Основной закон взаимодействия электрических зарядов был найден Шарлем Кулоном в 1785 г. экспериментально. Кулон установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими заряженными металлическими шариками обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от величины зарядов и :
,
где - коэффициент пропорциональности . Силы, действующие на заряды, являются центральными, то есть они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды. Для одноименных зарядов произведение и сила соответствует взаимному отталкиванию зарядов, для разноимнных зарядов , и сила соответствует взаимному притяжению зарядов.
Закон Кулона можно записать в векторной форме:
,
где - вектор силы, действующей на заряд со стороны заряда ,
- радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом ; - модуль радиус-вектора.
Сила, действующая на заряд со стороны равна
, .
Силы, действующие на заряды, являются центральными и направлены вдоль прямой, соединяющей заряды (рис.1.1.1).
Закон Кулона в такой форме справедлив только для взаимодействия точечных электрических зарядов, то есть таких заряженных тел, линейными размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними. Кроме того, он выражает силу взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами, то есть это электростатический закон.
Формулировка закона Кулона:
Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и направлнеа пр прямой, соединяющей звряды.
Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от свойств среды и выбора единиц измерения величин, входящих в формулу. Поэтому можно представить отношением
,
где - коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц измерения;
- безразмерная величина, характеризующая электрические свойства среды, называется относительной диэлектрической проницаемостью среды. Она не зависит от выбора системы единиц измерения и равна единице в вакууме.
Тогда закон Кулона примет вид:
,
для вакуума , тогда - относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами и , находящимися друг от друга на расстоянии , меньше, чем в вакууме.
В системе СИ коэффициент , и закон Кулона имеет вид:
.
Это рационализированная запись закона Кулона. - электрическая постоянная, .
В векторной форме закон Кулона принимает вид где - вектор силы, действующей на заряд со стороны заряда , - радиус-вектор, проведенный из заряда к заряду (рис.1.1.2 ), r –модуль радиус-вектора .
Всякое заряженное тело состоит из множества точечных электрических зарядов, поэтому электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна векторной сумме сил, приложенных ко всем точечным зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.