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Enseñanza de la ley de inducción de

Faraday con experimentos sencillos,

materiales de bajo costo y de fácil

consecución

Claudia Liliana Pérez Campo

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias

Valledupar – Cesar

2017

III

Enseñanza de la ley de inducción de

Faraday con experimentos sencillos,

materiales de bajo costo y de fácil

consecución


Trabajo Final de Maestría para optar al título de:

Magister en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Director

Dr. rer. nat. John William Sandino del Busto

Línea de Investigación:

Enseñanza-Aprendizaje, Evaluación y Didáctica de las Ciencias Naturales

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias

Valledupar – Cesar

2017

Dedicatoria

A mis hijos Andrés, Santiago y José Alejandro que

son la razón de mi vivir. A mi madre Marlene mujer

luchadora y mi gran apoyo. A mi compañero Darío

por animarme en los momentos difíciles.

Cinco seres que amo con todo mi corazón.

.


Agradecimientos

A Dios por darme la vida y el conocimiento necesario para realizar esta maestría

A mi director de trabajo final de maestría, John William Sandino del Busto, por su

dedicación en las asesorías, correcciones y sugerencias. Su constancia en sus clases

refleja el amor por su labor docente.

A mis profesores de la maestría, quienes mostraron siempre el amor por el arte de la

educación y disciplina constante en sus conocimientos.

A Roosevelt Carrillo y Juan Pacheco, docentes de Física, por sus asesorías y ser

incondicionales durante el proceso académico.

A Freddys Miguel Socarras Reales (Alcalde 2012 – 2016) por gestionar y ejecutar el

proyecto para la realización de la maestría.

A Waldemiro Andrés Martínez Pérez, mi hijo quien fue constante en colaborarme para la

elaboración de este trabajo.

A Víctor Calderón, quien me colaboró en muchas ocasiones en la traducción de textos en

inglés.

A mis compañeros de maestría, en especial Jean Carlos Baena, por su colaboración y

trabajo en equipo en las diferentes asignaturas.

Resumen y Abstract VII

Resumen

En este trabajo final se presenta el diseño y la aplicación de una propuesta didáctica

dirigida a la enseñanza de los conceptos relacionados con la ley de Inducción de

Faraday en estudiantes del grado undécimo de la Institución educativa Alfonso Araujo

Cotes de la ciudad de Valledupar. La propuesta consta de un conjunto de actividades

experimentales, mediante las cuales se desarrollaron los conceptos de electricidad,

magnetismo, campo, flujo, circulación de corriente eléctrica e inducción

electromagnética, que se realizaron en clases como material de apoyo. Cada experiencia

se abordó utilizando la metodología del aprendizaje activo, fundamentado en el uso de

los montajes experimentales.

La eficacia de la secuencia de enseñanza se verificó a través de la ganancia de Hake,

comparando los resultados de la Evaluación Post Actividades con los resultados de la

prueba de diagnóstica, con un resultado de ganancia Alta dentro de la escala.

Palabras clave: Electricidad, Magnetismo, Campo eléctrico, Campo Magnético, Flujo,

circulación, diferencial de potencial, enseñanza, aprendizaje activo.

VIII

Abstract

This document introduces, the design and application of a didactic proposal focused on

the teaching of the concepts related to Faraday’s Law of Induction in eleventh graders of

the Alfonso Araujo Cotes Educational Institution of the city of Valledupar. The proposal

consists of a set of experimental activities, through which the concepts of electricity,

magnetism, field, field flux, electric current circulation and electromagnetic induction were

developed, which were carried out in classes as support material. Each experience was

addressed taking into account the methodology of active learning, based on the use of

the experimental assemblies.

The effectivity of the teaching process was verified through the Hake gain, by comparing

the Post Activities test results with the results of the diagnostic test, with an outstanding

outcome.

Keywords: Electricity, Magnetism, Electric Field, Magnetic Field, Flow, Circulation,

Potential Differential, Teaching, Active Learning.

Contenido IX

Contenido

Pág.

Dedicatoria ....................................................................................................................... V

Agradecimientos ............................................................................................................ VI

Resumen ........................................................................................................................ VII

Abstract......................................................................................................................... VIII

Introducción .................................................................................................................. 15

1. Marco Teórico ......................................................................................................... 18

1.1. Aspectos histórico – epistemológicos. ........................................................ 18 1.1.1. Aspectos históricos del Electromagnetismo ............................................. 18

1.2. Aspecto Disciplinar ........................................................................................ 21 1.2.1. Carga Eléctrica .............................................................................................. 21 1.2.2. Fuerza Electromagnética ............................................................................... 22 1.2.3. Campo Eléctrico ............................................................................................ 23 1.2.4. Campo Magnético .......................................................................................... 24 1.2.5. Flujo de campo vectorial ................................................................................ 26 1.2.6. Flujo Magnético ............................................................................................. 27 1.2.7. Corriente Eléctrica ......................................................................................... 28 1.2.8. Voltaje ........................................................................................................... 28 1.2.1. Inducción Electromagnética. Ley de Faraday ................................................ 30

1.3. Aspectos Didácticos ...................................................................................... 33 1.3.1. Aspectos epistemológicos en el aprendizaje de La ley de Inducción de Faraday .................................................................................................................... 34 1.3.2. Estrategias didácticas en la enseñanza de la ley de inducción de Faraday. .. 36 1.3.3. Experiencias de aula en la enseñanza de la Ley de Inducción de Faraday .... 36

2. Marco Metodológico............................................................................................... 38

2.2. Estructura de la Secuencia didáctica ........................................................... 39 2.3. Metodología de Implementación de las prácticas experimentales ............. 40

3. Implementación y análisis de Resultados ............................................................ 41

X Enseñanza de la ley de inducción de Faraday con experimentos sencillos,

materiales de bajo costo y de fácil consecución

3.1. Caracterización de la Población .................................................................... 41 3.2. Evaluación Diagnóstica ................................................................................. 41 3.3. Las Practicas Experimentales ....................................................................... 43

3.3.1. Practica experimental 1 - Magnetismo ....................................................... 44 3.3.1.1. Conceptos previos de los estudiantes ................................................ 44 3.3.1.2. Practica experimental propuesta ......................................................... 44 3.3.1.3. Análisis de la práctica Experimental 1 ................................................ 45 3.3.2. Practica experimental 2 - Fuerzas entre imanes. ....................................... 46 3.3.2.1. Conceptos previos de los estudiantes ................................................ 46 3.3.2.2. Practica experimental propuesta ......................................................... 47 3.3.2.3. Análisis de la Práctica Experimental 2 ................................................ 48 3.3.3. Práctica experimental 3 - Polos de un imán............................................... 49 3.3.3.1. Conceptos previos de los estudiantes ................................................ 49 3.3.3.2. Practica experimental propuesta ......................................................... 49 3.3.3.3. Análisis de la Práctica Experimental 3 ................................................ 51 3.3.4. Práctica experimental 4 - Electroimán........................................................ 51 3.3.4.1. Conceptos previos de los estudiantes ................................................ 52 3.3.4.2. Práctica experimental propuesta ......................................................... 52 3.3.4.3. Análisis de la Práctica Experimental 4 ................................................ 53 3.3.5. Practica experimental 5 - Circuito eléctrico ............................................... 54 3.3.5.1. Conceptos previos de los estudiantes ................................................ 54 3.3.5.2. Práctica experimental propuesta ......................................................... 54 3.3.5.3. Análisis de la Práctica Experimental 5 ................................................ 56 3.3.6. Práctica experimental 6 - Inducción electromagnética ............................. 56 3.3.6.1. Conceptos previos de los estudiantes ................................................ 57 3.3.6.2. Practica experimental propuesta ......................................................... 57 3.3.6.3. Análisis de la Práctica Experimental 6 ................................................ 58

3.4. Evaluación Post - Actividades ....................................................................... 59 3.4.1. Ganancia de Hake ........................................................................................ 62

4. Conclusiones y Recomendaciones ....................................................................... 65

4.1. Conclusiones .................................................................................................... 65 4.2. Recomendaciones ............................................................................................ 66

Anexos ........................................................................................................................... 69

A. Anexo A: Evaluación Diagnóstica ......................................................................... 69

B. Anexo B: Guía Práctica experimental 1- Magnetismo ......................................... 75

C. Anexo C: Guía Práctica experimental 2 - Fuerzas entre imanes. ....................... 78

D. Anexo D: Guía Práctica Experimental 3 - Polos de un imán ............................... 82

E. Anexo E: Guía Práctica Experimental 4 - Electroimán ......................................... 86

F. Anexo F: Guía práctica Experimental 5 - Circuito eléctrico ................................ 89

Contenido XI

G. Anexo G: Guía Práctica Experimental 6 - Inducción electromagnética .............. 92

5. Bibliografía ............................................................................................................. 97

Contenido XII

Lista de figuras

Pág.

Ilustración 1. Balanza de torsión de Coulomb. ................................................................ 23

Ilustración 2. Líneas de campo eléctrico para tres diferentes distribuciones de carga.

a. Una sola carga Positiva b. Dos cargas iguales y opuestas c. Dos cargas

positivas iguales ............................................................................................................. 24

Ilustración 3. Campo magnético alrededor de un conductor a través del cual la corriente

está fluyendo. I es la dirección del flujo de corriente. B es la dirección del campo

magnético. ...................................................................................................................... 25

Ilustración 4. Líneas de Inducción Magnética ................................................................. 25

Ilustración 5. Flujo Magnético ......................................................................................... 27

Ilustración 6. a. Definición de corriente eléctrica. b. Corriente en un alambre. ................ 28

Ilustración 7. Corte transversal de un cable de cobre. .................................................... 29

Ilustración 8. Voltaje ....................................................................................................... 29

Ilustración 9. Ley de Kirchhoff de Voltajes. ..................................................................... 30

Ilustración 10. Voltaje de la bobina. ................................................................................ 31

Ilustración 11. Aplicación de la Evaluación Diagnóstica .................................................. 43

Ilustración 12. Evidencias del Experimento 1 - Magnetismo ........................................... 46

Ilustración 13. Evidencias de la Práctica Experimental 2 ................................................ 48

Ilustración 14. Evidencias de la Práctica Experimental 3 ................................................ 51

Ilustración 15.Evidencias de la Práctica Experimental 4 ................................................. 53

Ilustración 16. Evidencias de la práctica Experimental 5 ................................................ 56

Ilustración 17. Elementos para desarrollar la práctica Inducción electromagnética ......... 56

Ilustración 18. Evidencias Práctica Experimental 6 ......................................................... 59

Ilustración 19. Aplicación de la Evaluación Final ............................................................ 61

Contenido XIII

Lista de tablas

Pág.

Tabla 1. Tareas Propuestas para cumplir objetivos ........................................................ 38

Tabla 2. Actividades de la Secuencia didáctica .............................................................. 39

Tabla 3. Estructura de las Actividades ............................................................................ 40

Tabla 4. Resultados Evaluación Diagnóstica .................................................................. 61

Tabla 5. Resultados Evaluación Post - Actividades ........................................................ 61

Tabla 6. Ganancia de Hake ............................................................................................ 63

Lista de gráficos

Gráfico 1. Resultados de la aplicación de la prueba Diagnóstica .................................... 42

Gráfico 2. Resultados Evaluación Post – Actividades ..................................................... 59

Gráfico 3. Comparativo de la Prueba Diagnóstica y la Evaluación Post – Actividades ... 60

Introducción

Muchos de los investigadores en didáctica de las ciencias concuerdan en las dificultades

del aprendizaje de algunos temas concretos de la física en los niveles de básica

secundaria y media, en el caso de electromagnetismo, la mayoría coinciden en afirmar

que los estudiantes de bachillerato no cuentan con las competencias que les permita

explicar de una manera adecuada situaciones relacionadas a fenómenos eléctricos y

magnéticos [1].

Un estudio realizado por Guisasola, Almundí y Ceberio [2] evidenció que “los estudiantes

no identifican correctamente las fuentes del campo magnético”, “ni la interacción eléctrica

y magnética”, “no tienen claro las fuentes del campo”, “confunden la fuerza con el campo”

y “utilizan la inducción magnética para explicar todas los fenómenos eléctricos y

magnéticos”.

Mientras que Furio y Guisasola [3] evidenciaron mediante un estudio titulado

“Deficiencias epistemológicas en la enseñanza habitual de los conceptos de campo y

potencial eléctrico” que los estudiantes de primer año de universidad no asumen la idea

de campo eléctrico desde el concepto de interacción, y que en la básica secundaria y

media no profundizan los temas relacionados con electromagnetismo específicamente lo

que refiere a la ley de Faraday. Estos aportes de la investigación, y otras más, parecen

indicar que existe un problema de enseñanza de la inducción electromagnética y, en

particular, de la ley de Faraday.

Por otro lado, pese a que la Institución Educativa Alfonso Araujo Cotes de Valledupar ha

apostado con la implementación de la jornada única escolar a fortalecer la enseñanza de

las ciencias y las matemáticas, estas asignaturas aún se encuentran en nivel de

desempeño bajo en las pruebas saber 2016. Esto se presenta por muchas razones. Una

de ellas puede ser que los estudiantes manifiestan sentir cierta apatía a las clases

16 Enseñanza de la ley de inducción de Faraday con experimentos sencillos,

materiales de bajo costo y de fácil consecución

magistrales, donde se realizan exposiciones teóricas por parte de los docentes,

deducción de ecuaciones, resolución de ejercicios y evaluaciones escritas sin el uso de

experimentación.

Esto ha evidenciado que las prácticas de enseñanzas aplicadas hasta ahora no han

logrado procesos de aprendizajes efectivos, debido a que no se presenta una conexión

entre los conocimientos que se imparten a los estudiantes con su realidad cotidiana.

Es por eso que surge el interrogante: ¿Qué estrategia didáctica se puede utilizar con los

estudiantes de grado undécimo de la Institución educativa Alfonso Araujo Cotes para

enseñar la ley de inducción de Faraday?

