陳染

要讓創(chuàng)客作品更具有互動(dòng)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(gè)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(lái)的“創(chuàng)客教育材料漫談”系列文章中，我們將認(rèn)識(shí)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(jiǎn)單地回顧電學(xué)的幾個(gè)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(lèi)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(shuō)相當(dāng)短暫，但它帶來(lái)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(wú)不與電緊密相關(guān)，但就在200年前，人們甚至還無(wú)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(guò)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(dòng)物能讓人感到麻，但人們并沒(méi)有意識(shí)到這些現(xiàn)象之間的聯(lián)系，更不會(huì)知道電的應(yīng)用潛力。直到文藝復(fù)興時(shí)期，英國(guó)科學(xué)家威廉·吉爾伯特才開(kāi)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(gè)新詞“電”來(lái)命名它（英語(yǔ)中electricity的意思是“類(lèi)似琥珀的物質(zhì)”）。18世紀(jì)美國(guó)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(shí)期法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^(guò)扭秤對(duì)靜電力進(jìn)行定量測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了庫(kù)侖定律，這標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)電的認(rèn)識(shí)從定性階段轉(zhuǎn)變?yōu)槎侩A段。

電流的發(fā)現(xiàn)讓人類(lèi)對(duì)電的認(rèn)識(shí)又躍上一個(gè)臺(tái)階。18世紀(jì)意大利科學(xué)家伽伐尼無(wú)意間觀察到蛙腿與2種不同的金屬接觸會(huì)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(méi)有認(rèn)識(shí)到這個(gè)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(duì)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(lái)，把浸濕鹽水的濕布隔開(kāi)，構(gòu)成了一個(gè)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(méi)有根本的區(qū)別，我們把這一類(lèi)通過(guò)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(shí)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(lái)。丹麥科學(xué)家?jiàn)W斯特偶然間發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)，隨后法國(guó)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(dòng)機(jī)等運(yùn)動(dòng)元件都離不開(kāi)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(wàn)戶(hù)成為了可能。

電和磁是什么關(guān)系，為什么會(huì)出現(xiàn)這種詭異的作用，人們還有很多疑問(wèn)需要解答。為了解答這個(gè)問(wèn)題，法拉第提出了電場(chǎng)的概念，這個(gè)概念非常有創(chuàng)新性，許多當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家都無(wú)法接受。而英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋接受了這個(gè)思想，并用數(shù)學(xué)的方法將電場(chǎng)用方程組定量地描述出來(lái)。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(wú)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(kāi)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?cè)陔妼W(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(wàn)種電器——只需把插頭插進(jìn)插座中，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，電器就可以開(kāi)始工作了。這個(gè)過(guò)程如此簡(jiǎn)單，如此理所當(dāng)然，我們甚至不會(huì)意識(shí)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(guò)程的機(jī)會(huì)，當(dāng)我們創(chuàng)作與電相關(guān)的創(chuàng)客作品時(shí)，就必須思考它們?nèi)绾喂ぷ鞯膯?wèn)題。

我們首先要思考的一個(gè)問(wèn)題是：創(chuàng)客作品中的電從何而來(lái)？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(zhǎng)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?cè)趧?chuàng)客教育中如何獲得直流電呢？最常見(jiàn)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(huì)使用太陽(yáng)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(shuō)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(duì)的是用液態(tài)電解液的“濕”電池。干電池易于攜帶、儲(chǔ)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(lèi)，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(lèi)型。

提到干電池，我們常常會(huì)想到5號(hào)電池、7號(hào)電池等。我們常說(shuō)的幾號(hào)電池，是中國(guó)劃分的型號(hào)，常見(jiàn)的有1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)電池。這些型號(hào)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(chǎng)合。最大的1號(hào)電池直徑達(dá)到34.2mm，電量達(dá)到20500mAh，很適合用于對(duì)體積要求不高、連續(xù)使用時(shí)間不長(zhǎng)的場(chǎng)合，許多燃?xì)鉄崴骰蛉細(xì)庠畹拇蚧鹌骶蜁?huì)用到1號(hào)電池。最小的9號(hào)電池直徑僅有8.3mm，電量也只有625mAh，適合于對(duì)電量有一定要求、又對(duì)體積要求較高的場(chǎng)合，某些遙控器會(huì)用到9號(hào)電池。

創(chuàng)客教育中最常用的干電池有5號(hào)電池和7號(hào)電池。5號(hào)電池直徑為14.5 mm，電量為2 850mAh；7號(hào)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(hào)電池和7號(hào)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(jiàn)的EV3機(jī)器人就安裝了6顆1.5V的5號(hào)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(hào)電池混淆），它的外觀呈圓角長(zhǎng)方體，頂端并列著一圓一方2個(gè)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?jī)H相當(dāng)于2顆5號(hào)電池。PP3電池很適合便攜式Arduino作品的制作，但其電量?jī)H為625mAh，即使是高容量PP3電池也僅有1 000mAh，價(jià)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(zhǎng)時(shí)間開(kāi)機(jī)的創(chuàng)客作品。

如果你的創(chuàng)客作品對(duì)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?jī)H1～5g，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(hào)，你可以在電池正極上找到它的型號(hào)，就能判斷出電池的屬性。紐扣電池的型號(hào)由2位大寫(xiě)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(lèi)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(hào)是CR2032，意味著它是一種鋰錳電池，直徑是20mm，厚度是3.2mm。

有時(shí)候，創(chuàng)客制作還會(huì)用到鋰離子電池。鋰離子電池可以說(shuō)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(chē)都會(huì)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(lèi)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(xiǎn)，錯(cuò)誤的使用可能會(huì)造成電池過(guò)熱、膨脹，甚至發(fā)生爆炸。

如果你的創(chuàng)客作品需要長(zhǎng)時(shí)間供電，并且對(duì)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(huì)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(yáng)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(shí)需考慮這個(gè)問(wèn)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(kāi)關(guān)控制它們。下一期，我們將認(rèn)識(shí)創(chuàng)客教育中的導(dǎo)線和開(kāi)關(guān)，原來(lái)它們還有那么多門(mén)道。