电子创客讲义01——电路基础
本期作者：石头人
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一些同学反映在看教学视频时会很快睡眠状态，影响整体学习进度，因此建议我采用图文教程的方式。当然大家在学习过程中如果有想法或问题，例如出现了失眠多梦的症状，也请及时告知。
尽管我计划将“电子创客讲义”做成一个系列内容，但即使在我不脱更的前提下，对于这样一个庞大的课题来说，我所掌握的以及我做能表达的东西也是远远不够。所以，我更希望它能成为一个相对独立而开放的系列，每个人都可以将自己的所做、所学、所想发表到这里，让它成为一个”人人为我，我为人人“的理想社区。
在这个系列文章中，将会对”创客“相关的开源硬件、电路、程序、模型设计等内容进行介绍，但正如”创客“的英文是Maker，如果不去亲自动手尝试，就很难掌握其中的知识与方法，更无法实现其面向未来的价值引领作用。
电路模拟
以下图中的机械手为例，一个典型的电子创客作品一般包含：电子元件（舵机、导线、主控板、操作杆），可编程器件的控制程序，以及机械和外形结构等。其中涉及到多学科的知识与技能，而作品的设计制作本身也是一个系统工程，之后我会单独写一篇文章进行说明。电子电路是实现作品功能的基础，在一开始进行设计往往就要明确下来。
由于大部分同学并没有电子相关的背景知识，而直接上手进行实验又难免出现人身伤亡和财产损失，如何多快好省的进行学习一直以来是我们所面临的难题。但是现在，ladies and 乡亲们，我发现一款电路模拟软件——Tinkercad circuits，可以为我们的学习带来很大帮助。
Tinkercad是Autodesk（三维设计领域的大佬）旗下的一款软件，帮助您从Web浏览器中轻松设计、编程、创建和分享您的电子电路作品。Tinker是修补匠的意思（也是《魔兽争霸》中英雄的名字），而cad意为计算机辅助设计(Computer Aided Design)。circuits译为电路，是Tinkercad中的一个模块，而另一个模块是3D设计，之前很有名气的123D Design就是被整合到这个模块中了。
使用之前需先访问Tinkercad官网，点击立即加入，创建个人账户，使用电子邮箱进行注册和登录，之后就可以在个人主页中使用Tinkercad的全部功能了。
Tinkercad circuits的使用非常简单（而且有中文），鼠标拖拽添加电子元器件，单击将它们用导线连接，如果需要Arduino来控制，还能添加图形化或C的Arduino代码，然后单击编辑器里面的“开始仿真”按钮，马上就可以看到您的设计在线仿真运行的结果了。无论您是想创建电子电路原型设计，还是只想以整齐的方式将一些截图放入您的作品设计文档中，Tinkercad都能够帮你轻松做到。
搭建电路
接下来，请你尝试使用两节五号电池，连接直流电机，并进行电路模拟，如下图。
我们看到当开始模拟后，直流电机上显示5902rpm，意思是在两节五号电池的驱动下，电机的转速为每分钟5902转。那应该如何让电机转的更快呢？动手试一试吧。
尝试之后你会发现，当串联更多节的五号电池后，直流电机的转数就会随之增加。为什么电池会让电机转动，而串联的电池越多，电机的转数就更快呢？
理解电路
可以通过水车的类比来理解电路的基本原理，让我们一起来思考几个问题：
- 是什么东西驱动水车旋转？
- 为什么水车的旋转方向是固定的？
- 水流的方向由什么决定？
- 什么决定了水车旋转的速度？
- 什么决定了水车的载重能力？
水流是水的流动，电流是电荷的流动。水从高水位的地方流向水位低的地方，电流从高电位的地方流向低电位的地方。水位高低之差叫水位差或水压，电位高低之差叫电位差或电压。水压是水定向流动的原因，电压是使自由电荷发生定向移动的原因。直流电动机在同等条件下，电流越大、它的转动力矩就越大（越有劲）；电压越大、转速越快。
通过这个视频，可以更加直观的理解电路的基本原理。
在河水流动的过程中，河床或水渠不可能绝对平整，而是会坑坑洼洼高低起伏，这样就对水流产生了一些阻碍作用。在电路中也是类似，电阻对电路产生阻力 (通过将电能转化为热能)。
欧姆定律是指在同一电路中，通过某段导体欧姆定律是指在同一电路中，通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。下面公式中的I代表电流值，V代表电压值，R代表电阻值。
欧姆定律在我们学习过程中，最直接的应用就是帮助我们计算电路中需要用多少阻值的电阻。例如，当电流超过器件（例如直流电机）的额定电流时就可能烧毁器件，因此，我们可以通过在电路中串联一个适当大小的电阻，来减小电流保护元件，保持电路正常运作。通过了解一些电路的基本原理，可以帮助我们更好完成电路设计，减少生命财产损失。
欧姆定律的其他应用请参考：你知道欧姆定律有多少知识点吗？
练习
最后让我们来做一个小练习：
- 使用Tinkercad搭建电路，模拟运行，实现点亮一颗LED灯。
- 如何改变LED灯的亮度？试试电位计，你还可以用万用表来测量电路中的电压和电流。
- 尝试烧掉这个LED灯，思考一下烧毁的原因是什么？
码字不易，如果你在学习的过程中遇到什么问题，或者有好的想法和建议，请随时与我联系。
参考文献