創客教育材料漫談：電與電源

陳染

要讓創客作品更具有互動性、更加智能，我們需要將電引入到創客教育中。

從最基礎的電子創客制作“點亮一個LED燈”，到設計出多功能的創客機器人，電在創客教育中扮演著重要的角色。在接下來的“創客教育材料漫談”系列文章中，我們將認識創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的幾個重要的歷史瞬間，這將有助于教師和學生更加深入地理解電在人類歷史中的意義。

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

盡管人們很早就發現自然界的閃電，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象之間的聯系，更不會知道電的應用潛力。直到文藝復興時期，英國科學家威廉·吉爾伯特才開始用科學的方法研究琥珀與皮毛摩擦的現象，并創建了一個新詞“電”來命名它（英語中electricity的意思是“類似琥珀的物質”）。18世紀美國科學家富蘭克林做了著名的“風箏實驗”，證實了閃電是電的一種現象。同時期法國物理學家庫侖通過扭秤對靜電力進行定量測量，發現了庫侖定律，這標志著人類對電的認識從定性階段轉變為定量階段。

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

盡管文藝復興的吉爾伯特研究電學，就意識到它與磁有著某些相似性。但直到19世紀，人們才從科學的角度將電與磁聯系起來。丹麥科學家奧斯特偶然間發現了電流磁效應，隨后法國科學家安培進一步研究了電流和磁之間的規律，歸納出“右手螺旋定則”。創客課堂中常用的蜂鳴器、揚聲器、麥克風等與聲音相關的元件，以及電動機等運動元件都離不開電流磁效應。電能夠生磁，那么磁能不能生電呢？19世紀30年代，法拉第發現了電磁感應原理。基于電磁感應的理論，19世紀末特斯拉發明了交流發電機，從此，電能進入千家萬戶成為了可能。

電和磁是什么關系，為什么會出現這種詭異的作用，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，這個概念非常有創新性，許多當時的物理學家都無法接受。而英國物理學家麥克斯韋接受了這個思想，并用數學的方法將電場用方程組定量地描述出來。在這基礎上，19世紀末，赫茲設計出可以發射電磁波的裝置。得益于電磁波的應用，遠距離的無線通訊成為可能，我們所用的手機、Wi-Fi等設備都離不開電磁波。創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現的。

這些歷史瞬間勾勒出電學發展的輪廓，而人們在電學基礎上發明的電子元件則成為了這幅圖景的細節。現代生活中我們發明了成千上萬種電器——只需把插頭插進插座中，打開開關，電器就可以開始工作了。這個過程如此簡單，如此理所當然，我們甚至不會意識到它們是怎么工作的。但創客教育為我們提供了重新審視這一過程的機會，當我們創作與電相關的創客作品時，就必須思考它們如何工作的問題。

我們首先要思考的一個問題是：創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是直流電，創客作品也幾乎都是直流電的天下。

那么，我們在創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，或者將交流電轉化為直流電。除了這些方法，有些創客作品還會使用太陽能電板提供電源，或者利用機械裝置將機械能轉化為電能。

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生穩定直流電的電池，與之相對的是用液態電解液的“濕”電池。干電池易于攜帶、儲存和使用，在創客制作中廣泛應用。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號電池直徑達到34.2mm，電量達到20500mAh，很適合用于對體積要求不高、連續使用時間不長的場合，許多燃氣熱水器或燃氣灶的打火器就會用到1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，你可以根據自己作品的實際需求選用電池。5號電池和7號電池通常配合電池盒使用，將多顆電池串聯在一起，以增加其電壓和電量。例如創客教育中常見的EV3機器人就安裝了6顆1.5V的5號電池，讓它的電壓能夠達到9V，電量達到7500mAh。

另一種創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。它最大的特點是電壓高達9V，而體積和重量僅相當于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的創客作品。

如果你的創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，創客制作還會用到鋰離子電池。鋰離子電池可以說是我們現在生活中接觸最多的電池了，小到手機、智能手環，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充電，能量密度高，電壓穩定，適合設計多種類型的創客作品。但創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，甚至發生爆炸。

如果你的創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，再用變壓器轉換成我們所需的電壓，才能用于創客作品中。

除了用電池供電和電源供電之外，少數創客作品還會將光能、機械能轉化為電能。創客教育通常采用能產生2～5V直流電源的太陽能板為設備供電。但和光伏發電的痛點一樣，這種方法受外界影響較大，容易發生電流不穩，在設計創客作品時需考慮這個問題。

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