_e|r²     ή

m′_p = k·|q_p·q_e|G·m_e     ή     m′_p = 9·10⁹N·m²/C²·(1,6·10^-19C)²6,7·10^-11N·m²/kg²·9,1·10^-31kg     ή

m′_p = 3,8·10¹²Kg

Δηλαδή η μάζα του πυρήνα θα έπρεπε να είναι δέκα χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός τάνκερ 380.000 τόνων!!!