科学史-物理学编年史-68法拉第证明电荷守恒

时间：公元1843年。

法拉第冰桶实验是英国科学家麦可·法拉第在1843年进行的一项简单的静电学实验，以演示导电容器上的静电感应现象。这个容器，法拉第用的是一个装冰的铁桶，实验因而得名。实验表明，一导电壳体内封入的电荷会在壳上感应出等量电荷，并且在导体中，电荷全部驻留在表面上。它还演示了电磁屏蔽的原理，这在法拉第笼中也有应用。冰桶实验是第一个对静电荷的精确的定量实验。在讲座演示和物理实验课中，该实验仍用以讲解静电原理。

法拉第以他早期的研究为基础，设计了知名的冰桶实验，以说明静电感应效应。他将金属筒放置在一把木凳上，以与地面绝缘，之后依照富兰克林实验手册中的提示，将一带电小球以不导电的丝线放入筒中，很小心地不让球碰触到冰桶。金箔验电器显示冰桶外部有电荷，是小球在冰桶外部感应生电的证明。假如法拉第让金属小球碰触冰桶底部，球的电荷会抵消冰桶内壁的电荷，让外壁的电荷量和球原来的电荷量相同。

详细实验步骤：

实验使用无盖导电金属容器A，与地面绝缘。法拉第用的是铅锡水桶，直径7英寸，高10.5英寸，放于木凳上，但如今常用上方有洞的空心金属球，或放置在绝缘支架上的金属壁气缸。敏感的电荷检测器用导线连到其外表面。法拉第用的是金箔验电器，但如今常用静电计，因为它远比验电器敏感，可以区分电荷电性，并可给出定量读数。将该容器连接到一个大导电体（大地）以排出电荷，这个过程称为接地。可以用手指触摸，将导电的人体作为大地来完成。这样，原先所带的电荷就会排入大地中。此时电荷检测器的读数为零，表明容器已不带电。

用起电机给金属物体C（法拉第用不导电丝线悬挂的黄铜小球，但现代实验常用装在绝缘手柄上的小金属球或金属盘）充电，并放入容器A中，而不触碰它。随着物体逐渐放入容器，电荷检测器的读数增加，表明容器外侧正在充电。当物体足够深入其中，电荷检测器示数便不再改变，为一恒定电荷量，而不会随物体位置进一步降低而增加。容器外侧的电荷与物体上的电荷极性相同。如果用电荷检测器触碰容器内侧，发现内部电荷极性相反。如，物体C带正电，容器A的外侧会带正电，而内侧带负电。

如果在容器内移动物体C，而不接触容器壁，电荷检测器示数不改变，表明容器外的电荷量不受物体在容器中位置的影响。

如果从容器中取出物体C，电荷检测器示数将再次回到零点处。这表明容器上电荷是由C感应而起，容器本身并无净电荷。因而内外侧所带的相反电荷数值上一定相等。

将带电体C与容器接触，电荷检测器示数不改变。但如果这时再将物体提出容器，示数则保持不变，表明此时容器已带净电荷。如果用电荷检测器试探物体，会发现物体完全没有电荷，容器内也不带电。这表明C上的所有电荷已转移至容器上，且恰好与容器内侧的相反电荷相中和，只留下外侧电荷。因此容器内侧的电荷量与C上电荷量完全相等。

能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体。小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。从日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用。

人类对各种能量，如煤、石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的。能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。

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