Para tratar de dar respuesta al interrogante anterior, se diseñó y aplicó una secuencia

didáctica que comprende una serie de actividades experimentales que llevaron a los

estudiantes a la comprensión del concepto de campo magnético y de esa manera

entender el concepto de la ley de inducción de Faraday, las actividades permiten a los

estudiantes identificar ideas y fenómenos de electricidad y magnetismo, explicar la

generación de campos magnéticos y conceptualizar teorías científicas sobre el

comportamiento eléctrico y magnético de la materia. Para ello se han tomado en cuenta

investigaciones realizadas por Guisasola, Almundí y Zuza [4] quienes sugieren que para

disminuir la brecha entre la enseñanza de la ley de Faraday y la comprensión de la

misma se deben diseñar materiales didácticos e implementar la experimentación con los

mismos estudiantes, para que se les facilite su comprensión. Por otro lado, también se

tiene en cuenta las teoría de Campanario y Moya [5], quiene establecen que en la

enseñanza de las ciencias se deben aplicar estrategias propias del contexto del

estudiante, con el fin de que ellos se sientan familiarizados con los materiales.

La secuencia fue aplicada a 41 estudiantes del grado undécimo de la Institución

educativa Alfonso Araujo Cotes de la ciudad de Valledupar, que se encuentra ubicada al

suroccidente de la ciudad, donde la población estudiantil es de un nivel socioeconómico

bajo.

Para lograr el desarrollo del trabajo se planteó el siguiente objetivo general:

Desarrollar una estrategia didáctica que usando materiales de bajo costo y fácil

consecución permita enseñar la ley de inducción de Faraday a estudiantes de secundaria

del colegio Alfonso Araujo Cotes de la ciudad de Valledupar.

Introducción 17

Con el fin lograr este objetivo se estableció el siguiente proceso:

1. Se Identificaron los conceptos previos en los estudiantes de grado undécimo

acerca de los principios fundamentales de la electricidad y el magnetismo

mediante una prueba diagnóstica.

2. Se determinaron los aspectos teóricos relacionados con la ley de Faraday

pertinentes en el trabajo con estudiantes de grado undécimo.

3. Se diseñaros las prácticas experimentales encaminadas a la enseñanza de la ley

de inducción de Faraday utilizando la Metodología de Aprendizaje Activo.

4. Se Implementaron las prácticas experimentales diseñadas, con los estudiantes

del grado undécimo del colegio Alfonso Araujo Cotes.

5. Se validó la estrategia didáctica utilizada mediante ganancia de Hake.

Este trabajo final está estructurado en cinco (5) capítulos, organizados de la siguiente

manera.

En el capítulo I se establece el Marco teórico desde una perspectiva histórica y

epistemológica, disciplinar y didáctica sobre magnetismo.

En el capítulo II se encuentra el Marco metodológico de la propuesta y las actividades

planteadas para lograr los objetivos propuestos. El capítulo III trata sobre la aplicación de

la estrategia didáctica para la enseñanza de la ley de inducción de Faraday. En el

capítulo IV se establece el análisis de los resultados de la secuencia didáctica, mediante

la ganancia de Hake obtenida al comparar los resultados de la prueba diagnóstica y la

evaluación final.

El capítulo V contiene las conclusiones y recomendaciones que surgieron luego del

análisis desarrollado en el capítulo anterior. Finalmente, se presentan algunos anexos

importantes.

1. Marco Teórico

1.1. Aspectos histórico – epistemológicos.

En esta sección se relacionan aspectos históricos del electromagnetismo desde sus

orígenes en la antigua Grecia, señalando los principales aportes de Faraday, hasta llegar

a la unificación de los fenómenos físicos y magnéticos que se dio gracias a los aportes

de Maxwell, para lo cual se consultaron diferentes fuentes bibliográficas entre las que se

destacan los siguientes libros, La Historia de General de las Ciencias de René Taton [6],

Magnetismo de McKeehan [7], y Ciencia y Sociedad en el Siglo XIX de José María

Bocanegra [8] entre otros artículos y publicaciones.

1.1.1. Aspectos históricos del Electromagnetismo

Alrededor del año 800 a. C. Tales de Mileto, matemático, astrónomo y filósofo griego,

observó que al frotar el ámbar con seda se producían chispas, y que ésta poseía la

“capacidad de atraer pequeños cuerpos tras ser frotado”, Además de eso, se conocían

ciertas rocas ígneas que tenían propiedades magnéticas llamadas magnhz (magnes),

que podían atraer pequeños trozos de hierro. Se cuenta como una leyenda que el

nombre se atribuye al pastor Magnes, quien observó cómo sus zapatos, provistos de

tachuelas de hierro, se quedaban pegados al caminar por encima de dichas rocas. [9]

Con el tiempo se estableció que esas rocas correspondían a lo que hoy se conoce como

magnetita, compuesta por óxido ferroso-férrico (𝐹𝑒3𝑂4), que, era relativamente fácil de

hallar en las proximidades de Magnesia, una ciudad griega situada en el norte del Mar

Egeo. [9]

Pese a que muchos historiadores coinciden en afirmar que la brújula ya era usada en

China mucho antes de que los griegos usaran la magnetita, no fue sino hasta el año 1100

19 Enseñanza de la ley de inducción de Faraday con experimentos sencillos, materiales de bajo costo y de fácil consecución

d.C. que se registra su uso en Europa, coincidiendo con el interés despertado por la

navegación. [7].

El 8 de agosto 1269 es la fecha que tiene el primer documento sobre los imanes, una

carta escrita por un ingeniero llamado Pedro de Maricourt a un amigo en París, quien

describe el comportamiento de esferas de Magnetitas que simulaban la Tierra, llamadas

terrellas, las cuales presentaban dos polos hacia donde se orientaban pequeñas agujas

magnéticas. [9]

En 1576 Robert Norman, fabricante de brújulas inglés, midió por primera vez el ángulo de

inclinación de una aguja magnética, instalando su eje de forma horizontal y no vertical,

como era lo habitual. [7]. Lo que hizo Norman sirvió de referente para los trabajos de

William Gilbert, quien en el año 1600 publicó en latín el primer libro sobre imanes: De

Magnete, en el cual insiste en que el extremo norte de una brújula es similar al polo sur

magnético de la Tierra, que la consideraba un gran imán permanente. También prueba

que un hierro pierde su propiedad magnética si se le calienta adecuadamente, y la

recupera si se enfría y se lo golpea simultáneamente. [9]

A inicios del siglo XVIII, aparece Dufay, un francés que estableció la existencia de dos

clases de electricidad, designadas más adelante como positiva (la del vidrio) y negativa

(la del ámbar) por Benjamin Franklin. Mientras tanto, en Inglaterra, Gray descubrió que la

electricidad podía pasar de unos cuerpos a otros a través de hilos metálicos, y en

Holanda Von Kleist y Musschenbroeck descubrieron que podía llegar a acumularse en

una botella especial, o botella de Leiden. Al mismo tiempo, se inventaron las primeras

máquinas de electrización por rozamiento, que tuvieron aplicaciones médicas y, sobre

todo, lúdicas al ponerse de moda como juego de sociedad en los aristocráticos salones

de la época. ( [10], citado por [9]).

John Michell en 1750 estableció (mediante un experimento en el que usó una balanza de

torsión) que los polos magnéticos ejercen una fuerza entre ellos, y esta varía

inversamente proporcional al cuadrado de sus distancias. Simultáneamente en 1785

Charles Coulomb, usando también una balanza (pero de su propio diseño), corroboró lo

propuesto por Michell: que la acción a distancia entre dos cargas depende del inverso del

cuadrado de las distancias, y ésta no es otra que su ley fundamental.

Alessandro Volta, en 1800 construyó el primer generador eléctrico llamado Pila de Volta,

Johann Wilhelm Ritter, tres años después, probó que la pila de Volta presentaba un

inconveniente al polarizarse hasta convertirse en pilas secundarias de corrientes

Marco Teórico 20

inversas. Esto permitió que varios científicos, construyeron pilas imporalizables. Tras la

publicación en 1823 del Efecto Seebeck, Ohm descubrió que la intensidad en un circuito

es el cociente entre la tensión (suministrada por el generador) y las resistencias del

circuito (𝐼 = 𝐸/(𝑟 + 𝑅) [6]. Estos hechos son considerados el nacimiento de la

electricidad [8]

El 21 de Julio de 1820, es considerado el nacimiento del electromagnetismo moderno,

gracias a que se publica la experiencia de Oersted, que se refiere a que cuando una

aguja magnética se aproxima a un conductor eléctrico, esta sufre una desviación. [6]

Francesc Arago, quién fuera el inventor del electroimán, el 11 de septiembre de 1820

expone los resultados del experimento de Oersted, André Marie Ampere, quién introdujo

el término electrodinámica, había escuchado con atención esta exposición y aprovechó

para presentar los resultados de sus propias experiencias, donde demostraba que las

corrientes eléctricas se atraen o se repelen dependiendo de ciertas leyes. Biot y Savart

(1820), fueron quienes lograron comprobar de manera experimental que la fuerza

depende de 1/𝑟2 y de la intensidad de la corriente, pero fue Laplace quién logró deducir

matemáticamente lo anterior [6]

En 1821, Michael Faraday (1791- 1867) construye el primer motor eléctrico, en 1831

descubre las corrientes inducidas y ese mismo año descubre que cuando un imán se

acerca o se aleja de una bobina, también se genera una corriente inducida.

Es de gran relevancia anotar que Faraday era un simple encuadernador, pero con su

ánimo de aprender leía todos los libros que le tocaba encuadernar. Fue así como

aprendió de ciencia y pudo pasar a ser el ayudante de Davy, un científico profesional.

Poco a poco, fue ganándose el respeto de los demás científicos de la Royal Institution,

Faraday llegó a tener un laboratorio muy bien equipado para la época, y de sus

experimentos se considera que llegó a realizar más de cuatrocientas publicaciones.

Maxwell consideraba las interacciones entre cargas desde el punto de vista de acción a

distancia, en explicaciones que necesariamente utilizan cargas de prueba. [6]

James Clerk Maxwell (1831 –1879) compiló la obra de Faraday, y en 1873 publica su

obra cumbre, A Treatise on Electricity and Magnetism, que fue inspirada en los trabajos

sobre la propagación del calor de Fourier, en los de óptica ondulatoria de Fresnel y en las

ideas de campo y líneas de campo de Faraday (introducidos por él en 1845). Sus

conocidas cuatro leyes de Maxwell en derivadas parciales, que sintetizan los

conocimientos de electricidad y magnetismo, y lleva a cabo la segunda gran unificación

de estos fenómenos físicos de la historia de la ciencia: los fenómenos eléctricos y


magnéticos tienen el mismo origen y la luz no es más que la propagación de una

perturbación electromagnética en el vacío; en resumidas cuentas, las cargas eléctricas

generan los fenómenos eléctricos y el movimiento de dichas cargas genera los

fenómenos magnéticos ( [11], citado por [9]).

En 1878 Henrich Hertz verifica las predicciones de Maxwell produciendo ondas

electromagnéticas en el laboratorio. Esto fue seguido por desarrollos prácticos como la

radio la televisión. Las contribuciones de Maxwell a la ciencia del electromagnetismo

fueron significativas debido a que las leyes formuladas por él son básicas para todas las

formas de los fenómenos los electromagnéticos. [9]

La ley de Faraday-Henry es, sin ningún tipo de duda, la más importante de las cuatro

ecuaciones de Maxwell, por lo menos desde el punto de vista aplicado, y ella es la que

controla la mayor parte del mundo económico, tal y como ahora lo conocemos. El

fenómeno de la inducción electromagnética cambió de manera radical nuestro mundo, y

fue una de los principales responsables de la revolución industrial de finales del siglo XIX

y comienzos del XX. Hoy en día se calcula que más de las tres cuartas partes de la

energía consumida es de origen eléctrico y es generada usando los descubrimientos de

Faraday y Henry. [12]

1.2. Aspecto Disciplinar

1.2.1. Carga Eléctrica

La materia se compone de átomos. Por su parte, los átomos se componen de electrones,

protones y neutrones. La carga eléctrica es una propiedad de la materia que permite

describir la fuerza electromagnética. [13]

La carga eléctrica está regida por leyes, los cuales son las siguientes:

principio de conservación de la carga: La suma algebraica de todas las cargas

eléctricas en cualquier sistema cerrado es constante.

Cargas de signos opuestos se atraen, y cargas del mismo signo se repelen.

La carga está cuantizada.

Marco Teórico 22

Las corrientes eléctricas son electrones u otras partículas cargadas en movimiento y con

un desplazamiento global o flujo neto. La carga total que atraviesa por unidad de tiempo

cualquier superficie 𝑆 se llama corriente eléctrica.

1.2.2. Fuerza Electromagnética

Las cargas pueden ser estáticas o en movimiento. Cuando las cargas se pueden

considerar estáticas esta fuerza se puede calcular por la ley de Coulomb. Cuando las

cargas están en movimiento la fuerza total es la suma de la fuerza eléctrica y la fuerza

magnética.

Charles Coulomb (1736-1806) midió las magnitudes de las fuerzas eléctricas entre

objetos con carga. Para hacerlo usó la balanza de torsión, que él mismo inventó.

(Ilustración 1). A partir de esos experimentos, se derivan las propiedades de la fuerza

eléctrica entre dos partículas inmóviles con carga. Para ello se usa el término carga

puntual, que hace referencia a una partícula con carga de tamaño cero. El

comportamiento eléctrico de electrones y protones queda muy bien descrito si se

representan como cargas puntuales. A partir de observaciones experimentales es posible

encontrar la magnitud de una fuerza eléctrica (a veces llamada fuerza de Coulomb) entre

dos cargas puntuales, es lo que se conoce como la ley de Coulomb [14],

�⃗�𝑒 = 𝑘𝑒 𝑞1𝑞2

𝑟2 𝑟

𝑟: es un Vector unitario y 𝑘𝑒 es la Constante de Coulomb, cuyo valor depende de la

elección de las unidades. En el SI, tiene un valor de

𝑘𝑒 = 8,9876 × 109 𝑁 ∙ 𝑚2/𝑐2

La unidad de carga del SI es el coulomb (C).

(1)

(2)


De esa manera, la ley de Coulomb establece: “La magnitud de la fuerza eléctrica entre

dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas, e

inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa” [13].

Ilustración 1. Balanza de torsión de Coulomb.

Fuente: Tomado de http://balanzadetorsion.blogspot.com.co/2010/04/balanza-de-

torsion.html

1.2.3. Campo Eléctrico

El campo vectorial se conoce como un vector que se asigna a cada punto del espacio, si

a ese punto se le coloca una carga 𝑞 de prueba positiva en dicho punto, éste

experimentará una fuerza eléctrica �⃗�𝑒, por lo que el campo eléctrico �⃗⃗� es definido como

la fuerza �⃗�𝑒 por unidad de carga [15].

