創(chuàng)客教育材料漫談：電與電源

陳染

要讓創(chuàng)客作品更具有互動性、更加智能，我們需要將電引入到創(chuàng)客教育中。

從最基礎(chǔ)的電子創(chuàng)客制作“點(diǎn)亮一個LED燈”，到設(shè)計(jì)出多功能的創(chuàng)客機(jī)器人，電在創(chuàng)客教育中扮演著重要的角色。在接下來的“創(chuàng)客教育材料漫談”系列文章中，我們將認(rèn)識創(chuàng)客教育中幾種重要的電子元件。在此之前，我們有必要簡單地回顧電學(xué)的幾個重要的歷史瞬間，這將有助于教師和學(xué)生更加深入地理解電在人類歷史中的意義。

與傳統(tǒng)的聲、光、熱、力等物理研究領(lǐng)域相比，電學(xué)的研究歷史可以說相當(dāng)短暫，但它帶來的技術(shù)變革卻十分深遠(yuǎn)。我們現(xiàn)在的生活用品在制造和應(yīng)用中無不與電緊密相關(guān)，但就在200年前，人們甚至還無法控制和使用電。

盡管人們很早就發(fā)現(xiàn)自然界的閃電，知道摩擦過皮毛的琥珀能夠吸引羽毛等的靜電現(xiàn)象，也知道接觸電鯰、電鰩等動物能讓人感到麻，但人們并沒有意識到這些現(xiàn)象之間的聯(lián)系，更不會知道電的應(yīng)用潛力。直到文藝復(fù)興時期，英國科學(xué)家威廉·吉爾伯特才開始用科學(xué)的方法研究琥珀與皮毛摩擦的現(xiàn)象，并創(chuàng)建了一個新詞“電”來命名它（英語中electricity的意思是“類似琥珀的物質(zhì)”）。18世紀(jì)美國科學(xué)家富蘭克林做了著名的“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”，證實(shí)了閃電是電的一種現(xiàn)象。同時期法國物理學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^扭秤對靜電力進(jìn)行定量測量，發(fā)現(xiàn)了庫侖定律，這標(biāo)志著人類對電的認(rèn)識從定性階段轉(zhuǎn)變?yōu)槎侩A段。

電流的發(fā)現(xiàn)讓人類對電的認(rèn)識又躍上一個臺階。18世紀(jì)意大利科學(xué)家伽伐尼無意間觀察到蛙腿與2種不同的金屬接觸會發(fā)生痙攣，這讓他偶然間踏入到生物電的研究，但伽伐尼并沒有認(rèn)識到這個現(xiàn)象背后的電流原理。另一位意大利科學(xué)家的伏打卻對伽伐尼的研究感到興趣，他重復(fù)了很多次伽伐尼的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用鹽水浸濕的濕布也能夠代替青蛙腿，產(chǎn)生電流。于是他將鋅片和銅片堆疊起來，把浸濕鹽水的濕布隔開，構(gòu)成了一個能夠穩(wěn)定產(chǎn)生電流的電堆。我們現(xiàn)在發(fā)明和使用的電池有很多種，但它產(chǎn)生電的基本原理與伏打當(dāng)年設(shè)計(jì)的電堆沒有根本的區(qū)別，我們把這一類通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電的裝置叫做化學(xué)電池，也叫伏打電池。

盡管文藝復(fù)興的吉爾伯特研究電學(xué)，就意識到它與磁有著某些相似性。但直到19世紀(jì)，人們才從科學(xué)的角度將電與磁聯(lián)系起來。丹麥科學(xué)家奧斯特偶然間發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)，隨后法國科學(xué)家安培進(jìn)一步研究了電流和磁之間的規(guī)律，歸納出“右手螺旋定則”。創(chuàng)客課堂中常用的蜂鳴器、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)等與聲音相關(guān)的元件，以及電動機(jī)等運(yùn)動元件都離不開電流磁效應(yīng)。電能夠生磁，那么磁能不能生電呢？19世紀(jì)30年代，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理?；陔姶鸥袘?yīng)的理論，19世紀(jì)末特斯拉發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)，從此，電能進(jìn)入千家萬戶成為了可能。

電和磁是什么關(guān)系，為什么會出現(xiàn)這種詭異的作用，人們還有很多疑問需要解答。為了解答這個問題，法拉第提出了電場的概念，這個概念非常有創(chuàng)新性，許多當(dāng)時的物理學(xué)家都無法接受。而英國物理學(xué)家麥克斯韋接受了這個思想，并用數(shù)學(xué)的方法將電場用方程組定量地描述出來。在這基礎(chǔ)上，19世紀(jì)末，赫茲設(shè)計(jì)出可以發(fā)射電磁波的裝置。得益于電磁波的應(yīng)用，遠(yuǎn)距離的無線通訊成為可能，我們所用的手機(jī)、Wi-Fi等設(shè)備都離不開電磁波。創(chuàng)客教育中常用的一些通訊模塊和一部分傳感器就是用電磁波實(shí)現(xiàn)的。

這些歷史瞬間勾勒出電學(xué)發(fā)展的輪廓，而人們在電學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)明的電子元件則成為了這幅圖景的細(xì)節(jié)?，F(xiàn)代生活中我們發(fā)明了成千上萬種電器——只需把插頭插進(jìn)插座中，打開開關(guān)，電器就可以開始工作了。這個過程如此簡單，如此理所當(dāng)然，我們甚至不會意識到它們是怎么工作的。但創(chuàng)客教育為我們提供了重新審視這一過程的機(jī)會，當(dāng)我們創(chuàng)作與電相關(guān)的創(chuàng)客作品時，就必須思考它們?nèi)绾喂ぷ鞯膯栴}。

