
In fisica, la forza di Coulomb, descritta dalla legge di Coulomb, è la forza esercitata da un campo elettrico su una carica elettrica. Si tratta della forza che agisce tra oggetti elettricamente carichi, ed è operativamente definita dal valore dell'interazione tra due cariche elettriche puntiformi e ferme nel vuoto.
Dalla legge di Coulomb si rende visibile come all'interazione elettromagnetica sia associata una forza particolarmente intensa se confrontata con l'interazione gravitazionale: la forza elettrica tra un elettrone e un protone in un atomo d'idrogeno è 10 volte superiore rispetto alla forza gravitazionale tra le due.
Per facilitare la generazione di cariche elettrostatiche si utilizza solitamente un generatore elettrostatico; tra i più famosi si hanno l'elettroforo perpetuo ed il generatore di Van de Graaff. Lo sfruttamento pratico della forza esercitata tra le cariche elettriche avviene ad esempio con il propulsore ionico e il propulsore ionico elettrostatico, mentre il manifestarsi naturale o indotto di tale forza elettrica è visibile con l'effetto corona o il potere disperdente delle punte (tra cui i fuochi di Sant'Elmo).
Le prime indagini su tale forza si hanno in Grecia nel 600 a.C. con Talete di Mileto e Teofrasto, e riguardano esperimenti di elettrostatica con l'ambra e la seta (o in alternativa la lana). Successivamente, studi più approfonditi presero luogo dal XVI al XIX secolo: in particolare, fino alla metà del XVIII secolo erano noti solo gli aspetti qualitativi della forza elettrica: si iniziò allora a studiarne anche le proprietà quantitative, così che si fece strada l'idea di una somiglianza con la forza di gravità. Aspetti come:
Tra il 1777 e il 1785 fu Charles Augustin de Coulomb a provare sperimentalmente che effettivamente la forza elettrica era proporzionale all'inverso del quadrato della distanza; ma non fu il primo, dato che gli stessi esperimenti di Coulomb furono precedentemente condotti dall'inglese Henry Cavendish, il quale per la sua bizzarra personalità non pubblicò la maggior parte dei suoi lavori. Questo è stato il primo tentativo di capire il funzionamento della "forza elettrica".
Si considerino due cariche puntiformi interagenti, il cui valore (positivo o negativo) è indicato con formula_1 e formula_2, nelle posizioni formula_3 e formula_4. La forza di Coulomb è la forza esercitata da formula_2 su formula_1 (o, in modo opposto, da formula_1 su formula_2), e ha l'espressione:
dove formula_10 è la costante di Coulomb, che è pari a:
con formula_12 la costante dielettrica del vuoto, il cui valore è:
Se formula_14 è la distanza tra le cariche, il modulo formula_15 della forza è:
La forza tra due cariche è proporzionale al prodotto dei loro valori formula_1 e formula_2, inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, ed è diretta come la congiungente formula_19 delle due cariche. Si tratta di una forza repulsiva nel caso le cariche abbiano segno uguale, attrattiva altrimenti. La forma vettoriale si ottiene sapendo che la direzione della forza è uguale alla direzione della differenza dei vettori posizione delle due cariche.
La formula può essere estesa considerando cariche in presenza di altri materiali (non nello spazio vuoto) e non puntiformi. In generale, nella formula di Coulomb deve essere inserita la permittività elettrica del mezzo che separa le due cariche.
In presenza di un dielettrico la forza di Coulomb è diminuita in rapporto alla costante dielettrica relativa formula_20, dove formula_21 è la costante specifica del mezzo e formula_12 la permittività elettrica nel vuoto:
Si noti che formula_24, e quindi il dielettrico riduce la forza di interazione fra due cariche elettriche. La riduzione del campo elettrico è indipendente dalla massa dei dielettrici coinvolti, mentre varia con la loro disposizione spaziale. In secondo luogo, la formula di Coulomb può essere estesa a cariche non puntiformi. Le cariche non puntiformi possono essere considerate ricorrendo agli integrali.
Sperimentalmente si è verificato che la deviazione dell'esponente dal valore teorico 2 è minore di circa 10.
Dato un numero "n" di cariche puntiformi formula_25 distribuite nello spazio, per il principio di sovrapposizione il campo elettrostatico nella posizione formula_26 è dato dalla somma dei singoli contributi:
dove formula_25 e formula_29 sono il valore e le posizioni della "i"-esima carica.
In generale, per una distribuzione continua di carica si ha:
dove formula_31 rappresenta la densità di carica nello spazio:
e formula_33 rappresenta la regione di spazio occupata dalla distribuzione di carica.
Nel vuoto, il campo elettrico formula_34 in un punto dello spazio è definito come la forza per unità di carica elettrica positiva alla quale è soggetta una carica puntiforme, detta carica "di prova", se posta nel punto. Il vettore è quindi dato dal rapporto tra la forza elettrica agente sulla carica di prova ed il valore della carica stessa, purché la carica di prova sia sufficientemente piccola da provocare una perturbazione trascurabile sull'eventuale distribuzione di carica che genera il campo:
Il campo è indipendente dal valore della carica di prova usata, essendone indipendente il rapporto tra la forza e la carica stessa, e questo mostra che il campo elettrico è una proprietà caratteristica dello spazio. Dalla definizione si ricava che l'unità di misura del campo elettrico è formula_36, che equivale a formula_37.
Dalla legge di Coulomb segue che una carica formula_38 posta in formula_39 genera un campo elettrostatico che in un punto qualsiasi formula_26 è definito dalla seguente espressione:
dove formula_42 è la costante dielettrica nel vuoto.


In fisica, una linea di campo di un campo vettoriale, anche detta linea di forza nel caso di un campo di forze, è una curva ideale che ha come tangente in ogni punto la direzione del vettore del campo stesso. Per ogni punto passa una sola linea di campo che perciò si può dire univocamente definita.
Generalmente le linee di campo, ad esempio nel caso di un campo elettrico, vengono disegnate radialmente rispetto alla carica che genera il campo. Esse sono orientate uscenti se la carica è positiva, entranti se la carica è negativa. Il verso del campo viene indicato tramite un'opportuna freccia. Questo caso non è valido, ad esempio, per un campo magnetico, dove le linee di campo sono chiuse e si dispongono in direzione dei poli magnetici.
Il numero di linee di campo che vengono disegnate è anche un indice quantitativo dell'intensità del campo stesso.
In un campo elettrostatico le linee di campo non possono essere chiuse. Se per assurdo ci fosse una linea di campo chiusa, la circuitazione del campo lungo tale linea sarebbe "non" nulla, in contrasto con la conservatività del campo elettrico.
In un campo elettrostatico le linee di campo sono dunque linee "aperte" e hanno inizio o fine su una carica. Il verso di tali linee è sempre quello che va dalla carica positiva a quella negativa.
