第4章 斯蒂芬·格雷发现了“电”的传导现象
在1800年以前，人们产的电都是通过摩擦而产生的静电。当时无人知道，电是否能传导。发现电能传导的是英国的一位叫斯蒂芬·格雷的发明家。
斯蒂芬·格雷发现电可以传导
斯蒂芬·格雷（Stephen Gray，1666—1736）
英国物理学家斯蒂芬·格雷
1666年，斯蒂芬·格雷在英国肯特州坎特伯雷出生。父亲是一位染工和木匠。格雷受过一些基本教育后，就跟他的父亲当染衣的学徒。他没上过大学，但他对自然科学，尤其是天文感兴趣，主要从事电的研究和天文观察。
1690～1716年，格雷主要对日月食、太阳黑点、木星的卫星等进行天文定量和精密观察。格雷是一位熟练的观察者，剑桥学院聘用他为行星天文台的助手。晚年格雷对电学很感兴趣，连续进行了三年研究，最重要的贡献是发现了电的传导现象，并认识到了有的物体是导电体，有的物体是非导电体。
格雷原来是一名十分成功的丝绸印染商，在工作期间他经常能看到丝绸上出现火花，并对这些火花非常感兴趣。但是，一场意外使他家徒四壁，住进了修道院。然而，这次人生的挫败反而给了他更多的时间进行电学实验，并取得了一系列的成果。
在一次实验中，格雷无意间发现了电能够传导。格雷通过摩擦使一根大约3.5英尺（1英尺＝0.3048米）长的空心玻璃管带上电，为了防止灰尘进入玻璃管内而影响实验，他将管子的两头塞上软木塞。这时，他看到一个奇怪的现象：软木塞也能吸引羽毛了。这说明软木塞上带电了。由于他并没有摩擦软木塞而只摩擦了玻璃管，因此，他猜测软木塞上的电是从玻璃管传导过来的。
为了验证他的想法，格雷又做了另一个实验。他将一根长约4英寸（1英寸＝0.0254米）的细棍子的一头插入玻璃管顶端的软木塞里，在细棍的另一头扎上一个未带电的象牙球。然后，他开始摩擦玻璃管。他十分小心，一点儿也没有碰到软木塞、细棍和象牙球。谁知摩擦了玻璃管以后，羽毛都被吸附到象牙球上了，即格雷通过中间的细棍给象牙球充了电。因此，他断定电是能够传输的。
电能传多远
格雷用实验证明电能够传导
在验证了电能够传输之后，格雷对电能够传输多远产生了兴趣。于是他改进了象牙球实验。这次，他把象牙球吊在一条绳子上，绳子拴在玻璃管一端的软木塞上。当他摩擦玻璃管时，象牙球仍然能够吸引羽毛。他使用的绳子越来越长，甚至站到屋顶上，直到绳子长达30多英尺时，象牙球仍能吸引羽毛。
格雷的朋友约翰·德札古利埃是个有钱人，出于对电学研究的共同爱好，两人结成好友。他对格雷的实验很感兴趣，并决定与格雷一起进行研究。
再次实验，由于无法找到更高的建筑物，格雷想从水平方向延长绳子以加大传导距离。于是他用铁钉将绳子固定在实验室顶棚的两端。这次，无论如何摩擦玻璃管，象牙球都不再吸引羽毛，似乎电停止了流动。问题究竟出现在哪儿呢？仔细比对之后，他发现与之前所有实验的最大区别就在于使用了铁钉，他猜测是铁钉让电跑到了横梁上，不再流向象牙球了。
格雷急忙打开包袱取出一捆金属线，在实验室里把金属线从这一头拉到那一头，一会儿实验室里便布满了电线。他又在金属线的一端系上一只象牙球，这才对约翰·德札古利埃说：“约翰，你把羽毛放在象牙球附近，注意观察。我去另一边。”格雷走到另一端，然后用力摩擦玻璃棒。当他把带电的玻璃棒与金属线接触时，守在另一端的约翰·德札古利埃立即大声喊道：“电传过来了，象牙球吸住羽毛啦！”
约翰·德札古利埃说：“格雷，请你解释一下其中的奥秘吧。”格雷说：“以前之所以不成功，问题出在挂绳子的钩子上。假定金属是传电的物质，当我们用金属钩子挂绳子的时候，电自然就顺着钩子跑到墙上去了。这些天我一直进行实验，寻找不传电的物质，结果我发现丝线就是一种很好的不传电的物质。”约翰·德札古利埃说：“真的！我怎么没有注意到今天的实验全部改用丝线悬挂绳子了。我的好朋友，这本身就是一个重要的发现。”