我們首先要思考的一個問題是：創(chuàng)客作品中的電從何而來？我們知道，電可以分為直流電和交流電。交流電被廣泛應(yīng)用于電力傳輸之中，我們最長接觸的是家用插座上220V 60Hz的交流電；而我們所用的電器大多數(shù)是直流電，創(chuàng)客作品也幾乎都是直流電的天下。

那么，我們在創(chuàng)客教育中如何獲得直流電呢？最常見的方法有2種：使用直流電源，或者將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。除了這些方法，有些創(chuàng)客作品還會使用太陽能電板提供電源，或者利用機(jī)械裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

說到直流電源，首先令我們想到的是干電池。所謂“干”是指使用糊狀的電解液產(chǎn)生穩(wěn)定直流電的電池，與之相對的是用液態(tài)電解液的“濕”電池。干電池易于攜帶、儲存和使用，在創(chuàng)客制作中廣泛應(yīng)用。干電池又可以分為一次電池和可充電電池2大類，也可以按照電池的化學(xué)材料劃分，分為鋅錳電池、堿性電池、鎳鎘電池、鋰電池等類型。

提到干電池，我們常常會想到5號電池、7號電池等。我們常說的幾號電池，是中國劃分的型號，常見的有1號、2號、5號、7號、8號、9號電池。這些型號的電池都是圓柱體，電壓都是1.5V，最大的區(qū)別在于體積和電量的不同，這些差異可以讓我們用于不同的場合。最大的1號電池直徑達(dá)到34.2mm，電量達(dá)到20500mAh，很適合用于對體積要求不高、連續(xù)使用時間不長的場合，許多燃?xì)鉄崴骰蛉細(xì)庠畹拇蚧鹌骶蜁玫?號電池。最小的9號電池直徑僅有8.3mm，電量也只有625mAh，適合于對電量有一定要求、又對體積要求較高的場合，某些遙控器會用到9號電池。

創(chuàng)客教育中最常用的干電池有5號電池和7號電池。5號電池直徑為14.5 mm，電量為2 850mAh；7號電池直徑為10.5mm，電量為1250mAh，你可以根據(jù)自己作品的實(shí)際需求選用電池。5號電池和7號電池通常配合電池盒使用，將多顆電池串聯(lián)在一起，以增加其電壓和電量。例如創(chuàng)客教育中常見的EV3機(jī)器人就安裝了6顆1.5V的5號電池，讓它的電壓能夠達(dá)到9V，電量達(dá)到7500mAh。

另一種創(chuàng)客教育常用的電池是PP3電池，通常也叫9伏電池（不要跟9號電池混淆），它的外觀呈圓角長方體，頂端并列著一圓一方2個接口，PP3電池只需扣上電池帽就可以使用。它最大的特點(diǎn)是電壓高達(dá)9V，而體積和重量僅相當(dāng)于2顆5號電池。PP3電池很適合便攜式Arduino作品的制作，但其電量僅為625mAh，即使是高容量PP3電池也僅有1 000mAh，價格也比普通的電池高出一截，所以PP3電池不適合用于需要長時間開機(jī)的創(chuàng)客作品。

如果你的創(chuàng)客作品對于體積的要求較為苛刻，你可以選擇紐扣電池，它僅有幾毫米厚，重量僅1～5g，很適合微型創(chuàng)客作品的制作。與普通電池一樣，紐扣電池也有很多不同的型號，你可以在電池正極上找到它的型號，就能判斷出電池的屬性。紐扣電池的型號由2位大寫的英文字母和4位數(shù)字組成。前2位英文字母表示電池的類型：LR是堿性電池、SR是氧化銀電池（也叫銀鋅電池）、CR是鋰錳電池、ZA是鋅空氣電池。后4位數(shù)字中，前2位表示電池的直徑，單位是mm，后2位表示電池的厚度，單位是0.1 mm。例如，紅外遙控設(shè)備常用的紐扣電池的型號是CR2032，意味著它是一種鋰錳電池，直徑是20mm，厚度是3.2mm。

有時候，創(chuàng)客制作還會用到鋰離子電池。鋰離子電池可以說是我們現(xiàn)在生活中接觸最多的電池了，小到手機(jī)、智能手環(huán)，大到純電力汽車都會用到這種電池。鋰離子電池可多次反復(fù)充電，能量密度高，電壓穩(wěn)定，適合設(shè)計(jì)多種類型的創(chuàng)客作品。但創(chuàng)客教育中使用鋰離子電池一定要注意潛在的危險，錯誤的使用可能會造成電池過熱、膨脹，甚至發(fā)生爆炸。

如果你的創(chuàng)客作品需要長時間供電，并且對便攜性要求不高的話，你可以考慮用插座供電。家用電源是220V的交流電，我們需要用整流器將它變成直流電，再用變壓器轉(zhuǎn)換成我們所需的電壓，才能用于創(chuàng)客作品中。

除了用電池供電和電源供電之外，少數(shù)創(chuàng)客作品還會將光能、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。創(chuàng)客教育通常采用能產(chǎn)生2～5V直流電源的太陽能板為設(shè)備供電。但和光伏發(fā)電的痛點(diǎn)一樣，這種方法受外界影響較大，容易發(fā)生電流不穩(wěn)，在設(shè)計(jì)創(chuàng)客作品時需考慮這個問題。

有了電源，我們就能大展身手創(chuàng)作出有趣的創(chuàng)客教育作品，但我們需要先用導(dǎo)線連接用電器，并用開關(guān)控制它們。下一期，我們將認(rèn)識創(chuàng)客教育中的導(dǎo)線和開關(guān)，原來它們還有那么多門道。