靜電基本實(shí)驗(yàn)法拉第冰桶實(shí)驗(yàn)

1843年，M.法拉第將一只盛冰用的錫鉛合金桶（直徑為7英寸,高為10.5英寸）和一只靈敏的金箔驗(yàn)電器相連接（圖4冰桶實(shí)驗(yàn)）,進(jìn)行了一系列精確的實(shí)驗(yàn)，并得出了定量的結(jié)論。

① 用絲線懸掛帶電的導(dǎo)體球,從冰桶小口降到冰桶內(nèi)腔深處,但不接觸桶壁（圖5實(shí)驗(yàn)①示意）。如果導(dǎo)體球帶的是正電，由于靜電感應(yīng)作用，桶壁內(nèi)表面就出現(xiàn)負(fù)電，正電則轉(zhuǎn)移到桶壁外表面和驗(yàn)電器下端，原先垂下的兩片金箔因而得到正電，互相排斥而張開。

② 移動(dòng)帶電球在桶內(nèi)的位置,只要不提升到靠近桶口的地方，金箔的張角就保持不變。所以金箔的張角能可靠地顯示深入桶內(nèi)的電荷。把帶電球體提出桶外，移到遠(yuǎn)處，金箔就下垂。

③ 令桶內(nèi)的帶電球體與桶壁內(nèi)表面接觸,金箔張角不變。然后把球體提出桶外，金箔張角仍不變。但球體已喪失了全部電荷。

④ 令帶電球體懸在桶內(nèi),金箔張開，然后以手指觸一下桶壁外表面，金箔就下垂，表示冰桶外表面和驗(yàn)電器上原先感應(yīng)的電荷通過人體傳入大地。再提出帶電球體，金箔又張開。但桶外表面的電荷與球體的電荷性質(zhì)相反。再把帶電球體放入桶內(nèi)，金箔由張開轉(zhuǎn)入下垂。待球體落到桶底，與桶壁接觸后，再提出桶外，全過程中金箔始終保持下垂，可見球體已失去了所有的電荷。

⑤ 令帶電的導(dǎo)體球A懸在桶內(nèi)深處，觀察金箔的張角。然后把任意形狀和材料構(gòu)成的不帶電的導(dǎo)體球 B懸入桶內(nèi)，金箔張角不變。令B和A接觸，張角仍不變。最后把物體B提出桶外,因?yàn)锽把從A分得的那部分電荷帶走了，所以張角縮小。

⑥ 把絲綢系在絕緣棒的下端,與玻璃棒一同伸入桶內(nèi)，互相摩擦，金箔保持下垂不動(dòng)。如果把絲綢或玻璃棒撤出桶外，金箔就張開同樣的角度。

冰桶實(shí)驗(yàn)①～④的結(jié)果表明，靜電感應(yīng)作用下出現(xiàn)的異性電荷是等量的。實(shí)驗(yàn)⑥的結(jié)果表明，摩擦起電必定使等量的異性電荷同時(shí)出現(xiàn)。所以，無論用感應(yīng)方法或用摩擦方法都不能產(chǎn)生電荷，只能使共存的等量異性電荷互相分離。分離的等量異性電荷的重新結(jié)合叫做中和。中和只是使異性電荷的靜電效應(yīng)互相抵消，絕不是電荷的消滅。

實(shí)驗(yàn)⑤的結(jié)果表明，傳導(dǎo)只能使分離出來的電荷分配于導(dǎo)體A和B，電荷的總量既不增也不減。

以上全部結(jié)果可概括為一條，即電荷不能創(chuàng)生也不能消滅，任何過程中系統(tǒng)內(nèi)正電荷與負(fù)電荷的代數(shù)和保持不變，這就是電荷守恒定律。電荷守恒定律經(jīng)過一切物理事實(shí)的檢驗(yàn)而得到公認(rèn)。

令一對(duì)支持在絕緣座上的導(dǎo)體B和C互相接觸（圖3靜電感應(yīng)）,然后把帶電體A移近導(dǎo)體B的右測(cè)。如果A帶的是正電，則因異性電相吸，導(dǎo)體B的右端出現(xiàn)負(fù)電；同時(shí)，因同性電相斥,導(dǎo)體C的左端出現(xiàn)正電。這種現(xiàn)象叫做靜電感應(yīng)。如果這時(shí)把導(dǎo)體B和C分開，就可以使兩端感應(yīng)的電荷分別保留在兩導(dǎo)體上。

導(dǎo)體B和C所獲得的電荷的性質(zhì)可用驗(yàn)電器檢驗(yàn)。令帶電體A接觸驗(yàn)電器的木髓球，它從A通過傳導(dǎo)獲得正電后，就被斥離。然后，移此驗(yàn)電器試驗(yàn)B和C導(dǎo)體，帶有正電的木髓球被B吸引而被C推斥,證明前者帶有負(fù)電,后者帶有正電。

