Charles Agustin Coulomb (1736- 1806) midió cuantitativamente la atracción y repulsión eléctricas y dedujo la ley que las gobierna. Para ello utilizó una balanza de torsión. Su aparato, mostrado en la figura 4 se asemeja a la varilla colgante de la figura 2, excepto que las cargas de la figura 4 están confinadas a las pequeñas esferas a y b.
Si a y b se cargan, la fuerza eléctrica sobre a tiende a retorcer la fibra de suspensión. Coulomb canceló este efecto de torsión al girar la cabeza de la suspensión en un ángulo θ necesario para mantener a las dos cargas con determinada separación. El ángulo θ es entonces una medida relativa de la fuerza eléctrica que actúa sobre la carga a.
Para todas aquellas cargas puntuales cuya distancia es superior al tamaño de las propias cargas, Coulomb dedujo que la fuera eléctrica es proporcional a 1/r^ 2. Es decir, cuando se duplica la distancia r, la fuerza disminuye 1/4 de su valor inicias; al disminuir la mitad de la distancia r, la fuerza incrementa cuatro veces su valor inicial.
Las fuerzas de dos cargas puntuales q1 y q2 ejercen una sobre la otra son proporcionales a cada carga, por lo que son también proporcionales a su producto q1q2.
De esta forma estableció la que se conoce ahora como la Ley de Coulomb:
La magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de a distancia que las separa.
Los experimentos realizados por Coulomb y sus contemporáneos demostraron que la fuerza eléctrica que un cuerpo cargado ejerce sobre otro depende directamente de las magnitudes de las dos cargas e inversamente del cuadrado de su separación. Esto es,
Aquí F es la magnitud de la fuerza mutua que actúan sobre cada una de las dos cargas a y b; q1 y q2 son las medidas relativas de las cargas en las esferas a y b, y r es la distancia entre sus centros. La fuerza en cada carga debida a la otra actúa a lo largo de la línea que une a las cargas. Las dos fuerzas apuntan en sentidos opuestos pero tienen magnitudes iguales, aun cuando las cargas sean diferentes.
Para convertir la proporcionalidad anterior en una ecuación introducimos una constante de proporcionalidad, la cual representaremos como k. Así, obtenemos, para la fuerza entre las cargas,
La anterior ecuación, que se llama ley de Coulomb, generalmente se cumple sólo para objetos cargados cuyas dimensiones sean mucho menor que la distancia entre ellos.
En términos matemáticos, la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales, q1 y q2, separadas una distancia r, ejerce sobre la otra se expresa como,
Se utiliza la notación de valor absoluto porque las cargas q1 y q2 pueden ser positivas o negativas; en tanto que la magnitud de la fuerza F siempre es positiva.
Las direcciones de las fuerzas que las dos cargas ejercen sobre la otra siempre son a lo largo de la recta que las une. Cuando las cargas q1 y q2 tienen el mismo signo, positivo o negativo, las fuerzas son de repulsión; cuando las cargas tienen signos opuestos, las fuerzas son de atracción (figura 21.10b). Las dos fuerzas obedecen la tercera ley de Newton; siempre tienen la misma magnitud y dirección opuesta, aun cuando las cargas no tengan igual magnitud.
El valor de la constante de proporcionalidad k en la ley de Coulomb depende del sistema de unidades que se emplee. La unidad del SI para la carga eléctrica se llama coulomb (1 C). En unidades del SI, la constante k es
El valor de k es un número muy alto de cifras significativas, y esto se debe a que está relacionado con la rapidez de la luz en el vacío.
(“épsilon cero”) es otra constante: Constante de permitividad eléctrica
En unidades del SI, la constante k de la ecuación de la ley de Coulomb se escribe por lo general como
De esta forma la Ley de coulomb nos queda de la siguiente forma