静电感应,也称为「静电影响」,是由于附近的电荷影响而导致物体内部电荷重新分布的现象。当充电物体靠近一个未充电的导体时,导体的一端将会形成正电荷,另一端则形成负电荷。这项技术的发现可追溯至1753年,英国科学家约翰·坎顿和1762年瑞典教授约翰·卡尔·维尔克。
静电感应是改变物体内部电荷分布的关键原理,这一原理在静电发电机中得到了广泛的应用。
在一个正常未充电的物体中,正电荷和负电荷的数量是相等的,因此整个物体不会有净电荷。然而,在导电物体如金属中,部分电子可以自由移动。当一个带电物体靠近未充电的导电物体时,根据库仑定律的作用,这些内部的电荷会被分离。
当一个正电荷靠近金属物体时,金属内的电子会被吸引到靠近正电荷的一侧,这使得那一侧带有负电,而远离的端口则带有正电。
这些分离的电荷称为感应电荷。需要注意的是,该过程仅是现有电荷的重新分布,不会改变物体的总电荷量。例如,如果外部的电荷是负的,则感应区域的极性将会反转。
我们除了能够改变物体的电荷分布外,还可以利用静电感应为物体带来净电荷。例如,如果在该物体靠近正电荷的同时,通过导电连接将其接地,那么一部分负电荷将会流入该物体。当与接地的连接被断开后,该物体就会留有净负电荷。
这个过程能够在金叶电荷计中进行展示,这是一种用于检测电荷的仪器。金叶电荷计的叶子会因为电荷的重新分布而彼此排斥。
在示范过程中,电荷计在接触到带电物体时,感应导致内部电荷分离,使得上端端子获得了与带电物体相反的电荷。接着,当与地的接触短暂进行后,接地的电荷会流入仪器,进一步导致金叶的电荷中和,金叶将再次靠拢。
对于导电物体而言,静电场是零。在外部电荷的影响下,导体内的电荷被重新分布,解决了静电场为零的问题。这意味着在一个导体内部,电压是稳定的。
静电感应确保了导体内部电压的恒定──无论外部的电荷如何变化,导体内部的电压总是相同。
而同样的感应效应也存在于非导电物体中,如气球和纸屑等轻质物品,这些物体也会因为静电而被吸引。虽然在非导体中,电子无法像在导体中那样自由移动,但在外部电场的影响下,分子内部的电子仍然可以轻微移动,这种现象称为介电极化。每个分子的极性改变为其带来了净吸引力。
这使得静电感应不仅限于导电体,也能在日常生活中见到,例如衣物间的静电吸附作用。透过静电感应的原理,我们可以更好地理解混合物体的电荷行为。
那么,静电感应的应用会不会在我们的生活中开发出新的技术呢?