�⃗⃗� = �⃗�𝑒

𝑞0.

Para visualizar los campos eléctricos se dibujan líneas. Una línea de campo eléctrico es

una recta o curva trazada a través de una región del espacio de modo que es tangente

(3)

http://balanzadetorsion.blogspot.com.co/2010/04/balanza-de-torsion.html

http://balanzadetorsion.blogspot.com.co/2010/04/balanza-de-torsion.html

Marco Teórico 24

en cualquier punto a esté en la dirección del vector del campo eléctrico en dicho punto.

[13]

En la ilustración 2 se pueden ver ejemplos de líneas de campo eléctrico para tres

distribuciones de cargas diferentes.

Ilustración 2. Líneas de campo eléctrico para tres diferentes distribuciones de carga. a. Una sola carga Positiva b. Dos cargas iguales y opuestas c. Dos cargas positivas iguales

Fuente: [16] Tomado de https://ricuti.com.ar/no_me_salen/ELECTRICIDAD/elec01.html

bajo licencia de uso libre.

La fuerza eléctrica sobre una carga 𝑞 que se encuentra en un punto con campo eléctrico

�⃗⃗� , es:

𝐹𝑒⃗⃗⃗⃗ = 𝑞�⃗⃗�.

1.2.4. Campo Magnético

Todo espacio cercano a un imán o a un conductor por el cual circula una corriente

eléctrica es el asiento de un campo magnético. El campo magnético en un punto se

representa por un vector �⃗⃗� llamado inducción magnética o densidad de flujo magnético, y

por medio de líneas de inducción que deben cumplir con lo siguiente:

a. La tangente a una línea de inducción en un punto cualquiera indica la dirección de

�⃗⃗� en ese punto.

(4)

https://ricuti.com.ar/no_me_salen/ELECTRICIDAD/elec01.html


b. Las líneas de inducción se dibujan de tal manera que el número de ellas por

unidad de área de sección transversal sea proporcional a la magnitud de�⃗⃗�.

Si las líneas están muy cercanas entre sí, la magnitud de �⃗⃗⃗� es grande y donde

están muy separadas, la magnitud de �⃗⃗⃗� es pequeña. [17]

Así, Un campo magnético queda definido por unas líneas de fuerza que se llaman líneas

de inducción magnética. Estas líneas son tangentes en cualquier punto a un vector

llamado vector inducción magnética o inducción magnética �⃗⃗⃗� . La inducción en cada

punto es igual al número de líneas de inducción que atraviesa la unidad de superficie en

ese punto.

Este vector inducción magnética es el equivalente al vector intensidad de campo

gravitatorio �⃗� y al vector intensidad de campo eléctrico �⃗⃗� en los campos gravitatorio y

electrostático, respectivamente. [14]

Ilustración 3. Campo magnético alrededor de un conductor a través del cual la corriente está fluyendo. I es la dirección del flujo de corriente. B es la dirección del campo magnético.

Fuente: Esta imagen se distribuye bajo la Licencia de Documentación Libre GNU subido a la web el 7 de febrero de 2007

Ilustración 4. Líneas de Inducción Magnética

Marco Teórico 26

Fuente: Ramón Flores-Martínez publicado en http://fisicayquimicaenflash.es/ bajo Licencias Creative Commons no comercial.

1.2.5. Flujo de campo vectorial

Para definir flujo de campo vectorial se tiene en cuenta la definición de Alonso y Finn

[18], que establece lo siguiente. Considere una superficie colocada en una región donde

hay un campo vectorial �⃗⃗⃗� y divídala en infinitesimales superficies de áreas

𝑑𝑆1 , 𝑑𝑆2 , 𝑑𝑆3 … Trace los versores 𝑣1, 𝑣2, 𝑣3 … perpendiculares a las superficies en uno

de sus puntos. Si la superficie es cerrada, los versores 𝑣𝑛, apuntan hacia fuera. Sean

𝜃1, 𝜃2, 𝜃3, …los ángulos entre los vectores normales 𝑣1, 𝑣2, 𝑣3 … y los vectores de campo

𝑀1,𝑀2, 𝑀3, … en cada punto de la superficie”. Entonces por definición el flujo Φ del vector

a través de la superficie es Φ = 𝑀1 𝑑𝑆1 𝐶𝑜𝑠𝜃1 + 𝑀2 𝑑𝑆2 𝐶𝑜𝑠𝜃2 + 𝑀3 𝑑𝑆3 𝐶𝑜𝑠𝜃3 , o

simplemente:

Φ = ∫ 𝑀 𝐶𝑜𝑠𝜃𝑑𝑆𝑠

= ∫ 𝑀 𝑣𝑛𝑑𝑆𝑠

,

donde la integral se extiende a toda la superficie. El factor cos 𝜃 implica que el flujo puede

ser positivo (flujo saliente), negativo (flujo entrante) o nulo.

Para calcular el flujo eléctrico, mediante la ecuación (5) se tiene:

Φ = ∫ 𝐸 𝐶𝑜𝑠𝜃 𝑑𝑆.

(5)

(6)

http://fisicayquimicaenflash.es/


1.2.6. Flujo Magnético

El número de líneas de inducción que atraviesa una superficie se define como flujo

magnético a través de esa superficie. Teniendo en cuenta la ecuación (5), el flujo

magnético se define por la siguiente expresión:

Φ = ∫ 𝐵 ⃗⃗⃗⃗ ∙ 𝑑𝑆⃗⃗⃗⃗⃗ = ∫ 𝐵 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃 ∙ 𝑑𝑆 ,

donde 𝐵 ⃗⃗⃗⃗ , es la inducción magnética que atraviesa un diferencial de superficie 𝑑𝑆⃗⃗⃗⃗⃗ . Su

unidad de medida es el Weber (𝑊𝑏 ).

Ilustración 5. Flujo Magnético

Fuente: Tomado bajo licencia de uso libre de:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/archive/c/cf/20110916140859%21Magnetic_field_and_flux.s

vg

La contribución al flujo magnético para una determinada área es igual al área por la

componente del campo magnético perpendicular al área. Para una superficie cerrada la

suma del flujo magnético es siempre igual a cero (ley de Gauss para el magnetismo). No

(7)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/archive/c/cf/20110916140859%21Magnetic_field_and_flux.svg

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/archive/c/cf/20110916140859%21Magnetic_field_and_flux.svg

Marco Teórico 28

importa cuán pequeño sea el volumen, las fuentes de campos magnéticos son siempre

fuentes dipolares (como imanes de barra miniatura), de modo que hay tantas líneas de

campo magnéticos entrando (al polo sur) como saliendo (del polo norte). [14]

1.2.7. Corriente Eléctrica

Si se tiene un área como la que muestra la ilustración 6, la corriente dentro de ésta se

define como la cantidad de carga que atraviesa el área por unidad de tiempo. Ahora bien,

si se tiene un alambre, al hablar de la corriente del alambre, se refiere aquella que

atraviesa su sección transversal.

Ilustración 6. a. Definición de corriente eléctrica. b. Corriente en un alambre.

a. b.

Fuente: [19]

1.2.8. Voltaje

Pero la Ley de Faraday no es solo inducción, también se relaciona con la idea de voltaje.

Si se toma un cable conductor, puede ser un alambre de cobre y se piensa en el campo

eléctrico que impulsa a los electrones a moverse dentro del cobre. (Como se observa en

la Ilustración 8). Como los electrones no podrán salir fácilmente del material, el campo

eléctrico que está a lo largo del cable podrá producir una corriente, esta corriente solo la

produce la componente del campo tangente al alambre.


Ilustración 7. Corte transversal de un cable de cobre.

Fuente: Diseño propio usando el programa CorelDraw

La suma del campo eléctrico a lo largo de una curva (que puede ser un cable) es el

voltaje,

Ilustración 8. Voltaje

Fuente: [19]

𝑉 (𝐶) = ∫ �⃗⃗�𝐶

. 𝑑𝐿⃗⃗⃗⃗⃗

La integral indica que se divide la curva en pedazos pequeños, cada uno de los cuales es

casi recto y el producto punto establece que sólo se toma la componente del campo

eléctrico paralela a la curva.

(8)

Marco Teórico 30

La idea de voltaje está relacionado con una curva. Cuando la curva es cerrada, si las

corrientes y los campos no cambian con el tiempo, sino que se mantienen, la suma de la

componente paralela a lo largo de una curva cerrada es igual a cero. Esto equivale a

decir que la integral de línea del campo eléctrico a lo largo de una curva cerrada es cero.

∮ �⃗⃗� ∙ 𝑑𝐿⃗⃗⃗⃗⃗ = 0,

Como a una curva cerrada se le llama malla, entonces,

∑ 𝑉𝑖

𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎

= 0

Esto es la Ley de Kirchhoff de voltajes.

Ilustración 9. Ley de Kirchhoff de Voltajes.

Fuente: [19]

1.2.1. Inducción Electromagnética. Ley de Faraday

(9)

(10)


Pero en el caso que los campos si cambian en el tiempo, la sumatorias de los voltajes es

diferente de cero.

Como se anotó en el apartado 1.1, Michael Faraday realizó una serie de experimentos

usando un diseño sencillo (Ver Ilustración 10). Entre sus experiencias, Faraday encontró

que si hay un campo magnético atravesando la superficie limitada por una curva cerrada

(malla), la suma de los voltajes ya no es cero, sino que es igual a que tan rápido cambia

la cantidad de campo magnético que atraviesa la superficie.

∑ 𝑉𝑖

𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎

= − 𝑑

𝑑𝑡 ∫ 𝐵 ⃗⃗⃗⃗ ∙ 𝑑𝑆⃗⃗⃗⃗⃗

La parte de la derecha de la ecuación (11) se llama “inducción”. Sus unidades son en

voltios pero no es un voltaje. Los voltajes son campos eléctricos a lo largo de curvas, la

inducción es un campo magnético a través de una superficie.

El voltaje y la inducción pese a que tiene las mismas unidades no son lo mismo. Muchos

textos hablan de f.e.m. pero hay que dejar claro que en ocasiones la f.e.m. es un voltaje

(como es el caso de una pila A.A.) y en otras es una inducción (como es el caso de una

bobina), por lo que no se pueden mezclar ya que tienden a confundir.

Se piensa en un voltímetro en paralelo con una bobina (ver ilustración 10). De algún lado

entra una corriente en la bobina y una malla formada por la bobina y el voltímetro.

Ilustración 10. Voltaje de la bobina.

Fuente: [19]

(11)

Marco Teórico 32

Se piensa en la curva cerrada que va por dentro de los alambres y atraviesa el

voltímetro, se tiene:

∑ 𝑉 = −𝑑

𝑑𝑡

El campo eléctrico dentro de un alambre de cobre es prácticamente cero, excepto que la

corriente sea muy intensa. Pero dentro del voltímetro hay un transistor MOS-FET que

funciona igual que un condensador. Entre sus placas, el campo eléctrico es diferente de

cero. El voltaje a lo largo de la curva que va de una placa a la otra es lo que marca el

voltímetro (para eso está calibrado)

Ahora bien, la suma de voltajes a lo largo de la malla es = −𝑉, donde el signo negativo

es porque la curva va de – 𝑄 a +𝑄. Por otra parte, la corriente en la espira produce un

campo magnético que se encuentra en las áreas de la espira. La cantidad de campo

magnético que atraviesa esas espiras es proporcional a la corriente 𝐼. La constante de

proporcionalidad se conoce como Inductancia 𝐿.

Φ�⃗⃗�(𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠) = 𝐿𝐼.

Luego, de la Ley de Faraday

∑ 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 = −𝐼𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛

∮ �⃗⃗� ∙ 𝑑𝑙 = − 𝑑

𝑑𝑙Φ�⃗⃗�(𝑏𝑜𝑙𝑠𝑎)

𝑐

= − 𝑑

𝑑𝑡∫ �⃗⃗� ∙ 𝑑𝐴

𝑏𝑜𝑙𝑠𝑎

−𝑉 = − 𝑑

𝑑𝑡 (𝐿 𝐼)

𝑉 = 𝐿 𝑑𝐼

𝑑𝑡

Flujo de �⃗⃗� en la bolsa

(12)

(13)

Inducción


Lo anterior es la Ley de Inducción de Faraday. El lado izquierdo es un voltaje, y el

derecho es una inducción.

Finalmente, en una resistencia1, un campo eléctrico uniforme �⃗⃗� produce una densidad de

corriente uniforme. 𝑗 = 𝜎�⃗⃗�. (Ley de Ohm). 𝜎 Se llama conductividad del material.

Sacando los vectores:

‖𝑗‖ = 𝜎‖�⃗⃗�‖.

Se considera ahora la sección transversal del área 𝐴 del cilindro. La corriente de

electrones que la atraviesa es:

𝐼 = ‖𝑗‖ 𝐴.

Similarmente, se considera una curva 𝐶 que va a lo largo de la resistencia. El voltaje a lo

largo de esa curva es:

𝑉 = ‖�⃗⃗�‖ℓ

Luego, reemplazando en la ley de Ohm se tiene:

𝐼(𝐴)

𝐴= 𝜎

𝑉(𝐶)

ℓ

𝑉 (𝑐) =1

𝜎 .

ℓ

𝐴 𝐼(𝐴)

Donde 1

𝜎 .

ℓ

𝐴 corresponde a la Resistencia.

1.3. Aspectos Didácticos

1 Una resistencia es un cilindro de material óhmico.

(14)

(15)

(16)

Marco Teórico 34

1.3.1. Aspectos epistemológicos en el aprendizaje de La ley de Inducción de Faraday

Los fenómenos electromagnéticos son vistos dentro de la física como un tema poco

atractivo. La dinámica establecida en las aulas, enmarcadas en clases teóricas y la

solución de problemas, limita al docente a resolver ejercicios teóricos y corregir pruebas,

siendo esto una estrategia nada eficiente para alcanzar los objetivos propuestos de

aprendizaje. Además, los espacios en los cuales se pueden realizar la experimentación

son muy pocos o inexistentes. Así, el proceso enseñanza- aprendizaje de los diversos

contenidos de la materia carecen de herramientas alternativas que permitan estimular la

creación y fortalecimiento del conocimiento de manera significativa. [20]

Diversos estudios acerca del aprendizaje científico han demostrado que las prácticas

experimentales son un proceso dinámico en el que los estudiantes construyen su propio

entendimiento a la luz de sus experiencias [21]. Además, Sánchez [22] expresa que las

prácticas experimentales son una estrategia que motiva a investigar porque promueve a

través de los experimentos el desarrollo de habilidades y actitudes para la investigación.

