创客教育材料漫谈：电与电源

陈染

要让创客作品更具有互动性、更加智能，我们需要将电引入到创客教育中。

从最基础的电子创客制作“点亮一个LED灯”，到设计出多功能的创客机器人，电在创客教育中扮演着重要的角色。在接下来的“创客教育材料漫谈”系列文章中，我们将认识创客教育中几种重要的电子元件。在此之前，我们有必要简单地回顾电学的几个重要的历史瞬间，这将有助于教师和学生更加深入地理解电在人类历史中的意义。

与传统的声、光、热、力等物理研究领域相比，电学的研究历史可以说相当短暂，但它带来的技术变革却十分深远。我们现在的生活用品在制造和应用中无不与电紧密相关，但就在200年前，人们甚至还无法控制和使用电。

尽管人们很早就发现自然界的闪电，知道摩擦过皮毛的琥珀能够吸引羽毛等的静电现象，也知道接触电鲶、电鳐等动物能让人感到麻，但人们并没有意识到这些现象之间的联系，更不会知道电的应用潜力。直到文艺复兴时期，英国科学家威廉·吉尔伯特才开始用科学的方法研究琥珀与皮毛摩擦的现象，并创建了一个新词“电”来命名它（英语中electricity的意思是“类似琥珀的物质”）。18世纪美国科学家富兰克林做了著名的“风筝实验”，证实了闪电是电的一种现象。同时期法国物理学家库仑通过扭秤对静电力进行定量测量，发现了库仑定律，这标志着人类对电的认识从定性阶段转变为定量阶段。

电流的发现让人类对电的认识又跃上一个台阶。18世纪意大利科学家伽伐尼无意间观察到蛙腿与2种不同的金属接触会发生痉挛，这让他偶然间踏入到生物电的研究，但伽伐尼并没有认识到这个现象背后的电流原理。另一位意大利科学家的伏打却对伽伐尼的研究感到兴趣，他重复了很多次伽伐尼的实验，发现用盐水浸湿的湿布也能够代替青蛙腿，产生电流。于是他将锌片和铜片堆叠起来，把浸湿盐水的湿布隔开，构成了一个能够稳定产生电流的电堆。我们现在发明和使用的电池有很多种，但它产生电的基本原理与伏打当年设计的电堆没有根本的区别，我们把这一类通过氧化还原反应产生电的装置叫做化学电池，也叫伏打电池。

尽管文艺复兴的吉尔伯特研究电学，就意识到它与磁有着某些相似性。但直到19世纪，人们才从科学的角度将电与磁联系起来。丹麦科学家奥斯特偶然间发现了电流磁效应，随后法国科学家安培进一步研究了电流和磁之间的规律，归纳出“右手螺旋定则”。创客课堂中常用的蜂鸣器、扬声器、麦克风等与声音相关的元件，以及电动机等运动元件都离不开电流磁效应。电能够生磁，那么磁能不能生电呢？19世纪30年代，法拉第发现了电磁感应原理。基于电磁感应的理论，19世纪末特斯拉发明了交流发电机，从此，电能进入千家万户成为了可能。

电和磁是什么关系，为什么会出现这种诡异的作用，人们还有很多疑问需要解答。为了解答这个问题，法拉第提出了电场的概念，这个概念非常有创新性，许多当时的物理学家都无法接受。而英国物理学家麦克斯韦接受了这个思想，并用数学的方法将电场用方程组定量地描述出来。在这基础上，19世纪末，赫兹设计出可以发射电磁波的装置。得益于电磁波的应用，远距离的无线通讯成为可能，我们所用的手机、Wi-Fi等设备都离不开电磁波。创客教育中常用的一些通讯模块和一部分传感器就是用电磁波实现的。

这些历史瞬间勾勒出电学发展的轮廓，而人们在电学基础上发明的电子元件则成为了这幅图景的细节。现代生活中我们发明了成千上万种电器——只需把插头插进插座中，打开开关，电器就可以开始工作了。这个过程如此简单，如此理所当然，我们甚至不会意识到它们是怎么工作的。但创客教育为我们提供了重新审视这一过程的机会，当我们创作与电相关的创客作品时，就必须思考它们如何工作的问题。

我们首先要思考的一个问题是：创客作品中的电从何而来？我们知道，电可以分为直流电和交流电。交流电被广泛应用于电力传输之中，我们最长接触的是家用插座上220V 60Hz的交流电；而我们所用的电器大多数是直流电，创客作品也几乎都是直流电的天下。

