检测器，金箔验电器（E），通过导线连到桶的外侧。当带电小球放入桶内而不触及它时，验电器指示电荷存在，表明球在金属容器上感应出了电荷。桶的内表面上感应出异种电荷。如果球碰到桶的内表面，两物体上的电荷相抵消，表明感应电荷与球上的诱导电荷的数量级相同。]]

法拉第冰桶实验是英国科学家麥可·法拉第在1843年进行的一项简单的靜電學实验，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電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。今天在讲座演示和物理实验课中，该实验仍用以讲解静电原理。

实验说明
以下是以现代眼光呈现的详细实验步骤：

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。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。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理想情况下，在整个实验过程中，实验者的身体都应接地。当网眼足够小时，金属筛与金属板对静电的作用效果相同。内筒是真正的法拉第桶容器，与外筒用绝缘支撑架分开。外面的金属筛圆筒围住内筒，作为大地屏蔽杂散电荷。这种设计能大幅消除杂散电荷所带来的问题，还能允许实验者看到容器内的状况。静电接地线夹到外筒，在进行任何操作时实验者要触摸该筒。实验者可以用手指架在内外筒之间来为内筒接地。注意在抬起手指时，要先离开内筒，避免在内筒上留下电荷。

• 由于手指上的污垢和油脂会在装置表面形成一层薄膜，电荷可能会沿着手柄和支撑体从带电体C和容器上泄漏。未充电时，金属的每一部分都有等量的正电荷和负电荷，混合均匀，因而任意部分都不具有净电荷。如果在金属某处之外有带电体靠近，电荷力会使内部电荷相分离。与外电荷极性相异的电荷会被吸引，并移动到物体表面面对带电体的地方。同性电荷被排斥，并移动到金属表面远离带电体处。这便是静电感应现象。在步骤2中，当电荷C放入容器时，容器金属中的电荷相分离。如果C带正电，金属中的负电荷被它吸引，并移动到容器内表面，而正电荷被排斥到外表面上。如果C带负电，则电荷极性相反。由于容器原本不带电，因而内外表面电量相等，电性相反。此感应过程可逆：步骤4中，移去C，异性电荷所产生的吸引力使它们再次混合，而表面电荷则减至零。

带电体C的静电场使自由电荷移动。当金属中的电荷相分离时，金属容器表面上存在感应电荷的区域会产生静电场，其与C的静电场方向相反。假设无开口容器A将物体C完全包含在内（将于下解释此假设），且C带Q库电荷。电荷C的电场会使金属内的自由电荷分离，从而在壳体的内外表面上引发感应电荷。于壳体内外表面之间的金属内任取一封闭曲面S。由于S处于导电区（金属内），而导电区内电场为零，因而S面上电场处处为零。所以，S面总电通量为零。从而由高斯定律可知，S内所含总电荷为零：（Qinduced：Q感）

:\iint\limits_S \mathbf{E} \cdot d\mathbf{A} = \frac{1}{\epsilon_0}(Q + Q_{induced}) = 0 \,

S内含有的电荷为C上的Q，及金属表面上的Q感。因为两部分电荷代数和为零，所以壳内表面上的感应电荷与C上电荷电量相等，极性相反：Q感 = −Q。

从电场线的角度解释
借助电场线，还可以直观理解此现象。由于物体上每单位电荷发出一条电场线，而每条电场线终止于容器上的等量感应电荷，因而物体所带电荷量于容器内侧感应电荷量相等。

任意容器外的带电体在它周围感应出等量电荷。从它发出的电场线终止于墙壁或其他物体上的感应电荷。更一般的，宇宙中正负电荷两两对应。

洞的影响
严格地说，仅当金属容器完全包围带电体而没有孔时，容器上的感应电荷才完全等于物体上的电荷。如果容器内有多个带电体，外部电荷等于其代数和。

电荷叠加
如果多次将导电带电体放入容器并与内壁接触，每件物体上的所有电荷都将转移至容器外，而与容器已带电荷量无关。这是静电荷在物体上叠加的唯一方法。如果只是将两个导电带电体在外部相接触，电荷只会在两个物体间平均分配。

依据相同原理，范德格拉夫起电机能将电荷转移至上端电极。上端电极为一个中空的金属外壳，功能如同法拉第桶。内部传送带运送电荷，然后由与电极相连的金属刷卸载。由于电极内电势恒定，来自传送带的电荷会流到外表面，而无论电极上已有多少电荷。

摩擦起电
法拉第桶所带电荷是电荷的“代数和”，因而可以用来证明，用摩擦或接触使物体带电（摩擦起电）会产生等量异种电荷。首先，给一块毛皮和一块橡胶（或塑料）放电，这样便不带电荷。然后握住绝缘手柄，将其放入容器内。电荷检测器指示无电荷。然后在容器内相互摩擦，这样，毛皮会带正电，而橡胶会带负电。然而，由于所带电荷是来源于电荷的分离，因而两部分电荷等量异种，所以电荷代数和仍然为零。电荷检测器示数仍然为零，可以证明这一点。分别将物体放入桶中，可由电荷检测器看出两物体所带电荷等量异种。

多层容器
在法拉第1844年的原稿中，他还研究了嵌套若干导电容器的效果。他发现感应作用能透过多个容器，使得看上去只有一个容器。他在实验中用了四个桶，每个桶用放在外面一个桶内的绝缘支架支撑。如果将电荷放入最内的桶，外桶外会出现等量感应电荷。桶外侧的电荷又能在下个桶上感应出等量电荷。如果有一个桶接地，该桶外的所有桶上电荷变为零。

参考