text: 法拉第冰桶實驗是英國科學家麥可·法拉第在1843年進行的一項簡單的靜電學實驗，以演示導電容器上的靜電感應現象。這個容器，法拉第用的是一個裝冰的鐵桶，實驗因而得名。實驗表明，一導電殼體內封入的電荷會在殼上感應出等量電荷，並且在導體中，電荷全部駐留在表面上。它還演示了電磁遮蔽的原理，這在法拉第籠中也有應用。冰桶實驗是第一個對靜電荷的精確的定量實驗。今天在講座演示和物理實驗課中，該實驗仍用以講解靜電原理。實驗說明.以下是以現代眼光呈現的詳細實驗步驟：可以購買到含學生實驗所需裝置的實驗套件。避免雜散電荷引起誤差.實驗者身體、衣服、鄰近裝置上的雜散靜電荷，及使用市電的裝置所產生的交流電電場，可能會在容器或帶電體"C"上感應出額外的電荷，從而導致讀數出現誤差。要想實驗成功，往往需要採取預防措施，以消除這些無關電荷：解釋.導電金屬物體有自由電荷，能在物體內自由移動。未充電時，金屬的每一部分都有等量的正電荷和負電荷，混合均勻，因而任意部分都不具有淨電荷。如果在金屬某處之外有帶電體靠近，電荷力會使內部電荷相分離。與外電荷極性相異的電荷會被吸引，並移動到物體表面面對帶電體的地方。同性電荷被排斥，並移動到金屬表面遠離帶電體處。這便是靜電感應現象。在步驟2中，當電荷"C"放入容器時，容器金屬中的電荷相分離。如果"C"帶正電，金屬中的負電荷被它吸引，並移動到容器內表面，而正電荷被排斥到外表面上。如果"C"帶負電，則電荷極性相反。由於容器原本不帶電，因而內外表面電量相等，電性相反。此感應過程可逆：步驟4中，移去"C"，異性電荷所產生的吸引力使它們再次混合，而表面電荷則減至零。帶電體"C"的靜電場使自由電荷移動。當金屬中的電荷相分離時，金屬容器表面上存在感應電荷的區域會產生靜電場，其與"C"的靜電場方向相反。在金屬內，感應電荷所產生的場與"C"的場恰好抵消。金屬內靜電場始終為零。如果不為零，則電場力就會移動及分離更多的電荷，直至電場為零。一旦"C"足夠深入容器內，幾乎所有從"C"發出的電場線都終止於容器表面。結果是容器內的總感應電荷量於"C"上電荷相等。在第5步中，當"C"與容器內壁相碰時，"C"中所有電荷流出並與感應電荷中和，使內壁及"C"均不帶電。電荷僅存在於容器外壁上。總的效果是，先前在"C"上的電荷全部轉移至容器外壁。可從中得出的一個重要結論是，封閉導電體內的淨電荷始終為零，即便是放入帶電物體。如果存在到容器壁的電通徑，由於相互排斥，電荷會流到所述容器的外表面上。如果不存在，則內電荷將會在內表面上感應出等量異種電荷，因此內部淨電荷仍為零。導電體所帶的任何淨電荷都位於其表面上。證明感應電荷與物體所帶電荷電量相等.用高斯定律可以證明第5步中得到的結論，即封閉於金屬容器中的帶電體在容器上感應出等量電荷。假設無開口容器"A"將物體"C"完全包含在內formula_1"S"內含有的電荷為"C"上的"Q"，及金屬表面上的Q感。因為兩部分電荷代數和為零，所以殼內表面上的感應電荷與C上電荷電量相等，極性相反："Q感" = −"Q"。從電場線的角度解釋.藉助電場線，還可以直觀理解此現象。電場線的兩端代表等量電荷，即每條線開始於特定量的正電荷，終止於等量的負電荷。還需要知道電場線不能穿過導體。如果電場線能進入金屬內部，那麼金屬中的電子將沿電場線方向移動，從而引起導體中電荷重新分佈，直至不存在電場。只有當導體內電場為零時，導體內電荷才能達到靜電平衡。當帶電體"C"封閉於導電容器"A"中時，物體上發出的電場線必須於終止於容器內表面上，而無處可去。由於物體上每單位電荷發出一條電場線，而每條電場線終止於容器上的等量感應電荷，因而物體所帶電荷量於容器內側感應電荷量相等。任意容器外的帶電體在它周圍感應出等量電荷。從它發出的電場線終止於牆壁或其他物體上的感應電荷。更一般的，宇宙中正負電荷兩兩對應。洞的影響.