À l’échelle microscopique, les atomes sont formés par des protons positifs, des neutrons neutres et des électrons négatifs. L’électrification par frottement s’explique par le transfert d’électrons d’un corps à un autre. Les interactions des particules chargées sont responsables de la liaison des électrons aux atomes et des atomes aux atomes pour former les molécules. Elles sont aussi fondamentalement à l’origine des propriétés de la matière macroscopique telles que la cohésion des solides et des liquides, les frottements, l’élasticité, la viscosité etc.
En 1785, Coulomb a réussi à mesurer la force d’interaction de deux petites boules de charges q1 et q2 en utilisant une balance de torsion (Fig. 1.1a).
où e12 est le vecteur unitaire dans la direction r12. Ko est une constante positive. Son remplacement par 1/4π\mathcal{E}o est pour une raison de commodité (système rationalisé ou de Heaviside). Inversement la charge q2 agit sur q1 avec une force
oùLa loi de Coulomb ressemble à la loi d’attraction universelle de Newton \mathbf{F}_{1 \rightarrow 2}=-G m_1 m_2 \mathbf{r}_{12} / r_{12}^3. Précisons que ces lois sont valables pour des corps ponctuels ; c’est-à-dire de dimensions négligeables comparées à la distance qui les sépare.
Les expériences (de Millikan, par exemple) montrent qu’à l’échelle microscopique, la charge électrique des particules ne prend pas des valeurs continues mais seulement des multiples entiers (0, \pm e, \pm 2 e, \pm 3 e etc.) d’une charge élémentair…