La enseñanza tradicional de la física ha originado que el estudiante no se sienta

motivado en su proceso de aprendizaje, de acuerdo a lo expresado en párrafos

anteriores. Para intentar dar respuesta a esta situación, en las últimas décadas han

surgido una serie de investigaciones en el campo de la didáctica de la física que

proponen una interactividad mayor del estudiante con su proceso de aprendizaje a través

de la presentación de fenómenos experimentales y el uso de las nuevas tecnologías de

información y comunicación (TIC), especialmente en el campo del electromagnetismo. En

las siguientes líneas se presenta una breve revisión de algunas de estas investigaciones.

Albarracín y Fajardo [23] presenta una propuesta didáctica de enseñanza aprendizaje de

los fenómenos electromagnéticos, basada en la realización de experimentos sencillos

que permiten la comprensión de los fenómenos electromagnéticos y el formalismo de la

ley de inducción de Faraday. Esta propuesta fue una adaptación de la metodología

presentada en algunos trabajos publicados en la revista “The Physics Teacher”, los

autores realizan una propuesta didáctica dirigida a complementar la enseñanza y/o

aprendizaje de los fenómenos electromagnéticos, consta de 10 experimentos entre los

que se pueden anotar el número 6 que consiste en estudiar el comportamiento de la

fuerza magnética y el momento de fuerza generado sobre una espira que conduce


corriente, construyendo un motor sencillo, el número 9 que consiste en construir un

generador simple y con el estudiar el principio de inducción de Faraday- Henry, entre

otros.

Entre los resultados pedagógicos obtenidos por Albarracín y Fajardo [23] se resalta:

“Mayor asimilación de los conceptos, tales como: superficie gaussiana, líneas de campo, flujo eléctrico, flujo magnético, fuerza eléctrica, fuerza magnética, campo eléctrico, potencial eléctrico, campo magnético, inducción electromagnética, dirección de a FEM inducida y corriente de desplazamiento”. [23]

En la revista “Brasileira de Ensino de Física” Villalba y otros en su artículo [12] “estudio

experimental de la inducción electromagnética entre dos bobinas” muestra experiencias

sencillas de laboratorio que ilustran el fenómeno de la inducción electromagnética, como

medir el fenómeno de la inducción cuando el que se modifica es el campo magnético

responsable del flujo magnético, Shitu [24] en su artículo “Experimentos sencillos en

magnetismo con materiales de bajo costo: desarrollo de modelos y terminología a partir

de las observaciones”, propone una construcción modelada de fenómenos magnéticos

básicos, partiendo de experiencias sencillas y teniendo en cuenta las ideas previas de los

estudiantes.

Por último, en el artículo “El aprendizaje de Fenómenos electromagnéticos mediante una

herramienta interactiva”, Briseño y otros [25] proponen una solución a la dificultad que

presentan los estudiantes de nivel diversificado y profesional en la enseñanza y

aprendizaje de los elementos básicos del electromagnetismo. (pág. 502).

Los fenómenos electromagnéticos requieren de habilidad docente para presentar

analogía entre la parte teórica y la experimental, sin embargo, suelen presentarse

insuficiente dominio conceptual del docente, poco estudio para determinar cuáles

analogías son adecuadas y cuáles no, y falta de claridad en el planteamiento de los

objetivos, el cambio constante de docentes donde cada uno de ellos aborda la temática

con un nivel de complejidad diferente. Además, los profesores no utilizan la abundante

información que se encuentra en la internet, es decir el recurso de utilizar las nuevas

tecnologías se está desperdiciando. Todos estos inconvenientes, son los que llevan al

Marco Teórico 36

estudiante a no tener un buen proceso enseñanza aprendizaje en los fenómenos

electromagnéticos.

1.3.2. Estrategias didácticas en la enseñanza de la ley de inducción de Faraday.

Ante la visible dificultad en el aprendizaje de los fenómenos electromagnéticos, entre

ellos la ley de inducción de Faraday, por parte de los estudiantes de básica secundaria,

los investigadores han planteado estrategias didácticas que apuntan a solventar este

problema. Dichas estrategias reflejan el proceso enseñanza –aprendizaje como un

proceso de metodología activa donde los estudiantes son actores capaces de construir

sus propios conocimientos.

Según Almudí [26], para el aprendizaje de la ley de inducción es necesario tener en

cuenta el aprendizaje de los conocimientos científicos acompañado del aprendizaje

epistemológico, es decir de formas de producir y aceptar conocimientos que caracterizan

la metodología científica. Almudí [26] propone una estrategia para la enseñanza de los

contenidos que permita sortear las dificultades de aprendizaje en los fenómenos de

inducción electromagnética basada en la exigencia de realizar un estudio histórico

epistemológico para comprender las dificultades que existen en la enseñanza y al mismo

tiempo, clarificar conceptualmente el significado de los contenidos a enseñar.

Meneses y Caballero [27] plantean una secuencia de enseñanza sobre

electromagnetismo basada en tres fases. La primera llamada fase de planificación, es la

encargada de los aprendizajes significativos, requiere que los alumnos tengan interés por

aprender. La segunda fase llamada las situaciones problemas, busca que el alumno

ponga en dudas sus ideas, utilizando contraejemplos y generando conflictos cognitivos,

para que de este modo formulen sus propias hipótesis y den propuestas de solución. En

la fase final llamada fase de construcción, los estudiantes deben comprobar la

coherencia de sus hipótesis.

1.3.3. Experiencias de aula en la enseñanza de la Ley de Inducción de Faraday

Existen numerosas experiencias en la enseñanza de la ley de inducción de Faraday, pero

no todas trascienden del aula de clases, esta revisión bibliográfica nos pone de


manifiesto una muestra de las enseñanzas de la Ley de inducción de Faraday que han

sido documentadas.

En la escuela Universitaria de Ingeniería Industrial. Universidad de Zaragoza, los

profesores Antonio Uson, Jesús Artal, Joaquín Mur y Jesús Letosa participaron en el XI

congreso al premio Innovación Docente y Renovación Pedagógica 2003 con el proyecto

de aula titulado “Incorporación de experimentos en las clases teóricas de

Electromagnetismo para estudiantes de primer curso de Ingeniería Técnica industrial”.

Los profesores incorporan de forma regular y sistemática experimentos en clases

teóricas, encontrando en los alumnos una reacción muy positiva, puesto que con los

experimentos pueden observar todo aquello que se les exige imaginar. Los profesores, a

través de encuestas, pudieron determinar que en un (90%) de los estudiantes consideran

que las prácticas de laboratorio en clases son útiles para entender las teorías que se

explican. Esta iniciativa ha servido para mejorar el grado de aceptación hacia la

asignatura.

García [28], en su artículo “Ciencia Recreativa: Un Recurso Didáctico para Enseñar

Deleitando”, expresa la dedicación que ha tenido para dar a conocer la ciencia mediante

experiencias que muchos relacionan con artes de magia. García resalta la importancia

de acercar nuestros jóvenes a la ciencia mediante la experimentación, especialmente la

que se hace con materiales de bajo costo y fácil consecución, debido a que hace más

fácil la ejecución de la experiencia. Aunque el autor considera que la ciencia recreativa

como recurso didáctico no garantiza el aprendizaje, genera en los estudiantes un cambio

de actitud y un mayor grado de motivación frente a las temáticas.

2. Marco Metodológico.

En este capítulo se presenta los aspectos metodológicos que se sigue en la realización

del presente trabajo final. Se relacionan las actividades desarrolladas para el

cumplimiento de los objetivos propuestos, tal como se observa en la tabla 1. Luego se

expone lo pertinente a la secuencia didáctica, mostrando cada una de las actividades

planteadas y, finalmente, la metodología de aplicación de las prácticas experimentales.

Tabla 1. Tareas Propuestas para cumplir objetivos

Objetivos Tareas

1. Identificar los conceptos previos

en los estudiantes de grado

undécimo acerca de los

principios fundamentales de la

electricidad y el magnetismo.

Se realiza una prueba diagnóstica con la finalidad de

indagar los conocimientos previos que tienen los

estudiantes del grado undécimo con respecto a los

principios fundamentales de electricidad y magnetismo

2. Determinación de los aspectos

teóricos relacionados con la ley

de Faraday pertinentes en el

trabajo con estudiantes de grado

undécimo.

Se analizaron diferentes investigaciones relacionados

con el tema de estudio para establecer los aspectos

teóricos pertinentes.

3. Diseñar al menos cinco prácticas

experimentales encaminadas a la

enseñanza de la ley de inducción

de Faraday utilizando la

Metodología de Aprendizaje

Activo.

Se diseñaron seis (6) prácticas experimentales a

desarrollar con temas como electricidad, magnetismo,

flujo, campo y circulación, manteniendo entre ellos una

relación, de tal forma que al terminar los experimentos

los estudiantes fuesen capaces de explicar con sus

propias palabras en que consiste la ley de inducción de

Faraday

4. Implementar las prácticas

experimentales diseñadas, con

los estudiantes del grado

undécimo del colegio Alfonso

Araujo Cotes.

En esta etapa se aplicó la secuencia diseñadas en la

etapa anterior a los estudiantes del grado undécimo. El

grupo definido para la implementación de la secuencia

fue 11º01, el cual cuenta con 41 estudiantes.


5. Validar la estrategia didáctica

utilizada y realizar los ajustes

pertinentes para su

optimización.

Para validar la estrategia, se realizaron las siguientes

tareas:

Se revisaron los resultados de la evaluación

diagnóstica al grupo 11º01 (Prueba Diagnóstica)

Se aplicó nuevamente la evaluación diagnóstica

al grupo (Prueba de salida)

Se calculó la ganancia de Hake2 para validad la

efectividad de la secuencia.

Fuente: Diseño Propio

2.2. Estructura de la Secuencia didáctica

La secuencia está estructurada en una prueba diagnóstica, seis actividades

experimentales mediante el uso de la metodología de aprendizaje activo (tal como se

indica en la Tabla 2) y la evaluación final, para la cual se usa el mismo temario de la

evaluación diagnóstica.

Tabla 2. Actividades de la Secuencia didáctica

Número Título de las actividades

Actividad 1 Evaluación Diagnóstica (Ver Anexo A)

Actividad 2 Practica experimental 1 - Magnetismo (Ver Anexo B)

Actividad 3 Practica experimental 2 - Fuerzas entre imanes. (Ver Anexo C)

Actividad 4 Práctica experimental 3 - Polos de un imán (Ver Anexo D)

Actividad 5 Práctica experimental 4 - Electroimán (Ver Anexo E)

Actividad 6 Practica experimental 5 - Circuito eléctrico (Ver Anexo F)

Actividad 7 Práctica experimental 6 - Inducción electromagnética (Ver Anexo G)

Actividad 8 Evaluación Post- Actividades que corresponde a la misma prueba

diagnóstica con el fin de poder realizar el comparativo entre las dos

evaluaciones y establecer la ganancia de Hake.

Fuente: Diseño Propio

2 Richard R Hake [29] utilizó este método estadístico en una gran población de estudiantes de nivel preuniversitario y universitario en Estados Unidos para medir el aprendizaje en cursos similares de mecánica introductoria. La aplicación del instrumento se hizo al inicio y al final del semestre, con el propósito de cuantificar el aprendizaje conceptual a través de la ganancia normalizada.

Marco Metodológico 40

Cada actividad se desarrolló en el aula con elementos de fácil consecución, con apoyo

del profesor. Para cada experimento se diseñó una guía, la cual contiene una serie de

instrucciones.

Las actividades de la 2 a la 7 están diseñadas con la misma estructura para cada uno de

los temas, esta se puede ver en la Tabla 3.

Tabla 3. Estructura de las Actividades

a. Título de la practica

b. Conceptos previos de los estudiantes

c. Práctica experimental propuesta

Objetivo

Logros esperados

Planteamiento del problema

Estrategia

Propuesta de evaluación

Aspectos que fueron reforzados

en los estudiantes.

Fuente: Diseño propio

2.3. Metodología de Implementación de las prácticas

experimentales

Para el desarrollo de cada actividad se establecen ocho (8) momentos. El primero es el

espacio donde el docente pide a los estudiantes llenar sus hojas de predicciones

individuales. El segundo momento es donde la docente pide a los estudiantes llenar sus

hojas de predicciones grupales. En el tercero los estudiantes socializan las predicciones

grupales. En el cuarto momento cada grupo dispone del material y hace el montaje de

su experimento, el experimento es de exploración o en el caso que sea demostrativo

será realizado por el docente. En el quinto momento se hace la realización de la

práctica, que igual que en el momento anterior puede ser realizada por la docente

cuando solo sea demostrativa.

En el sexto momento se hacen los análisis de los resultados. En el séptimo momento se

hace la presentación y discusión general de resultados de cada grupo y se comparan

con las predicciones. Y en el último momento, la docente formaliza la idea del tema a

tratar, y a través de discusiones aclara conceptos y errores que se evidencien a partir

de la experiencia y establece las actividades de refuerzos. Estos momentos se

establecen en concordancia con lo que es la metodología del aprendizaje activo.

3. Implementación y análisis de Resultados

3.1. Caracterización de la Población

La secuencia didáctica se implementó con 41 estudiantes del grado undécimo, grupo 1

(11º 01) de la Institución Educativa Alfonso Araujo Cotes, que se encuentra ubicada en el

barrio San Martín, al sur de la capital del departamento del Cesar. La Institución es de

carácter oficial, y sus estudiantes provienen de familias de estratos socioeconómicos 1 y

2. Por eso se establece que los materiales usados en los experimentos sean de bajo

costo y de fácil consecución.

La estrategia se implementó en el área de Física asignatura que hace parte de las

ciencias naturales y que cuenta con una intensidad horaria de 3 horas semanales.

El rango de edades de los estudiantes que participaron en el desarrollo de la secuencia

está entre los 15 y 19 años.

3.2. Evaluación Diagnóstica

La evaluación diagnóstica se planteó con el propósito de generar un diagnóstico sobre

los conocimientos de los estudiantes sobre los conceptos fundamentales de electricidad y

magnetismo.

Esta prueba contó con 14 preguntas de tipo cerradas, de selección múltiple con única

respuesta. Fue aplicada a 41 estudiantes del grado 11º 01. (Ver Anexo A)

La dinámica de aplicación fue la siguiente. Los estudiantes se reunieron en el aula de

clases, donde recibieron la copia de la prueba por parte de la docente investigadora y la

resolvieron, contando para ello con dos (2) horas de clase. Al finalizar la prueba, los

estudiantes devolvieron la copia con sus respuestas consignadas.