嚴格地說，僅當金屬容器完全包圍帶電體而沒有孔時，容器上的感應電荷才完全等於物體上的電荷。如果有一個開口，"C"的部分電場線將從開口處漏出，因此不會在容器上感應出電荷，從而容器表面上的電荷量將小於"C"。但要放入或取出帶電體，就必須有一個開口。法拉第實驗時，在懸線上固定了一個金屬蓋，這樣當球處於容器中心時，就能蓋住開口。然而並無此必要。即像法拉第桶那樣容器完全敞開，實驗現象也十分明顯。只要"C"足夠深，且深度大於開口直徑，感應電荷就非常接近"C"的量。如上圖所示，一旦帶電體足夠深入其內，絕大多數從"C"始發的電場線都終止於容器壁上，少有穿過開口並終止於不處於容器之上的負電荷。約翰·弗萊明，早期傑出的電學家，於1911年寫道：“……嘗試給容器開多大的口，而在電氣上仍能作為‘封閉導體’，著實很有趣。”但在解釋此實驗時，如上述那樣，常假設容器沒有孔。靜電遮蔽.由於金屬中不存在電場，容器外表面的電荷分佈及其電場完全不受容器內電荷的影響。第3步中，如果在容器內四處移動帶電體，內表面上的感應電荷將重新分佈，以使內表面外的電場相抵消。外表面的電荷及任何外部電荷則完全不受影響。從外面看，彷彿金屬容器僅存在表面電荷+Q，內部再無電荷。同樣，如果外部電荷靠近容器附近，外表面上的感應電荷重新分佈以抵消容器內的電場。這樣，容器內的電荷就不會“感受”到任何電場，也不會為之改變。總之，容器內外區域彼此隔離，電場無法穿透，也不會互相影響。這就是法拉第籠的靜電遮蔽原理。拓展實驗.其它方式.另一種實驗步驟為：第2步中，在帶電體"C"放入容器後，將容器外壁接地。容器外壁的電荷流入大地，而電荷檢測器示數降至零，此時容器僅內壁帶有等量異種電荷。再從容器中取出"C"。容器內壁的感應電荷由於不需要再抵消"C"的電場，會移動至容器外壁。電荷檢測器示數與先前等量反向。將"C"與容器外壁相接觸，則均不帶電，說明電荷正好抵消。因而證明"C"與容器外側電荷等量異種。非接觸式電荷測量.將帶電體放入法拉第桶內，便可在不接觸及不影響原有電荷分佈的情況下測量電荷量。容器外的感應電荷僅與內部總電荷量有關。如果容器內有多個帶電體，外部電荷等於其代數和。電荷疊加.如果多次將導電帶電體放入容器並與內壁接觸，每件物體上的所有電荷都將轉移至容器外，而與容器已帶電荷量無關。這是靜電荷在物體上疊加的唯一方法。如果只是將兩個導電帶電體在外部相接觸，電荷只會在兩個物體間平均分配。依據相同原理，范德格拉夫起電機能將電荷轉移至上端電極。上端電極為一箇中空的金屬外殼，功能如同法拉第桶。內部傳送帶運送電荷，然後由與電極相連的金屬刷解除安裝。由於電極內電勢恆定，來自傳送帶的電荷會流到外表面，而無論電極上已有多少電荷。摩擦起電.法拉第桶所帶電荷是電荷的“代數和”，因而可以用來證明，用摩擦或接觸使物體帶電放電，這樣便不帶電荷。然後握住絕緣手柄，將其放入容器內。電荷檢測器指示無電荷。然後在容器內相互摩擦，這樣，毛皮會帶正電，而橡膠會帶負電。然而，由於所帶電荷是電荷的分離，因而兩部分電荷等量異種，所以電荷代數和仍然為零。電荷檢測器示數仍然為零，可以證明這一點。分別將物體放入桶中，可由電荷檢測器看出兩物體所帶電荷等量異種。多層容器.在法拉第1844年的原稿中，他還研究了巢狀若干導電容器的效果。他發現感應作用能透過多個容器，使得看上去只有一個容器。他在實驗中用了四個桶，每個桶用放在外面一個桶內的絕緣支架支撐。如果將電荷放入最內的桶，外桶外會出現等量感應電荷。桶外側的電荷又能在下個桶上感應出等量電荷。如果有一個桶接地，該桶外的所有桶上電荷變為零。
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metadata.title: 法拉第冰桶實驗
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