静电感应

一个正常的不带电物质在它的每一部分都有等量的正电荷和负电荷，它们靠得很近，所以没有一部分有净电荷。正电荷是束缚在物质结构中的原子核，不能自由移动。负电荷是原子的电子。在导电物体如金属中，一些电子能够在物体中自由移动。

当一个带电的物体靠近一个不带电的导电物体，如一块金属时，由于库仑定律，附近电荷的作用力会使这些内部电荷分离。例如，如果一个正电荷靠近物体（见静电器附近圆柱形电极的图片），金属中的电子将被吸引向它，并移动到物体面对它的一侧。当电子移出一个区域时，由于原子核的存在，它们会留下不平衡的正电荷。这导致物体上最靠近外部电荷处产生一个负电荷区域，在远离外部电荷的部分产生一个正电荷区域。这些电荷被称为感应电荷。如果外部电荷为负，则带电区域的极性将反转。

因为这个过程只是对物体中已经存在的电荷的重新分配，它不会改变物体上的总电荷；它仍然没有净电荷。这种感应效应是可逆的；如果附近的电荷被移除，内部正负电荷之间的吸引力会使它们再次混合。

然而，感应效应也可以用来在物体上施加净电荷。当物体接近正电荷时，如果上面的物体通过导电路径瞬间连接到电接地（电接地是正电荷和负电荷的大容器），那么在附近正电荷的吸引下，地面上的一些负电荷将流入物体。当与地面的接触断开时，物体会带净负电荷。

这种方法可以用金箔验电器来证明，金箔验电器是一种检测电荷的仪器。验电器首先放电，然后带电物体靠近仪器的顶端。感应导致验电器金属棒内的电荷分离，因此顶端获得与物体极性相反的净电荷，而金箔获得相同极性的电荷。因为两片金箔上电荷相同，所以它们互相排斥并散开。验电器没有获得净电荷：其中的电荷只是被重新分配，所以如果带电物体被移离验电器，金箔会再次聚集在一起。

但是，如果现在在验电器端子和地之间短暂地形成电接触，例如通过用手指触摸端子，这将导致电荷被靠近端子的物体上的电荷吸引而从地流向端子。这种电荷中和了金叶中的电荷，所以金叶再次聚集在一起。验电器现在包含与带电物体极性相反的净电荷。当与地的电接触断开时，例如通过抬起手指，刚刚流入验电器的额外电荷无法逃逸，仪器保持净电荷。电荷通过感应电荷的吸引而保持在验电器端子的顶部。但是当感应电荷被移走时，电荷被释放，并通过验电器终端扩散到金箔上，所以金箔再次分开。

接地后留在验电器上的电荷符号总是与外部感应电荷符号相反。^[4]感应的两个规则是：^[4][5]

• 如果物体没有接地，附近的电荷会在物体中感应出相等和相反的电荷。
• 如果物体的任何部分在感应电荷接近时瞬间接地，则与感应电荷极性相反的电荷将从地被吸引到物体中，并留下与感应电荷相反的电荷。

剩下的问题是感应电荷有多大。根据库仑定律，电荷的运动是由外部带电物体的电场对电荷所施加的力引起的。随着金属物体中的电荷继续分离，产生的正负电荷区域产生它们自己的电场，该电场与外部电荷的电场相反。^[3]这个持续过程很快（在几分之一秒内）达到平衡，在这个平衡中，感应电荷的大小正好可以抵消整个金属物体内部的外部电场。^[3][6]然后金属内部剩余的移动电荷（电子）不再受力，电荷的净运动停止。^[3]

因为金属物体内部的移动电荷可以自由地向任何方向移动，所以金属内部永远不会有静态电荷集中；如果有，它会吸引相反极性的电荷来中和它。^[3]因此，在感应中，移动电荷在外部电荷的影响下移动，直到它们到达金属表面并聚集在那里，在那里它们被边界限制移动。^[3]

这就确立了导电物体上的静电荷存在于物体表面的重要原理。^[3][6] 外部电场会在金属物体上感应出表面电荷，这些电荷会完全抵消物体内部的电场。^[3]

两点之间的静电势或电压被定义为通过两点之间的电场移动小电荷所需的能量（功），除以电荷的大小。如果存在从点指向的电场   指向   ，那么它会对电荷施加一个力   到  。 必须用一种力量对电荷进行处理，使其移动到   对抗电场的反作用力。 因此，电荷的静电势能将增加。 所以这一点上的潜力点   高于点  。 电场   在任一点都是静电势的梯度（变化率）   以下内容：

因为在导电物体内部不可能有电场对电荷施加力  ，所以在导电物体内，电势的梯度为零。^[3]

换句话说，在静电学中，静电感应确保整个导电物体的电势（电压）是恒定的。

类似的感应效应也发生在不导电（电介质）的物体中，并导致小的不导电物体，如气球、纸片或聚苯乙烯泡沫塑料被静电吸引，^{[7][8][9][10]} 以及衣服中的静电附着。

在非导体中，电子与原子或分子结合，不能像导体那样自由地在物体周围移动；然而它们可以在分子内移动一点。如果一个正电荷靠近一个不导电的物体，每个分子中的电子都会被吸引到它的旁边，并移动到该分子面对电荷的一侧，而原子核会被排斥并稍微移动到分子的另一侧。由于负电荷现在比正电荷更靠近外部电荷，它们的吸引力大于正电荷的排斥力，从而导致分子对电荷的净吸引力很小。这叫做极化，极化的分子叫做偶极子。这种效应是微观的，但是因为有这么多的分子，它加起来足以移动像聚苯乙烯泡沫塑料这样的轻物体。这是髓球验电器的工作原理。^[11]