Los resultados de esta prueba se muestran en la gráfica 1.

Implementación y análisis de Resultados 42

Gráfico 1. Resultados de la aplicación de la prueba Diagnóstica

Analizando el gráfico anterior se puede evidenciar que los estudiantes poseen

dificultades relacionadas con la ley de inducción de Faraday y con los conceptos

necesarios para su comprensión tal, como se esperaba.

Confunden el concepto de campo con energía y potencial, a pesar que los estudiantes

saben que los imanes generan campo magnético, no relacionan este mismo con el

campo magnético de La Tierra.

Los estudiantes describen los fenómenos ocurridos en un circuito como un fenómeno de

fuente consumidor. Estos conceptos obedecen a las experiencias vividas en su rol diario,

sin que se hayan abordado los temas a profundidad en su formación básica. Solamente

describen los hechos observados, sin profundizar en la explicación de ellos. Se hace

necesario realizar prácticas experimentales que lleven a una descripción satisfactoria de

fenómenos eléctricos y brindarles ideas solidas en el concepto de cargas, flujo y

circulación.

La gran mayoría de los estudiantes no saben explicar la inducción electromagnética

cuando se trata de un campo magnético que se mueve en un circuito. No tienen claro si

esta corriente se puede inducir en tres situaciones, una cuando mueva el imán, otra

cuando cambie el área o cuando mueva la espira. De igual forma, no saben explicar

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

26,819,5 17,1

97,6

22,0 22,017,1

26,819,5

24,419,5 22,0 22,0

26,8

73,280,5 82,9

2,4

78,0 78,082,9

73,280,5

75,680,5 78,0 78,0

73,2

Resultados Prueba Diagnóstica

Porcentaje de respuestas correctas Porcentaje de Respuestas Incorrectas


cómo una corriente eléctrica genera un campo magnético. Se sugiere realizar prácticas

experimentales demostrativas que permitan evidenciar estos fenómenos

electromagnéticos.

Ilustración 11. Aplicación de la Evaluación Diagnóstica

Fuente: Fotografía tomada por Claudia Pérez Campo

3.3. Las Practicas Experimentales

En el proyecto se agrupan las actividades en prácticas experimentales. La estrategia

busca los siguientes propósitos:

Motivar a los estudiantes al aprendizaje de la física mediante el desarrollo de

actividades experimentales.

Desarrollar actividades experimentales que ayuden a interpretar y comprender los

conceptos de electricidad, magnetismo, campo, circulación de corriente e

inducción electromagnética.

Promover el desarrollo de prácticas experimentales sencillas para que los

estudiantes participen activamente, muestren sus habilidades y las puedan poner

en uso.


3.3.1. Practica experimental 1 - Magnetismo

La siguiente práctica utiliza limaduras de hierro e Imanes, en la cual se busca que los

estudiantes obtengan resultados que permitan determinar de qué manera se genera un

campo magnético y sepan que es un campo.

3.3.1.1. Conceptos previos de los estudiantes

Los estudiantes piensan que el campo magnético se produce cuando colocamos el imán

por debajo del acetato con las limaduras de hierro y que las líneas de campo que se

forman pueden tomar cualquier dirección dependiendo de la forma del imán.

Los estudiantes tienen dificultades para expresar y explicar los fenómenos magnéticos.

3.3.1.2. Practica experimental propuesta

Objetivo

Fomentar en los estudiantes el uso de prácticas experimentales que les permitan

comprender el concepto de Campo magnético.

Logros esperados

Los estudiantes observan las líneas de campo que se producen en un acetato al vaciar

sobre él limaduras de hierro y por debajo colocamos un imán. A partir de esta

observación pueden expresar como se forman las líneas de campo.


El magnetismo es un conjunto de fenómenos de atracción y repulsión producidos por los

imanes. Hay algunos materiales de la naturaleza como el hierro, níquel y sus aleaciones

que comúnmente se llaman ferromagnéticos. Sin embargo, no todos los materiales son

influidos por la presencia de un campo magnético [14]. De tal manera que en ocasiones

no es tan sencillo visualizar ese campo magnético. ¿De qué manera se puede visualizar

un campo magnético?


Estrategia

Cada estudiante escribe sus predicciones individuales. Luego, en grupos de cuatro,

discuten esas predicciones y escriben las grupales. Por último, realizan la experiencia y

escriben sus resultados. Al realizar la experiencia ellos son capaces de responder

preguntas, como: ¿qué forma en particular toman las limaduras de hierro al esparcirlas

sobre un acetato que contiene por debajo un imán? Además, dibujan las líneas de campo

producidas por un imán.

Los resultados son socializados, discutidos y valorados por cada grupo. La docente

orienta la actividad, verifica las predicciones de los grupos y formaliza las ideas que

presentan los estudiantes al realizar la experiencia.


Los grupos hacen uso de los conceptos anteriores para proponer situaciones que

permitan observar un campo magnético.

Aspectos que fueron reforzados en los estudiantes

Las líneas de hierro se van orientando formando las líneas de campo. Los imanes

generan un campo magnético consistente en una serie de líneas de campo que salen por

el Norte del imán y entran por el polo Sur del mismo y recorren al imán por su interior

hacia el norte del mismo.

3.3.1.3. Análisis de la práctica Experimental 1

Al dar inicio a la primera practica experimental de la unidad didáctica, los estudiantes

muestran timidez para escribir sus predicciones, y le piden al profesor haga una breve

explicación del tema. la docente investigadora les aclara los pasos de la metodología del

aprendizaje activo, La cual no les causa motivación debido a que vienen acostumbrados

a una metodología pasiva donde el docente es el dueño del conocimiento y los

estudiantes, unos seres repetitivos del aprendizaje. Esta actividad tuvo poco impacto en

los estudiantes.


Ilustración 12. Evidencias del Experimento 1 - Magnetismo


3.3.2. Practica experimental 2 - Fuerzas entre imanes.

La siguiente práctica utiliza imanes de diferentes tamaños, a través de las cuales se

busca que los estudiantes logren vivenciar y explicar el efecto que causa al acercar dos

imanes.


Los estudiantes tienen el concepto que, al acercar dos imanes, estos siempre se atraen.

Además, creen que en los imanes hablar de polos es lo mismo que hablar de cargas.

Los estudiantes tienen dificultades para identificar que los imanes tienen polos.



Objetivo

Promover en los estudiantes actividades con imanes que los lleven a concluir que los

imanes ejercen fuerzas capaces de atraer o repeler.

Logros esperados

Los estudiantes exploran el efecto que causa acercar dos imanes, ya sea con caras

iguales o con caras diferentes. A partir de esta observación pueden expresar cómo se

manifiestan las fuerzas entre dos imanes.


Usted aprende en los textos que al acercar dos imanes se atraen o se repelen. ¿Cómo

puede determinar o reconocer cuando estos se atraen o se repelen? ¿Cómo puedes

saber que los imanes tienen polos?

¿Cómo se manifiestan las fuerzas entre dos imanes?

Estrategia

Cada estudiante escribe sus predicciones individuales, luego en grupo de cuatro discuten

esas predicciones y escriben las grupales, por ultimo realizan la experiencia y escriben

sus resultados, de tal forma que sean capaces de explicar sobre lo siguiente:

¿Qué ocurre cuando acercamos dos imanes?

¿Qué sucede cuando se acercan imanes del mismo polo y luego de polos

diferentes?

¿Qué sucede si los imanes están suspendidos y cuando están sobre una

superficie?


orienta la actividad, verifica las predicciones de cada grupo y formaliza las ideas que




Los grupos hacen uso de la exploración sobre los conceptos anteriores y proponen

actividades cotidianas que permitan evidenciar las fuerzas entre dos imanes.


Dependiendo de cómo se los acerque, ambos imanes experimentarán una atracción o

repulsión. Los imanes tienen dos polos: un polo norte y un polo sur, llamados polos

magnéticos, y a su vez hacer saber que los polos magnéticos del imán son inversos a los

polos geográficos.

El magnetismo terrestre es un imán con su polo sur próximo al Polo Norte geográfico. El

campo magnético de la tierra es similar al de una barra imantada inclinada unos 11º,

respecto al eje de giro. La magnitud del campo magnético sobre la superficie de la tierra

varía en un rango de 0.3 a 0.6 gauss. El campo magnético de la tierra no es constante

en dirección, pues análisis de rocas de diferentes épocas en un mismo lugar muestran

magnetizaciones en direcciones diferentes, donde el campo magnético ha invertido su

sentido.

3.3.2.3. Análisis de la Práctica Experimental 2

Al iniciar esta práctica, los estudiantes se encuentran ansiosos y estaban a la expectativa

por conocer más sobre los fenómenos magnéticos, estudiar sus causas y efectos,

mostraron mucho interés por escribir sus predicciones, socializarlas con el grupo y darlas

a conocer. Algunos manifiestan que estas prácticas son útiles para comparar los

conceptos previos con la realidad.

Ilustración 13. Evidencias de la Práctica Experimental 2



3.3.3. Práctica experimental 3 - Polos de un imán

La siguiente práctica utiliza Imanes y una brújula. En ella se busca que los estudiantes

experimenten y observen los polos de un imán y la manera como están relacionados con

los polos geográficos.


Los estudiantes tienen la idea que los imanes tienen polos, que llaman polo positivo y

polo negativo. Los estudiantes tienen dificultades para establecer una relación entre los

polos geográficos de la tierra y los polos de un imán.


Objetivo


Despertar en los estudiantes el interés de conocer los polos de un imán, haciendo uso de

prácticas experimentales con materiales de fácil consecución, como una aguja, y

relacionarlos con los polos geográficos.

Logros esperados

Los estudiantes demuestran que, al acercar un imán a una brújula, esta muestra el polo

inverso al polo geográfico terrestre. A partir de esta demostración pueden determinar los

polos de un imán y hacer una comparación con los polos geográficos.


En los textos se menciona que los imanes tienen polos llamados Norte y polo Sur, y que

polos iguales se repelen y polos diferentes se atraen. Además, se menciona que los

polos de un imán son inversos a los polos geográficos terrestres. A partir de la

información anterior, ¿Cómo puedes determinar los polos de un imán? ¿De qué manera

puedes comparar los polos geográficos terrestres con los polos de un imán?

Estrategia

Cada estudiante escribe sus predicciones individuales, luego en grupo de cuatro discuten

esas predicciones y escriben las grupales. Por ultimo realizan la experiencia y escriben

sus resultados. El estudiante debe ser capaz de expresar cuales son los respectivos

polos del imán cuando se alinee con los polos de la brújula. Los resultados son

socializados, discutidos y valorados por cada grupo, la docente orienta la actividad,

verifica las predicciones de cada grupo y formaliza las ideas que presentan los

estudiantes al realizar la experiencia.


El docente explica a los estudiantes cómo hacer una brújula casera por medio de una

aguja, hilo e imanes y pide a la vez repetir la experiencia en casa haciendo uso de la

brújula casera y en la próxima clase narrar sus vivencias.



Las brújulas sirven para orientarnos, y se utilizan como medio de funcionamiento del

magnetismo terrestre. Las brújulas nos indican los cuatro puntos cardinales, pero

siempre utilizando como referencia de orientación el Norte geográfico terrestre. Así pues,

La Tierra es como un imán gigante con sus polos magnéticos invertidos respecto los

polos geográficos.


El inicio de esta práctica fue impactante. Los estudiantes estaban totalmente motivados,

y mostraban un gran deseo por explorar conceptos relacionados con magnetismo. Así se

da inicio a la práctica 3, y las ideas fluyen, la participación de los estudiantes ya se tornó

activa, iniciaron a respetar parámetros de esta metodología. Algunos manifestaban no

conocer una brújula. Además, sabían que los imanes tenían polos, y los identificaban

como Norte y Sur cuando estaban marcados.

Ilustración 14. Evidencias de la Práctica Experimental 3


3.3.4. Práctica experimental 4 - Electroimán

La siguiente práctica utiliza clavos de hierro, baterías, alambre de cobre y clips. En ella

se busca que los estudiantes infieran que una corriente eléctrica genera un campo

magnético.



A pesar de que los estudiantes saben que hay una corriente eléctrica, no logran explicar

cómo se genera un campo magnético, debido a que tienen la idea de que sólo los imanes

como tal son capaces de atraer objetos ferromagnéticos.

3.3.4.2. Práctica experimental propuesta

Objetivo

Buscar en los estudiantes la comprensión del fenómeno físico mediante el cual una

corriente eléctrica genera un campo magnético.

Logros esperados

Los estudiantes observan cómo al enrollar un alambre de cobre sobre un clavo de hierro

y conectar sus extremos a una batería, éste es capaz de atraer materiales

ferromagnéticos, generándose así un campo magnético. A partir de esta observación

pueden argumentar como funciona un electroimán.


En la actualidad, los electroimanes se utilizan para levantar grandes pesos que

contengan materiales ferromagnéticos, los cuales son más funcionales que los imanes

naturales, ya que se pueden activar y desactivar cuando se desee. ¿Cómo construir un

electroimán? ¿Cómo funciona un electroimán?

Estrategia

Cada estudiante escribe sus predicciones individuales. Luego en grupo de cuatro

discuten esas predicciones y escriben las grupales. Por ultimo realizan la experiencia y

escriben sus resultados. El estudiante debe ser capaz de explicar por qué el material

ferromagnético se vuelve un imán transitorio o deja de hacerlo. Además de proponer qué

puede hacer para que un electroimán sea más potente y qué sucede cuando el material

utilizado es o no es ferromagnético.



Se pide a los estudiantes tomar otros materiales como aluminio, plástico, acero etc… y

repetir la experiencia con el electroimán, y luego explicar que sucedió en cada caso.

Aspectos que fueron reforzados en los estudiantes.

Un electroimán es un imán artificial que consta de un núcleo de hierro y está rodeado por

una bobina por la que pasa una corriente eléctrica.

El funcionamiento del electroimán es simple. Al hacer pasar una corriente eléctrica por un

conductor enrollado en un núcleo de hierro, se consigue que los espines de los átomos

que forman el núcleo se reordenen y alineen, reordenando los espines en un mismo

sentido, De esta forma, los campos magnéticos formados por los espines de todos los

átomos se suman dando lugar a una fuerza de atracción con otros imanes y objetos

metálicos (ferromagnéticos).


