创客教育材料漫谈：电与电源

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1、创客教育材料漫谈：电与电源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

2、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，也知道接触电鲍、电鳍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

3、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。

4、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

5、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一一只需把插头插进插座中，打开开关,电器就可以开始工作了。

6、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220V60Hz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，

7、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，分为锌猛电池、碱性电池、镰镉电池、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

8、用于不同的场合。最大的1号电池直径达到