那么，我们在创客教育中如何获得直流电呢？最常见的方法有2种：使用直流电源，或者将交流电转化为直流电。除了这些方法，有些创客作品还会使用太阳能电板提供电源，或者利用机械装置将机械能转化为电能。

说到直流电源，首先令我们想到的是干电池。所谓“干”是指使用糊状的电解液产生稳定直流电的电池，与之相对的是用液态电解液的“湿”电池。干电池易于携带、储存和使用，在创客制作中广泛应用。干电池又可以分为一次电池和可充电电池2大类，也可以按照电池的化学材料划分，分为锌锰电池、碱性电池、镍镉电池、锂电池等类型。

提到干电池，我们常常会想到5号电池、7号电池等。我们常说的几号电池，是中国划分的型号，常见的有1号、2号、5号、7号、8号、9号电池。这些型号的电池都是圆柱体，电压都是1.5V，最大的区别在于体积和电量的不同，这些差异可以让我们用于不同的场合。最大的1号电池直径达到34.2mm，电量达到20500mAh，很适合用于对体积要求不高、连续使用时间不长的场合，许多燃气热水器或燃气灶的打火器就会用到1号电池。最小的9号电池直径仅有8.3mm，电量也只有625mAh，适合于对电量有一定要求、又对体积要求较高的场合，某些遙控器会用到9号电池。

创客教育中最常用的干电池有5号电池和7号电池。5号电池直径为14.5 mm，电量为2 850mAh；7号电池直径为10.5mm，电量为1250mAh，你可以根据自己作品的实际需求选用电池。5号电池和7号电池通常配合电池盒使用，将多颗电池串联在一起，以增加其电压和电量。例如创客教育中常见的EV3机器人就安装了6颗1.5V的5号电池，让它的电压能够达到9V，电量达到7500mAh。

另一种创客教育常用的电池是PP3电池，通常也叫9伏电池（不要跟9号电池混淆），它的外观呈圆角长方体，顶端并列着一圆一方2个接口，PP3电池只需扣上电池帽就可以使用。它最大的特点是电压高达9V，而体积和重量仅相当于2颗5号电池。PP3电池很适合便携式Arduino作品的制作，但其电量仅为625mAh，即使是高容量PP3电池也仅有1 000mAh，价格也比普通的电池高出一截，所以PP3电池不适合用于需要长时间开机的创客作品。

如果你的创客作品对于体积的要求较为苛刻，你可以选择纽扣电池，它仅有几毫米厚，重量仅1～5g，很适合微型创客作品的制作。与普通电池一样，纽扣电池也有很多不同的型号，你可以在电池正极上找到它的型号，就能判断出电池的属性。纽扣电池的型号由2位大写的英文字母和4位数字组成。前2位英文字母表示电池的类型：LR是碱性电池、SR是氧化银电池（也叫银锌电池）、CR是锂锰电池、ZA是锌空气电池。后4位数字中，前2位表示电池的直径，单位是mm，后2位表示电池的厚度，单位是0.1 mm。例如，红外遥控设备常用的纽扣电池的型号是CR2032，意味着它是一种锂锰电池，直径是20mm，厚度是3.2mm。

有时候，创客制作还会用到锂离子电池。锂离子电池可以说是我们现在生活中接触最多的电池了，小到手机、智能手环，大到纯电力汽车都会用到这种电池。锂离子电池可多次反复充电，能量密度高，电压稳定，适合设计多种类型的创客作品。但创客教育中使用锂离子电池一定要注意潜在的危险，错误的使用可能会造成电池过热、膨胀，甚至发生爆炸。

如果你的创客作品需要长时间供电，并且对便携性要求不高的话，你可以考虑用插座供电。家用电源是220V的交流电，我们需要用整流器将它变成直流电，再用变压器转换成我们所需的电压，才能用于创客作品中。

除了用电池供电和电源供电之外，少数创客作品还会将光能、机械能转化为电能。创客教育通常采用能产生2～5V直流电源的太阳能板为设备供电。但和光伏发电的痛点一样，这种方法受外界影响较大，容易发生电流不稳，在设计创客作品时需考虑这个问题。

有了电源，我们就能大展身手创作出有趣的创客教育作品，但我们需要先用导线连接用电器，并用开关控制它们。下一期，我们将认识创客教育中的导线和开关，原来它们还有那么多门道。