Esta práctica fue una de las actividades con mayor grado de motivación. Los estudiantes

al leer las predicciones escribieron con mucha rapidez. A la hora de discutir en grupo se

escuchaban estudiantes que decían. Con relación a los clips no pasa nada, las baterías

solo sirven para encender bombillos. Mostraban ansiedad porque el docente realizara la

práctica y ellos poder conocer en realidad el fenómeno. Cuando el docente hace la

demostración de cómo generar un campo magnético a través de una corriente eléctrica,

muchos manifestaban que era magia y pedían al docente les permitiera hacerlo ellos,

como se puede ver en las evidencias de la práctica 4.

Ilustración 15.Evidencias de la Práctica Experimental 4



3.3.5. Practica experimental 5 - Circuito eléctrico

La siguiente práctica utiliza batería, cables conductores y bombilla. En ella se busca que

los estudiantes superen los conceptos erróneos de corriente, voltaje, resistencia y

potencia.


Los estudiantes describen un circuito eléctrico como un modelo de fuente consumidor.

Los estudiantes muestran dificultades para explicar la función de cada uno de los

elementos de un circuito eléctrico.

3.3.5.2. Práctica experimental propuesta

Objetivo

Propiciar en los estudiantes la realización de prácticas experimentales cotidianas que los

lleven a entender los conceptos corrientes, voltaje y resistencia

Logros esperados

Los estudiantes proponen modelos de cómo conectar los elementos (batería, cables y

bombilla) en la construcción de un circuito, y cómo hacerlo funcionar. A partir de estos


modelos poder comprender qué es un circuito, cómo funciona, qué elementos lo

componen y las funciones de cada uno de sus elementos.


Un circuito eléctrico está presente en algunos elementos que dependen de la electricidad

para funcionar, en nuestros hogares encontramos a diario aparatos que funcionan con la

electricidad como por ejemplo una linterna, pero nos surgiría la siguiente pregunta: ¿Qué

necesitamos para construir un circuito y hacerlo funcionar?

Estrategia

Se repinten los pasos de las practicas anteriores. Al realizar la experiencia se busca que

los estudiantes sean capaces de explicar cómo se construye un circuito, igualmente

identificar la función de cada elemento del circuito.


orienta la actividad, verifica las predicciones de cada grupo y formaliza las ideas que



En grupos de cuatro estudiantes, se pide llevar 2 bombillas con sus respectivas rosetas,

cables conductores y 2 baterías de 9 V. Se sugieren conexiones en serie y paralelos,

tanto de las pilas como de las bombillas. Cada grupo debe explicar qué sucede con la

corriente eléctrica cuando se colocan dos baterías y un bombillo, tanto en serie como

paralelo, o viceversa.


Un circuito eléctrico DC es un camino por donde fluye la corriente eléctrica, desde el polo

negativo hasta el polo positivo de una fuente de alimentación (pila, batería, generador,

etc.). Donde la fuente de alimentación, en este caso la batería, produce una fuerza

eléctrica sobre las cargas de tal manera que éstas se muevan. La bombilla es la que

permite visualizar que las cargas se están moviendo, y los cables son el camino

conductor por donde se mueven las cargas.



En este momento los estudiantes manejan de forma adecuada los conceptos de

Electricidad. Ellos están inquietos y quieren explorar todo lo que ocurre a su alrededor

con los fenómenos eléctricos, y conocen circuitos eléctricos caseros, situación que los

lleva conservar sus ideas previas al momento de escribir sus predicciones. A nivel

general los estudiantes no comprenden cómo funcionan los elementos de un circuito

eléctrico.

Ilustración 16. Evidencias de la práctica Experimental 5


3.3.6. Práctica experimental 6 - Inducción electromagnética

La siguiente práctica utiliza un imán permanente, un bobinado y un voltímetro. Así se

busca que los estudiantes puedan identificar que un campo magnético cambiante induce

una corriente eléctrica.

Ilustración 17. Elementos para desarrollar la práctica Inducción electromagnética

Fuente: Tomado de http://www.youtube.com/watch?v=8QG8sqDwM1c

http://www.youtube.com/watch?v=8QG8sqDwM1c



Los estudiantes manejan el concepto de que un campo magnético siempre induce una

corriente eléctrica, sin importar el movimiento.

Los estudiantes muestran dificultades para explicar como un campo magnético induce

una corriente eléctrica.


Objetivo

Mostrar a los estudiantes cómo un campo magnético en movimiento induce una corriente

eléctrica.

Logros esperados

Que los estudiantes identifiquen el concepto de corriente inducida y expliquen la forma

cómo se induce esta corriente.


La corriente inducida es el fenómeno que origina la producción de una fuerza

electromotriz en un medio conductor, expuesto a un campo magnético variable, o bien en

un conductor móvil respecto a un campo magnético estático no uniforme. ¿Qué se

necesita para generar corriente eléctrica por medio de un campo magnético?

Estrategia

Se repinten los mismos pasos de las experiencias anteriores, por último, se espera que

realicen la experiencia y escriben sus resultados. Realizada la experiencia los

estudiantes serían capaces de explicar el mecanismo por el cual se produce corriente

eléctrica en un circuito eléctrico expuesto a un campo magnético.



Los estudiantes observan el video www.youtube.com/watch?v=Dipsdb2l9Sc, el cual

explica la ley de inducción electromagnética (ley de Faraday), después de ver el video se

les pide hagan sus aportes y comparaciones con la práctica aplicada anteriormente.


Al acercar el imán a la bobina aumenta el flujo del campo magnético que atraviesa cada

una de las espiras y se induce una corriente eléctrica, por lo que la aguja se desplaza.

Cuando el imán está en reposo el flujo del campo magnético que atraviesa la bobina no

cambia. Por lo tanto, allí no se genera corriente eléctrica.

Cuando el imán se aleja de la bobina, disminuye el flujo magnético y la aguja se mueve

hacia la izquierda. De igual forma, se induce una corriente eléctrica con sentido contrario

que cuando el imán se acerca, y la aguja del voltímetro se mueve hacia la derecha.

Si el imán está en reposo y se mueve la bobina alrededor del imán de igual forma se

genera una corriente eléctrica. La presencia de estas corrientes en la bobina implica la

existencia de una fuerza electromotriz inducida, la cual está presente durante el tiempo

que el flujo magnético está variando. El flujo del campo magnético que atraviesa la

bobina está relacionado con la fuerza electromotriz mediante la ley de Faraday, que

establece que la fuerza electromotriz.


A nivel general los estudiantes contrastaron las ideas previas que tienen con los

fenómenos observados, logrando así acercarse un poco más a la física como ciencia. En

cuanto al concepto de corriente inducida, lograron comprender que se da cuando se tiene

un campo magnético y se mueve alrededor de una espira. En esta práctica los

estudiantes tenían una motivación más: la de conocer y manipular un multímetro.

De todo este proceso podemos decir que el conocimiento común no siempre es paralelo

al conocimiento científico. Es el conocimiento común el que despierta el interés de hacer

ciencia, pero hay que llegar al científico.

http://www.youtube.com/watch?v=Dipsdb2l9Sc


Ilustración 18. Evidencias Práctica Experimental 6


3.4. Evaluación Post - Actividades

Para finalizar la aplicación de la secuencia, se realizó una evaluación Post - Actividades

(Ver Anexo), que está compuesta por 14 preguntas, de las cuales corresponden a las

mismas preguntas de la Evaluación Diagnóstica, con el fin de poder realizar una

comparación entre ambas pruebas y así determinar la efectividad de la secuencia y

establecer de qué manera influyen las practicas experimentales en los estudiantes

durante su proceso enseñanza – aprendizaje. Esta medición se realiza mediante el

cálculo de la Ganancia de Hake.

Las preguntas planteadas fueron cerradas, del tipo selección múltiple con única

respuesta.

Los resultados se relacionan en el gráfico 2:

Gráfico 2. Resultados Evaluación Post – Actividades


Teniendo en cuenta el gráfico anterior, se observa que en las preguntas que los

estudiantes presentaron mayor dificultad, tales como el ítem 2 que se indaga el concepto

de campo eléctrico, los estudiantes pasaron de un 19,5% de respuestas correctas (Ver

gráfico 1) a un 73,2% en la evaluación post – actividades, mostrando una mejoría

porcentual alrededor del 53%.

En general, los estudiantes tuvieron un mejor desempeño, lo que se ve reflejado en el

gráfico 3.

Gráfico 3. Comparativo de la Prueba Diagnóstica y la Evaluación Post – Actividades

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

78,073,2 73,2

100,0

78,0 78,0 75,6 75,6 78,0 75,682,9 80,5

73,280,5

22,026,8 26,8

0,0

22,022,0 24,4 24,4 22,0 24,4

17,1 19,526,8

19,5

Resultados Evaluación Post - Actividades

Porcentaje de respuestas correctas Porcentaje de Respuestas Incorrectas

18,6

18,65

18,7

18,75

18,8

18,85

18,9

18,95

Data Set # 1 Data Set # 2

Lower Quartile

Minimum

Median

Maximum

Upper Quartile


Tabla 4. Resultados Evaluación Diagnóstica

EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA

Q1 21,4

Calificación Mínima 7,1

Mediana 28,6

Calificación Máxima 42,9

Q3 35,7

Tabla 5. Resultados Evaluación Post - Actividades

EVALUACIÓN POST - ACTIVIDADES

Q1 71,4

Calificación Mínima 64,3

Mediana 78,6

Calificación Máxima 92,9

Q3 85,7

Al realizar el análisis del gráfico 3 y las tablas anexas, se puede observar que el valor

mínimo obtenido por los estudiantes pasó de 7,1 en la evaluación diagnóstica a 64,3 en

la evaluación Post – Actividades. Este resultado no lo obtuvo el mismo estudiante, pero

quién sacó la menor nota en la evaluación diagnóstica, obtuvo una mejor calificación en

la evaluación Post – Actividades.

Con el análisis del primer cuartil Q1, se pasó de un 25% de los estudiantes con puntajes

hasta 21,4 en la evaluación diagnóstica a un 25% de estudiantes con puntajes hasta 71,4

La mediana pasó de ser 28,6 en la evaluación diagnóstica a 78,6 en la evaluación Post –

Actividades. El tercer cuartil, Q3 pasó de 35,7 a 85,7

Ilustración 19. Aplicación de la Evaluación Final


Fuente: Fotografías tomadas por Claudia Pérez Campo

3.4.1. Ganancia de Hake

Para validar la propuesta, además de hacer una comparación pregunta a pregunta entre

la evaluación diagnóstico y la evaluación post actividades, se utilizó la ganancia de Hake,

que consiste hallar la ganancia normalizada < 𝑔 > que se define como la razón del

aumento del pre-test y el post-test respecto al valor máximo posible. Se determina a

partir de los aciertos obtenidos en el instrumento de evaluación utilizado.

La ganancia relativa de aprendizaje conceptual se determina con la siguiente ecuación:

< 𝒈 > =%<𝒔𝒇>−%<𝒔𝒊>

𝟏𝟎𝟎−%<𝒔𝒊>< g >=

%<sf>-%<si>

100-%<si> , [𝟕]

donde % < 𝑠𝑖 > corresponde al promedio de porcentaje de respuestas correctas de la

prueba diagnóstico % < 𝑠𝑓 > corresponde al promedio obtenido en la prueba post

actividades.

La ganancia de Hake se categoriza según los datos obtenidos en tres zonas de la

siguiente manera: una ganancia de Hake baja se encuentra considerada entre 0,0 𝑦 0,3

una ganancia de Hake media se encuentra entre 0,3 𝑦 0,7 y una ganancia de Hake alta

está comprendida entre 0,7 𝑦 1,0. En la Tabla 3 se encuentra el porcentaje de respuestas

correctas tanto de la evaluación diagnóstica como de la evaluación post actividades de

cada estudiante, haciendo uso de ecuación [7].

En la Tabla 6 se muestran los resultados de la ganancia de Hake.


Tabla 6. Ganancia de Hake

ESTUDIANTES % EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA

% EVALUACIÓN POST-

ACTIVIDADES

GANANCIA HAKE

<h>

CATEGORÍA GANANCIA DE HAKE

1 35,7 78,6 0,67 Media

2 21,4 85,7 0,82 Alta

3 21,4 85,7 0,82 Alta

4 28,6 71,4 0,60 Media

5 28,6 85,7 0,80 Alta

6 35,7 85,7 0,78 Alta

7 21,4 71,4 0,64 Media

8 7,1 64,3 0,62 Media

9 42,9 78,6 0,63 Media

10 28,6 85,7 0,80 Alta

11 42,9 85,7 0,75 Alta

12 21,4 78,6 0,73 Alta

13 42,9 92,9 0,88 Alta

14 7,1 71,4 0,69 Media

15 42,9 92,9 0,88 Alta

16 35,7 71,4 0,56 Media

17 21,4 78,6 0,73 Alta

18 14,3 85,7 0,83 Alta

19 21,4 85,7 0,82 Alta

20 28,6 71,4 0,60 Media

21 35,7 71,4 0,56 Media

22 35,7 92,9 0,89 Alta

23 28,6 85,7 0,80 Alta

24 14,3 78,6 0,75 Alta

25 21,4 64,3 0,55 Media

26 21,4 92,9 0,91 Alta

27 14,3 71,4 0,67 Media

28 35,7 64,3 0,44 Media

29 35,7 92,9 0,89 Alta

30 35,7 71,4 0,56 Media

31 21,4 64,3 0,55 Media

32 28,6 78,6 0,70 Alta

33 14,3 64,3 0,58 Media


34 42,9 78,6 0,63 Media

35 21,4 71,4 0,64 Media

36 42,9 85,7 0,75 Alta

37 28,6 78,6 0,70 Alta

38 21,4 64,3 0,55 Media

39 21,4 92,9 0,91 Alta

40 21,4 71,4 0,64 Media

41 28,6 85,7 0,80 Alta

PROMEDIO 27,4 83,26 0,70846552 Alta

Fuente: Diseño propio

Al observar la ganancia promedio de los estudiantes, es de 0,708, la cual está

categorizada como una ganancia “Alta”. El 54% que corresponde a 22 estudiantes

están en esta categoría, y los 19 restantes que corresponde al 46% están en la

categoría “Media”. Ninguno de los estudiantes del grado once uno (11º 01) está en la

categoría Baja.