之后，格雷又做了很多实验，一直将绳子延长到大约765英尺时，仍然能够看到吸引羽毛的现象，从而验证了电能够远距离传输。此外，格雷还发现必须要避免让绳子接触地面。否则，象牙也无法吸引羽毛，即地面和铁钉、铜线一样也是导体。
在一系列验证电能传输多远的实验中，格雷还逐渐理解了不同材料对电的传导能力。他将物质分为两类，一类允许电经过，容易导电，比如人的身体、铁、铜等金属；另一类不容易导电，如丝绸、头发、玻璃、琥珀等。
后来，约翰·德札古利埃按着格雷的思路做了很多研究，他将格雷所区分的两类物质分别命名为“导体”和“绝缘体”。
约翰·德札古利埃
格雷的导电实验
趣闻轶事
飞翔男孩实验
为了向人们展示电的传导，格雷设计了一个十分巧妙的实验——著名的“飞翔的男孩”实验。
1730年的4月8日，格雷在修道院的一个大厅里架起一个牢固的木架，用结实的丝绳悬挂上一个47磅（1磅≈0.45千克）重的男孩，就像挂了一只大鸟。这个男孩的全身被不导电的布料厚厚地包裹着，只露出头和手。男孩伸出的一只手上握了根短棍，短棍上面悬挂着一个象牙球。待一切准备完毕，格雷通过类似于豪克斯比的起电机的装置产生静电并将静电通过金属连接棒传导到男孩身上。男孩的头发直立起来了。同时在男孩身体下方，有三堆如羽毛一样轻的铜片，先是升起来，又降落下去。一些观众甚至说他们看到了男孩指尖的火花。这个实验充分证明，电能够传导，人体能够导电。
这个经典的实验场景后来被很多国家的研究人员所模仿和改进，并呈现出越来越多新奇的现象。
格雷的导电实验—“飞翔男孩”
后来，格雷又发现放在带电体旁边的不带电物体也会带上电，即电可以不经接触，在一定距离内不同物体间传输。这样，他又成了全世界发现电感应现象的第一人。
格雷因揭示了电的传导、区分了导体与绝缘体，在1731年获得了英国皇家学会的第一届科普利奖章。1732年他又因电感应实验获得了第二届科普利奖章，并成为英国皇家学会的院士。
你知道吗？
什么是导体？
导体是指电阻率很小且易于传导电流的物质，如各种金属（铜、铝、铁、金、银等）、大地、人体、石墨、碳纤维制品、潮湿的物体以及酸、碱、盐的水溶液等都是导体。人的身体含有大量液体，人体的每个细胞都充满电解质，所以人体也是导体。值得一提的是，纯水不是导体，但我们日常生活中见到的水含有各种杂质，易被电离，因此是导电的。
常见导体
什么是绝缘体？
不容易导电的物体叫绝缘体，如橡胶、玻璃、陶瓷、塑料等固体，各种天然矿物油等液体，一般情况下的空气、二氧化碳等气体，都是绝缘体。
导体易导电，是因为导体里有大量的自由电荷；绝缘体不易导电，是因为绝缘体里几乎没有可以自由移动的电荷。
导体和绝缘体对我们同样重要
导体和绝缘体是同等重要的材料。电线芯线用金属来做，是因为金属是导体，容易导电；电线芯外面包上一层橡胶或塑料，是因为橡胶和塑料是绝缘体，能够防止漏电。因此，导体和绝缘体对我们同样重要，我们要能从实际生活用品中识别导体和绝缘体。
另外，导体和绝缘体之间没有绝对的界限，在一定条件下可以相互转化，如常温下的玻璃是绝缘体，在加热的情况下可以变为导体；干燥的木头是绝缘体，在潮湿的情况下可以变为导体；一般情况下，空气是绝缘体，在强电离作用下可以变为导体；纯水是绝缘体，在掺有杂质的情况下可以变为导体。
常见绝缘体
绝缘材料制成的电工用品
为什么导体容易导电，绝缘体不容易导电呢？原来，在绝缘体中，电荷几乎都束缚在原子的范围之内，不能自由移动，也就是说，电荷不能从绝缘体的一个地方移动到另外一个地方，所以绝缘体不容易导电。相反，导体上电荷可移动到另外的地方，所以导体容易导电。金属是最重要的导体。在金属导体中，部分电子可以脱离原子核的束缚而在金属内部自由移动，这种电子叫作自由电子。金属导电，靠的就是自由电子。金属中的电流是带负电的自由电子发生定向移动形成的。根据电流方向的规定，金属中的电流方向跟自由电子移动方向相反。
