靜電感應,也稱為「靜電影響」,是由於附近的電荷影響而導致物體內部電荷重新分佈的現象。當充電物體靠近一個未充電的導體時,導體的一端將會形成正電荷,另一端則形成負電荷。這項技術的發現可追溯至1753年,英國科學家約翰·坎頓和1762年瑞典教授約翰·卡爾·維爾克。
靜電感應是改變物體內部電荷分佈的關鍵原理,這一原理在靜電發電機中得到了廣泛的應用。
在一個正常未充電的物體中,正電荷和負電荷的數量是相等的,因此整個物體不會有淨電荷。然而,在導電物體如金屬中,部分電子可以自由移動。當一個帶電物體靠近未充電的導電物體時,根據庫侖定律的作用,這些內部的電荷會被分離。
當一個正電荷靠近金屬物體時,金屬內的電子會被吸引到靠近正電荷的一側,這使得那一側帶有負電,而遠離的端口則帶有正電。
這些分離的電荷稱為感應電荷。需要注意的是,該過程僅是現有電荷的重新分佈,不會改變物體的總電荷量。例如,如果外部的電荷是負的,則感應區域的極性將會反轉。
我們除了能夠改變物體的電荷分佈外,還可以利用靜電感應為物體帶來淨電荷。例如,如果在該物體靠近正電荷的同時,通過導電連接將其接地,那麼一部分負電荷將會流入該物體。當與接地的連接被斷開後,該物體就會留有淨負電荷。
這個過程能夠在金葉電荷計中進行展示,這是一種用於檢測電荷的儀器。金葉電荷計的葉子會因為電荷的重新分佈而彼此排斥。
在示範過程中,電荷計在接觸到帶電物體時,感應導致內部電荷分離,使得上端端子獲得了與帶電物體相反的電荷。接著,當與地的接觸短暫進行後,接地的電荷會流入儀器,進一步導致金葉的電荷中和,金葉將再次靠攏。
對於導電物體而言,靜電場是零。在外部電荷的影響下,導體內的電荷被重新分佈,解決了靜電場為零的問題。這意味著在一個導體內部,電壓是穩定的。
靜電感應確保了導體內部電壓的恆定──無論外部的電荷如何變化,導體內部的電壓總是相同。
而同樣的感應效應也存在於非導電物體中,如氣球和紙屑等輕質物品,這些物體也會因為靜電而被吸引。雖然在非導體中,電子無法像在導體中那樣自由移動,但在外部電場的影響下,分子內部的電子仍然可以輕微移動,這種現象稱為介電極化。每個分子的極性改變為其帶來了淨吸引力。
這使得靜電感應不僅限於導電體,也能在日常生活中見到,例如衣物間的靜電吸附作用。透過靜電感應的原理,我們可以更好地理解混合物體的電荷行為。
那麼,靜電感應的應用會不會在我們的生活中開發出新的技術呢?