4. Conclusiones y Recomendaciones

4.1. Conclusiones

Al finalizar la ejecución y el análisis de la secuencia diseñada para la enseñanza de los

conceptos relacionados con la ley de Faraday, se tienen las siguientes apreciaciones:

Al analizar la ganancia de Hake, se observa que el 54%, es decir, 22 estudiantes

obtuvieron una ganancia “alta”, y el 46% restante que corresponde a 19

estudiantes se ubica en la categoría “Media”, lo que permite establecer que la

propuesta resultó efectiva a nivel individual dentro del grupo.

En cuanto al promedio grupal, la ganancia es de 0,708 que corresponde a una

categoría “Alta” lo que permite establecer que la propuesta diseñada funcionó

para el grupo, se puede decir que las prácticas experimentales propuestas y

aplicadas generaron en los estudiantes un mayor grado de participación en el

proceso de enseñanza–aprendizaje.

Las prácticas experimentales aplicadas fueron de gran ayuda en los estudiantes

para mejorar los conceptos previos que tenían en la evaluación diagnóstica,

notándose significativamente en la evaluación post – actividades.

El promedio de resultado de la evaluación diagnóstica fue de 27,4 mientras que el

de la evaluación post- actividades fue de 78,7, lo que corrobora que la propuesta

aplicada resultó efectiva dentro del grupo.

Conclusiones y Recomendaciones 66

Es importante destacar que esta misma secuencia se aplicó el año anterior con

otros estudiantes y el resultado de la ganancia de Hake estuvo categorizada

como “Media”, lo que permitió realizar una revisión de las actividades, analizar los

resultados y establecer que se requería mayor motivación hacia la aplicación de

la secuencia. En este año, se realizó una actividad de motivación hacia la

aplicación de nuevas estrategias de enseñanza – aprendizaje, lo que permitió que

los estudiantes se mostraran más receptivos hacia las actividades propuestas.

4.2. Recomendaciones

Se recomienda desarrollar paulatinamente prácticas experimentales que conlleven a

cambios significativos en el proceso de enseñanza- aprendizaje. Por ejemplo la

aplicación de experimentos que permitan medir cuantitativamente el voltaje inducido por

un flujo variable (ver Apéndice). Estas estrategias deben considerarse como una

oportunidad para mejorar.

Es importante tener en cuenta los conceptos previos de los estudiantes y construir, a

partir de estos, estrategias que permitan orientar los procesos de enseñanza aprendizaje.

Sería deseable que los docentes que tengan a cargo grados en la educación media

analicen y hagan uso de propuestas como esta, no solo en electromagnetismo, sino en

cualquier campo de la física.

Apéndice.

Se tienen dos bobinas superpuestas de manera que una envuelve a la otra. La bobina 1

tiene 100 espiras, 10 𝑐𝑚 de longitud y 5 𝑐𝑚 de radio. La bobina 2, que envuelve a la

primera, tiene 10 espiras e igual radio. Por el circuito 1 circula una corriente alterna de

60𝐻𝑧 con una intensidad máxima de 0,2𝐴. Calcular e voltaje inducido en la bobina 2.

El campo de una Bobina de 𝑛1 espiras es:

𝐵 = 𝜇𝑜 𝑛1 𝐼(𝑡) /𝐿

Si se tiene que la corriente cambia armónicamente con el tiempo de la forma 𝐼(𝑡) =

𝐼𝑜𝑐𝑜𝑠(𝜔 𝑡)

El campo será

𝐵 = 𝜇𝑜 𝑛1 𝐼𝑜 cos(𝜔 𝑡) /𝐿


Si se tiene el flujo sobre una espira secundaria con c 𝑛2 espiras se tiene que

Φ = 𝑛2 𝐵(𝑡) 𝐴

Φ = 𝑛2 𝐵(𝑡) 𝐴 = 𝜇𝑜 𝑛1 𝑛2 𝐼𝑜 cos(𝜔 𝑡) /𝐿

Si se quiere calcular el voltaje inducido 𝑉2 que un voltímetro en paralelo mide sobre la

espira secundaria, se tendrá

𝑉2 = −𝑑Φ

𝑑𝑡= −

𝑑

𝑑𝑡(𝑛2 𝐵(𝑡) 𝐴) = 𝜇𝑜 𝑛1 𝑛2 𝐼𝑜 𝜔 sin(𝜔 𝑡)𝜋

𝑎2

𝐿

𝑉2 = 𝜇𝑜 𝑛1 𝑛2 𝐼𝑜 𝜔 sin(𝜔 𝑡)𝜋 𝑎2/𝐿 = 𝑀𝐼𝑜 𝜔 sin(𝜔 𝑡) = −𝑀𝑑𝐼(𝑡)

𝑑𝑡

Anexos

A. Anexo A: Evaluación Diagnóstica

INSTITUCIÓN EDUCATIVA ALFONSO ARAUJO COTES VALLEDUPAR – CESAR

FÍSICA DOCENTE: LIC. CLAUDIA LILIANA PEREZ CAMPO

EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA

NOMBRE: _______________________GRADO:_________FECHA:___________

OBJETIVO: Identificar conceptos previos en estudiantes de grado undécimo sobre los

fenómenos eléctricos y magnéticos.

Preguntas de selección múltiple con única respuesta. Marque con una equis (x) la

respuesta que usted considere correcta.

Ítem 1. Un objeto de masa M se encuentra a cierta altura, sobre él actúa una fuerza

llamada peso. Lo que hace que este objeto sienta esa fuerza es.

A. Energía gravitacional

B. Potencial gravitacional

C. Campo gravitacional

D. Campo eléctrico terrestre

Ítem 2. Análogamente a la situación del ítem 1. Tenemos un cuerpo cargado Q y a este

acercamos otro cuerpo, lo que hace que ese segundo cuerpo sienta fuerza es.

A. Energía eléctrica

B. Campo eléctrico

C. Potencial eléctrico

D. Campo gravitacional

Ítem 3. En clase de Ciencias, la profesora muestra a sus alumnos una botella plástica

vacía transparente a la cual se acerca un imán, con respecto a la botella podemos decir.

Anexo A. Evaluación Diagnóstica 70

A. La botella no siente fuerza3 nada

B. La botella siente una fuerza hacia el imán

C. La botella siente una fuerza en dirección opuesta al imán

D. No se puede determinar

Ítem 4. Luego se introducen unos clips en la botella y nuevamente se acerca el imán,

podemos decir que.

A. No hay un efecto visible

B. Los clips son rechazados por el imán

C. Los clips son atraídos por el imán

D. No se puede determinar el efecto

Ítem 5. Teniendo en cuenta la situación anterior el fenómeno observado se debe a que.

A. Los imanes tienen un campo magnético y este traspasa al plástico

B. Los imanes tienen cargas eléctricas y traspasan el plástico

C. Los imanes tienen campo magnético pero esas fuerzas no traspasan el plástico.

D. Los imanes tienen cargas eléctricas y pero estas no traspasan el plástico

Ítem 6. Sobre una hoja de papel se tienen limaduras de hierro y por debajo de ella

movemos un imán, observando que las limaduras de hierro se van orientando y dibujan

ciertas figuras sobre el papel. Esto se da porque

A. Los imanes generan un campo eléctrico

B. Los imanes generan una diferencia de potencial

C. Los imanes generan un campo magnético

D. Los imanes generan un campo gravitacional

Conteste los ítems 7, 8 y 9 de acuerdo a la siguiente información

La imagen muestra un circuito simple formado por una batería, dos alambre conductores

y una bombilla.

Fuente: www1.uprh.edu

Ítem 7. Podemos afirmar que la función de la batería en el circuito mostrado es.

A. Proporcionar energía a la bombilla para que emita luz

B. Producir corriente solo sobre el bombillo

C. Producir una fuerza sobre las cargas de tal manera que estas se muevan

3 Entiéndase como sentir la atracción o repulsión del material.


D. Producir cargas eléctricas

Ítem 8. Con relación a la utilidad de los cables podemos decir que.

A. Producen un camino para que las cargas se muevan

B. Transportan energía hacia el bombillo

C. Generan energía

D. Generan corriente

Ítem 9. La bombilla en el circuito sirve para

A. Decorar el circuito

B. Mantener las cargas en reposo

C. Visualizar que las cargas se están moviendo

D. Mostrar que la batería funciona.

Ítem 10. Tenemos un bombillo LED conectado a un enrollado de alambre (embobinado)

como muestra la figura, tenemos además un imán. ¿El bombillo se prende cuándo?

Fuente www.youtube.com/watch?v=RZb5B2p8aqM

A. Las espiras se muevan cerca del imán

B. Las espiras estén quietas

C. El imán este quieto muy cerca de las espiras.

D. El imán se aleje de las espiras.

Ítem 11. El diagrama muestra un alambre con una gran corriente eléctrica i que sale de

la de papel (Iout) ¿Qué dirección tendría el campo magnético en las posiciones A y B?


(e) Ninguna de las anteriores

Ítem 12. Una partícula cargada positivamente se encuentra en reposo en el plano entre

dos imanes de barra fijos, como se muestra en la figura inferior. El imán de la izquierda

es tres veces más fuerte que el imán a la derecha. ¿Cuál opción a continuación es la que

mejor representa la fuerza magnética resultante ejercida por los imanes en la carga?

e) cero

Fuente: David P. Maloney Physics Department, Indiana University–Purdue

University Fort Wayne, Fort Wayne, Indiana 46805

Ítem 13. Dos bucles idénticos de alambre llevan igual corriente i en dirección de la flecha.

Los bucles se encuentran, como se muestra en el diagrama. ¿Qué flecha representa

mejor la dirección del campo magnético en el punto P a mitad de camino entre los

bucles?

Fuente: David P. Maloney Physics Department, Indiana University–Purdue University

Fort Wayne, Fort Wayne, Indiana 46805

Ítem 14. Las cinco figuras separadas a continuación implican un imán cilíndrico y una

minúscula bombilla conectada a los extremos de un aro de alambre de cobre. Estas

figuras son para ser utilizadas en la siguiente pregunta. El plano en el bucle de alambre

es perpendicular al eje de referencia. Los estados de movimiento del imán y del bucle de

alambre se indican en el diagrama. La velocidad estará representada por V y CCW

representa un giro del aro de alambre con el bombillo en sentido anti horario.


Fuente: David P. Maloney Physics Department, Indiana University–Purdue University

Fort Wayne, Fort Wayne, Indiana 46805

¿En cuál de las figuras anteriores la bombilla se enciende?

A. I, III, IV B. I, IV C. I, II, IV D. I

B. Anexo B: Guía Práctica experimental 1- Magnetismo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA MAESTRIA EN ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

FACULTAD DE CIENCIAS

Experiencia I Inferir y argumentar

Material realizado por Claudia Liliana Pérez Campo, estudiante de maestría Enseñanza de las

ciencias exactas y naturales. Universidad Nacional de Colombia – Bogotá

Problema

El magnetismo es un conjunto de fenómenos de atracción y repulsión producidos por los

imanes. Hay algunos materiales de la naturaleza como el hierro, níquel y sus aleaciones que

comúnmente se llaman ferromagnéticos. Sin embargo todos los materiales son influidos por la

presencia de un campo magnético. De tal manera que en ocasiones no es tan sencillo

visualizar ese campo magnético. ¿De qué manera se puede visualizar un campo magnético?

¿Qué forma tiene el campo magnético de un imán?

En este experimento realizaremos una práctica con limaduras de hierro e Imanes, en la cual se

obtendrán resultados que permitan determinar de qué manera se produce un campo magnético.

Actividad

Observaremos las líneas de campo que se producen en un acetato al vaciar sobre él limaduras

de hierro y por debajo colocamos un imán. A partir de esta observación se puede visualizar un

campo magnético.

Tendremos a nuestra disposición:

a) Limaduras de Hierro b) Imanes c) Acetato

PREDICCIONES INDIVIDUALES

1. ¿Considera usted que las limaduras de hierro tomaran una forma en particular al

colocarles por debajo un imán? ¿Por qué?

2. Dibuje las formas de las líneas de campo producidas por el imán.


3. Dibuje las líneas de campo producidas por los imanes sobre las limaduras de

hierro en cada caso.

a. b. c. d.

PREDICCIONES GRUPALES

1. ¿Considera usted que las limaduras de hierro tomaran una forma en particular al

colocarles por debajo un imán? ¿Por qué?


3. Dibuje las líneas de campo producidas por los imanes sobre las limaduras de hierro en

cada caso.

a. b. c. d.

RESULTADOS (Limaduras de hierro, acetato, imán)

1. ¿Qué forma en particular tomaron las limaduras de hierro al colocarles por debajo el

imán? Explique



3. Dibuje las líneas de campo producidas por los imanes sobre las limaduras de hierro en

cada caso.

MANUAL DE LA PRÁCTICA

Vamos a realizar un experimento que nos permita responder la pregunta : Que nombre reciben

las líneas de campo formadas por un imán? (Limaduras de hierro, acetato, imán)

1. La profesora pedirá a los estudiantes que llenen sus hojas de predicciones individuales. Tiempo de ejecución de esta actividad.(10 MINUTOS)

2. El profesor pedirá a los estudiantes que llenen sus hojas de predicciones grupales. tiempo de ejecución de esta actividad.(5 MINUTOS)

3. Socializar las predicciones grupales (10 MINUTOS)

4. Cada grupo dispondrá ahora del material y hará el montaje de su experimento (5 minutos)

5. Realización de la práctica (10 MINUTOS)

6. Análisis de los resultados, (20 MINUTOS)

7. Presentación y discusión general de resultados de cada grupo y comparación con las predicciones (20 MINUTOS)

8. El profesor intenta formalizar la idea del campo magnético, haciendo comparaciones y analogías con el campo gravitacional.

Las líneas de hierro se van orientando formando las líneas de campo, debido a que los

imanes producen un campo magnético consistente en una serie de líneas de campo que

salen por el Norte del imán y entran por el polo Sur del mismo y recorren al imán por su

interior hacia el norte del mismo.

C. Anexo C: Guía Práctica experimental 2 - Fuerzas entre imanes.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA MAESTRIA EN ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES


Experiencia II Exploración

Fuerzas entre Imanes



Problema

Usted aprende en los textos que al acercar dos imanes estos se atraen o se repelen. ¿Cómo

puede determinar o reconocer cuando estos se atraen o se repelen? ¿Cómo puedes saber que

los imanes tienen polos?

En este experimento realizaremos una práctica de exploración con imanes, en la cual se podrá

vivenciar el efecto que causa al acercar dos imanes I1, I2

Actividad

Proponemos actividades exploratorias, donde los estudiantes podrán identificar las regiones

que tienen los imanes.

