Lo scopo che si era prefisso Charles-Augustin de Coulomb (1736 - 1806) era quello di capire che cosa determina l’intensità di una forza elettrostatica. Egli voleva isolare tutti e soli quegli elementi che sono importanti per calcolare, e quindi controllare, l’attrazione o la repulsione tra due corpi che abbiano subito un processo di elettrizzazione.
Lo scienziato fu in grado di capire quale ruolo ricoprisse la distanza e come all’aumentare della stessa la forza diminuisse secondo l’inverso del suo quadrato. Si rese inoltre conto che era necessario inventare una nuova grandezza fisica, la carica elettrica. Quest’ultima permette di evidenziare la differenza tra un corpo “poco” o “molto” elettrizzato e quantificare di conseguenza il processo di elettrizzazione. Tutte queste informazioni sono riassunte nella legge di Coulomb:$$F = \frac{1}{4\pi\varepsilon}\frac{Q_1Q_2}{r^2}$$Nella formula, le due cariche elettriche sono rappresentate da $Q_1$ e $Q_2$, mentre la distanza a cui sono poste è $r$.
Coulomb condusse tutti i suoi esperimenti nell’atmosfera terrestre. Ma cosa sarebbe successo se al posto dell’aria ci fosse stato un’altra sostanza isolante, come il vuoto o l’olio? I mezzi materiali hanno l’effetto di indebolire sempre la forza elettrica: di questo fatto la legge sopra riportata tiene conto grazie alla costante dielettrica, qui indicata con la lettera greca $\varepsilon$ (si legge epsilon). Ogni sostanza è infatti caratterizzata da un proprio valore di $\varepsilon$ che esprime quanto è capace di schermare l’interazione elettrostatica: come si vede dall’espressione matematica della legge di Coulomb, più è alto il valore di $\varepsilon$, minore sarà l’intensità della forza elettrostatica. La costante dielettrica del vuoto è indicata con $\varepsilon_0$ e vale numericamente $ 8,854 187 817 \ \ 10^{-12} \ \text{C}^2 \text{m}^{-2} \text{N}^{-1}$.
Questo effetto è dovuto alla struttura microscopica della materia. Gli atomi che compongono una sostanza sono elettricamente neutri solo perchè le particelle cariche di cui sono composti (elettroni e protoni) sono disposte in modo da bilanciarsi reciprocamente. La presenza di cariche elettriche esterne, come $Q_1$ e $Q_2$, tendono a modificare la forma degli atomi intorno a sé, attraendone le cariche opposte. L’effetto complessivo è che $Q_1$ e $Q_2$ appaiono come ricoperte da una specie di guscio di carica opposta che ne indebolisce la reciproca capacità di attrarsi o respingersi.