1843年,M.法拉第将一只盛冰用的锡铅合金桶(直径为7英寸,高为10.5英寸)和一只灵敏的金箔验电器相连接(图4冰桶实验),进行了一系列精确的实验,并得出了定量的结论。
① 用丝线悬挂带电的导体球,从冰桶小口降到冰桶内腔深处,但不接触桶壁(图5实验①示意)。如果导体球带的是正电,由于静电感应作用,桶壁内表面就出现负电,正电则转移到桶壁外表面和验电器下端,原先垂下的两片金箔因而得到正电,互相排斥而张开。
② 移动带电球在桶内的位置,只要不提升到靠近桶口的地方,金箔的张角就保持不变。所以金箔的张角能可靠地显示深入桶内的电荷。把带电球体提出桶外,移到远处,金箔就下垂。
③ 令桶内的带电球体与桶壁内表面接触,金箔张角不变。然后把球体提出桶外,金箔张角仍不变。但球体已丧失了全部电荷。
④ 令带电球体悬在桶内,金箔张开,然后以手指触一下桶壁外表面,金箔就下垂,表示冰桶外表面和验电器上原先感应的电荷通过人体传入大地。再提出带电球体,金箔又张开。但桶外表面的电荷与球体的电荷性质相反。再把带电球体放入桶内,金箔由张开转入下垂。待球体落到桶底,与桶壁接触后,再提出桶外,全过程中金箔始终保持下垂,可见球体已失去了所有的电荷。
⑤ 令带电的导体球A悬在桶内深处,观察金箔的张角。然后把任意形状和材料构成的不带电的导体球 B悬入桶内,金箔张角不变。令B和A接触,张角仍不变。最后把物体B提出桶外,因为B把从A分得的那部分电荷带走了,所以张角缩小。
⑥ 把丝绸系在绝缘棒的下端,与玻璃棒一同伸入桶内,互相摩擦,金箔保持下垂不动。如果把丝绸或玻璃棒撤出桶外,金箔就张开同样的角度。
冰桶实验①~④的结果表明,静电感应作用下出现的异性电荷是等量的。实验⑥的结果表明,摩擦起电必定使等量的异性电荷同时出现。所以,无论用感应方法或用摩擦方法都不能产生电荷,只能使共存的等量异性电荷互相分离。分离的等量异性电荷的重新结合叫做中和。中和只是使异性电荷的静电效应互相抵消,绝不是电荷的消灭。
实验⑤的结果表明,传导只能使分离出来的电荷分配于导体A和B,电荷的总量既不增也不减。
以上全部结果可概括为一条,即电荷不能创生也不能消灭,任何过程中系统内正电荷与负电荷的代数和保持不变,这就是电荷守恒定律。电荷守恒定律经过一切物理事实的检验而得到公认。