正電和負(fù)電的概念，起源于下列一些實(shí)驗(yàn)。

① 以毛皮摩擦使兩根樹脂棒帶電,其中一根是用細(xì)絲線水平懸置的（圖2帶電體的作用力）,再把另一根向它移近，它就受到斥力而后退。

② 改用絲綢摩擦兩條玻璃棒重演上述試驗(yàn),帶電的玻璃棒也互相推斥。

③ 把用毛皮摩擦過的樹脂棒水平懸置在絲線上,再用絲綢摩擦過的玻璃棒靠近它，兩者會(huì)互相吸引。

法國(guó)科學(xué)家 C.-F.迪費(fèi)用類似的方法對(duì)多種材料進(jìn)行試驗(yàn)后提出:有兩種而且只有兩種性質(zhì)不同的電。玻璃棒經(jīng)絲綢摩擦后所帶的電可做為一種電的代表，迪費(fèi)稱為“玻璃電”；樹脂棒經(jīng)毛皮摩擦后所帶的電為另一種電的代表，迪費(fèi)稱為“樹脂電”。后來，玻璃電改稱正電或陽電；樹脂電改稱負(fù)電或陰電。迪費(fèi)還提出靜電力的定性規(guī)律：異性電相吸，同性電相斥。

用毛皮摩擦樹脂棒，用絲綢摩擦玻璃棒，然后把這兩根帶異性電的棒分別懸掛。把毛皮移近樹脂棒，或把絲綢移近玻璃棒，都表現(xiàn)出相吸；而把毛皮移近玻璃棒，或絲綢移近樹脂棒，則都表現(xiàn)出相斥。這說明摩擦使異性電同時(shí)出現(xiàn)在互相摩擦的一對(duì)物體上。

可由下列實(shí)驗(yàn)了解傳導(dǎo)和絕緣的現(xiàn)象。

① 手持膠木棒中段，用毛皮摩擦其一端,然后移近驗(yàn)電器，便能吸引木髓球。如果把未經(jīng)摩擦的一端移近驗(yàn)電器，則沒有這種吸引力?？梢娫谀z木棒上摩擦生成的電荷保留在原處，不會(huì)轉(zhuǎn)移到別處去。

② 換用金屬棒重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),驗(yàn)電器檢查不出金屬棒帶電的任何跡象。

W.吉伯根據(jù)實(shí)驗(yàn)①和②的結(jié)果，按能否用摩擦方法使材料帶電，從而把材料分為“電質(zhì)”和“非電質(zhì)”。

③ 持金屬棒中央的膠木手柄,用毛皮摩擦金屬棒的一端，然后把金屬棒移近驗(yàn)電器，可知金屬棒兩端都已帶電。實(shí)驗(yàn)說明金屬不但能借助摩擦而帶電，并且能把電荷轉(zhuǎn)移到金屬的其他部位，這種現(xiàn)象叫做傳導(dǎo)或?qū)щ姟?

金屬的導(dǎo)電作用可進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)證明。用手指輕觸上述帶電的金屬棒，或持另一根金屬棒同它接觸，它就喪失了吸引木髓球的能力，說明原先帶的電荷通過金屬和人體已全部傳導(dǎo)入地。如果改用膠木棒接觸帶電的金屬棒，金屬棒就仍然有吸引木髓球的能力，說明膠木棒不導(dǎo)電。據(jù)此電質(zhì)和非電質(zhì)應(yīng)分別正名為電的導(dǎo)體和絕緣體。金屬是良好的導(dǎo)體，玻璃、樹脂、膠木、絲綢等是良好的絕緣體。

用毛皮摩擦過的琥珀或膠木棒，能夠吸取碎草、紙屑等輕細(xì)物體，這是一種靜電效應(yīng)。能產(chǎn)生靜電效應(yīng)的物體帶有電荷，叫做帶電體。

靜電效應(yīng)可用驗(yàn)電器檢驗(yàn)。早期的驗(yàn)電器是用蠶絲懸掛一個(gè)木髓球（圖1 木髓球驗(yàn)電器）構(gòu)成的木髓球驗(yàn)電器。在帶電體周圍，對(duì)木髓球顯示吸引力的空間就是存在靜電場(chǎng)的空間。比較精確的檢驗(yàn)得用金箔驗(yàn)電器。

C.A.de庫(kù)侖用他精心設(shè)計(jì)的扭秤直接用實(shí)驗(yàn)確立了靜止電荷之間的作用力的著名定律，后人命名為庫(kù)侖定律。

靜電實(shí)驗(yàn)采用現(xiàn)代的一些絕緣材料如有機(jī)玻璃、塑料等,效果好些。但是靜電實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境有較高的要求,在通常條件下，做定量的靜電實(shí)驗(yàn)是相當(dāng)困難的。