Tomaremos dos imanes I1, I2, colgamos de unos hilos y los acercamos el uno al otro, de tal

forma que podamos sentir las fuerzas que producen los imanes entre ellos.

Tendremos a nuestra disposición:

a) Dos (2) Imanes

b) Hilo

¿Cómo se manifiestan las fuerzas entre dos imanes?


Colgaremos los imanes de unos hilos y luego los acercamos I1, I2, o viceversa, alternando

sus lados.


1. ¿Qué crees que ocurra cuando acerques los imanes?

2. Si acercamos los imanes cambiando la cara del uno y nuevamente acercamos el uno al

otro ¿ocurrirá lo mismo?

3. Si repetimos las actividades anteriores con imanes sin colgar y apoyados sobre una

superficie horizontal, ¿Sucederá lo mismo?


1. ¿Qué crees que ocurra cuando acerques los imanes?

2. Si acercamos los imanes cambiando la cara del uno y nuevamente acercamos el uno al

otro ¿ocurrirá lo mismo?


superficie horizontal, ¿sucederá lo mismo?

Anexo E. 80

RESULTADOS (Fuerzas entre dos imanes)

1. ¿Qué ocurrió cuando acercaste los imanes? Explica.

2. Cuando acercamos los imanes cambiando la cara del uno y nuevamente acercamos el

uno al otro ¿ocurrió lo mismo? Explica


superficie horizontal, ¿sucedió lo mismo? Explica.


Vamos a realizar un experimento que nos permita responder la pregunta: ¿Cómo

puedes determinar o reconocer cuando dos imanes se atraen o se repelen?

1. El profesor pedirá a los estudiantes que llenen sus hojas de predicciones individuales. tiempo de ejecución de esta actividad.(10 MINUTOS)



4. Cada grupo dispondrá ahora del material y hará el montaje de su experimento




8. El profesor intenta formalizar la idea de fuerzas entre dos imanes. Por medio de

explicaciones como

Las fuerzas entre dos imanes se experimentan Dependiendo de cómo se los acerque, ambos

imanes experimentarán una atracción o repulsión, según el caso, aclarando que los imanes

tienen dos polos, un polo norte y un polo sur llamados polos magnéticos y a su vez hacer saber

que los polos magnéticos del imán son inversos a los polos geográficos.


El magnetismo terrestre es un imán con su polo sur próximo al Polo Norte geográfico. El campo magnético de la tierra es similar al de una barra imantada inclinada unos 11º, respecto al eje de giro. La magnitud del campo magnético sobre la superficie de la tierra varía en un rango de 0.3 a 0.6 gauss. El campo magnético de la tierra no es constante en dirección, análisis de rocas de diferentes épocas en un mismo lugar muestran magnetizaciones en direcciones diferentes, donde el campo magnético ha invertido su sentido.

D. Anexo D: Guía Práctica Experimental 3 - Polos de un imán

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

MAESTRIA EN ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES


Experiencia III Demostrar

Polos de un Imán



Problema

En los textos se menciona que los imanes tiene polos llamados polo norte y polo sur, en ellos

encuentras que polos iguales se repelen y polos diferentes se atraen. Además se menciona que

los polos de un imán son inversos a los polos geográficos terrestres. A partir de la información

anterior, ¿Cómo puedes determinar los polos de un imán? ¿De qué manera puedes comparar

los polos geográficos terrestres con los polos de un imán?

¿Cómo identificas los polos de un imán?

Para resolver las preguntas anteriores, realizaremos una práctica demostrativa con imanes, en

la cual se podrá vivenciar el efecto que causa al acercar un imán alrededor de una brújula.

Actividad

Tomaremos una brújula, la cual estará tiene su polo norte indicando el polo norte geográfico

terrestre y le acercamos un imán.

Para ello tendremos a nuestra disposición:

a) Una Brújula

b) Un imán



1. ¿Qué crees que ocurre con los polos de la brújula cuando la acerquemos el imán? Haz

un dibujo y explica con tus propias palabras.

2. Si acercamos el imán cambiando su cara ¿ocurrirá lo mismo?


1. ¿Qué creen que ocurre con los polos de la brújula cuando la acerquemos el imán? Haz

un dibujo y explica con tus propias palabras.

2. Si acercamos el imán cambiando su cara ¿ocurrirá lo mismo?

Anexo E. 84

RESULTADOS (Polos de un imán)

1. ¿Qué ocurrió con los polos de la brújula cuando le acercabas el imán? Haz un dibujo y

explica con tus propias palabras.

2. cuando acercabas el imán cambiando su cara ¿ocurrió lo mismo? Explica


Vamos a realizar un experimento que nos permita responder la pregunta: ¿Cómo

puedes determinar o reconocer cuando dos imanes se atraen o se repelen?

1. El profesor pedirá a los estudiantes que llenen sus hojas de predicciones individuales. tiempo de ejecución de esta actividad.(10 MINUTOS)







8. El profesor intenta formalizar la idea de fuerzas entre dos imanes. Por medio de

explicaciones como

Las fuerzas entre dos imanes se experimentan Dependiendo de cómo se los acerque, ambos

imanes experimentarán una atracción o repulsión, según el caso, aclarando que los imanes

tienen dos polos, un polo norte y un polo sur llamados polos magnéticos y a su vez hacer saber

que los polos magnéticos del imán son inversos a los polos geográficos.

El magnetismo terrestre es un imán con su polo sur próximo al Polo Norte geográfico. El campo magnético de la tierra es similar al de una barra imantada inclinada unos 11º, respecto al eje de giro. La magnitud del campo magnético sobre la superficie de la tierra varía en un rango de 0.3 a 0.6 gauss. El campo magnético de la tierra no es constante en dirección,


análisis de rocas de diferentes épocas en un mismo lugar muestran magnetizaciones en direcciones diferentes, donde el campo magnético ha invertido su sentido.

E. Anexo E: Guía Práctica Experimental 4 - Electroimán




Experiencia IV Inferir y Argumentar

Electroimán



Problema

En la actualidad, los electroimanes se utilizan para levantar grandes pesos que contengan material

ferromagnéticos, ya que tienen una ventaja muy importante sobre los imanes naturales, y es que se

pueden activar y desactivar cuando se desee. ¿Cómo construir un Electroimán? ¿Cómo funciona

un electroimán?

Actividad

Proponemos actividades demostrativas, donde se podrá inferir como funciona un electroimán.

Tomaremos un clavo de hierro, en el enrollamos el alambre de cobre y en los extremos de este

alambre conectamos una batería, luego acercamos el clavo a los clips. Para ello necesitamos: un

clavo de hierro, una batería, alambre de cobre, unos clips.


1. ¿Qué esperas que ocurra cuando acerquemos el clavo a los clips? Explica


2. ¿Qué ocurre dentro del cable cunado conecto la batería?

3. ¿Qué ocurre si cambio la puntilla de hierro por otro material, ejemplo aluminio?

4. ¿Qué puedo hacer para que el electroimán sea más potente? PREDICCIONES GRUPALES

1. ¿Qué esperas que ocurra cuando acerquemos el clavo a los clips? Explica

2. ¿Qué ocurre dentro del cable cunado conecto la batería?

3. ¿Qué ocurre si cambio la puntilla de hierro por otro material, ejemplo aluminio?

4. ¿Qué puedo hacer para que el electroimán sea más potente? RESULTADOS 1. ¿Qué ocurrió cuando acercamos el clavo a los clips? Explica.

2. ¿Qué ocurre dentro del cable cunado conecto la batería? Explica.

Anexo E. 88

3. ¿Qué ocurre si cambio la puntilla de hierro por otro material, ejemplo aluminio? Explica. 4. ¿Qué puedo hacer para que el electroimán sea más potente? Explica.


Vamos a realizar un experimento que nos permita responder la pregunta: ¿Cómo funciona un electroimán?

El profesor pedirá a los estudiantes que llenen sus hojas de predicciones individuales. tiempo de ejecución de esta actividad. (10 MINUTOS)







7. El profesor intenta formalizar la idea que es un electroimán y como funciona, haciendo uso de

los siguientes comentarios

Un electroimán es un imán artificial que consta de un núcleo de hierro y está rodeado por una

bobina por la que pasa una corriente eléctrica.

El funcionamiento del electroimán, es tan simple como importante. Al hacer pasar la corriente por

un conductor enrollado en un núcleo de hierro, se consigue que los espines de los átomos que

forman el núcleo se reordenen y alineen, reordenando los espines en un mismo sentido, De esta

forma, los campos magnéticos formados por los espines de todos los átomos se suman dando lugar

a una fuerza de atracción con otros imanes y objetos metálicos (ferromagnéticos).

F. Anexo F: Guía práctica Experimental 5 - Circuito eléctrico




Experiencia V Inferir y Argumentar

Circuito eléctrico



Problema

Un circuito eléctrico es algo que a veces no vemos, pero que está presente en algunos

elementos que dependen de la electricidad para funcionar, en nuestros hogares encontramos a

diario aparatos que funcionan con la electricidad como por ejemplo una linterna, pero nos

surgiría la siguiente pregunta: ¿Qué necesitamos para construir un circuito y hacerlo funcionar?

Actividad

Proponemos actividades demostrativas, donde se pueda comprender que es un circuito, como

funciona, que elementos lo componen y algunas de sus funciones. Tomaremos una batería, dos

cables con sus terminales y una bombilla. Conectamos los terminales de los cables en cada

uno de los extremos de la batería, luego los otros terminales de los cables los conectamos a la

bombilla. Para ello necesitamos: Una batería, Dos cables con sus terminales, una bombilla.


1. Haga un esquema de la forma que usted conectaría los elementos (Cables,

bombilla, batería) para construir un circuito.

Anexo F. 90

2. ¿Por qué enciende la bombilla?

3. ¿Qué ocurre dentro del cable cuando conecto la batería?

4. ¿Cuál es la función de la batería dentro del circuito? PREDICCIONES GRUPALES



2. ¿Por qué enciende la bombilla?

3. ¿Qué ocurre dentro del cable cuando conecto la batería?

4. ¿Cuál es la función de la batería dentro del circuito?

RESULTADOS




2. ¿Por qué enciende la bombilla? Explica

3. ¿Qué ocurre dentro del cable cundo conecto la batería? Explica

4. ¿Cuál es la función de la batería dentro del circuito? explica


Vamos a realizar un experimento que nos permita responder la pregunta: ¿Qué necesitamos

para construir un circuito y hacerlo funcionar?

El profesor pedirá a los estudiantes que llenen sus hojas de predicciones individuales. tiempo de ejecución de esta actividad. (10 MINUTOS)







7. El profesor intenta formalizar la idea que es un circuito, donde se puede ver, como se construye y como funciona, haciendo uso de los siguientes comentarios

Un circuito eléctrico es un camino cerrado por donde fluye la corriente eléctrica, desde el polo

negativo hasta el polo positivo de una fuente de alimentación (pila, batería, generador, etc.).

Donde la fuente de alimentación en este caso la batería Produce una fuerza eléctrica sobre las

cargas de tal manera que estas se muevan, la bombilla es la que permite visualizar que las

cargas se están moviendo y los cables son el camino conductor por donde se mueven las

cargas.

G. Anexo G: Guía Práctica Experimental 6 - Inducción electromagnética




Experiencia VI Inferir y Argumentar

Inducción electromagnética. (Ley de Faraday)



Problema

La corriente inducida es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz

(f.e.m. o tensión) en un medio conductor, expuesto a un campo magnético variable, o bien en

un conductor móvil respecto a un campo magnético estático no uniforme. ¿Qué se necesita

para generar corriente eléctrica con un campo magnético?

Actividad

Proponemos actividades demostrativas, donde se podrá observar como un campo magnético

genera una corriente eléctrica inducida. Tomaremos una bobina, cables conductores, un imán

y un voltímetro. Tomamos el imán y lo acercamos a la bobina, introduciéndolo y sacándolo del

carretel que hace parte de la bobina. Para ello necesitamos: Alambre de cobre, Carretel de

hilo, un imán, 2 cables conductores y un voltímetro.


PREDICCIONES INDIVIDUALES (Parte uno)

1. Realice un esquema de la forma que usted conectaría los elementos dados para que se

genere una corriente eléctrica.

PREDICCIONES INDIVIDUALES (Parte Dos)

2. ¿Qué crees que ocurra cuando introduzcas y saques el imán de la bobina?

3. ¿Qué sucederá si introduces el imán en la bobina y lo dejas en reposo?

4. ¿Qué sucederá si le cambias el sentido al imán y lo introduces y lo sacas de la bobina?

5. ¿Qué sucederá si el imán se introduce o se saca de la bobina más rápidamente?

6. ¿Qué crees que ocurra si dejamos el imán en reposo y movemos la bobina a su

alrededor?

PREDICCIONES GRUPALES (Parte uno)

1. Realice un esquema de la forma que usted conectaría los elementos dados para que

se genere una corriente eléctrica

Anexo G. 94

PREDICCIONES GRUPALES (Parte dos)

1. ¿Qué crees que ocurra cuando introduzcas y saques el imán de la bobina?

2. ¿Qué sucederá si introduces el imán en la bobina y lo dejas en reposo?

3. ¿Qué sucederá si le cambias el sentido al imán y lo introduces y lo sacas de la

bobina?

4. ¿Qué sucederá si el imán se introduce o se saca de la bobina más rápidamente?

5. ¿Qué crees que ocurra si dejamos el imán en reposo y movemos la bobina a su

alrededor?

RESULTADOS

1. Realice un esquema de la forma que usted conectaría los elementos dados para que

se genere una corriente eléctrica

RESULTADOS (Parte Dos)

2. ¿Qué ocurrió cuando introduces y sacas el imán de la bobina? Explica


3. ¿Qué sucede si introduces el imán en la bobina y lo dejas en reposo? Explica

4. ¿Qué sucede cuando cambias el sentido al imán y lo introduces y lo sacas de la

bobina? Explica

5. ¿Qué sucede cuando el imán se introduce o se saca de la bobina más rápidamente?

Explica

6. ¿Qué ocurre si dejamos el imán en reposo y movemos la bobina a su alrededor?


Vamos a realizar un experimento que nos permita responder la pregunta: ¿Cómo puede un campo magnético generar corriente eléctrica? El profesor pedirá a los estudiantes que llenen sus hojas de predicciones individuales. (Parte uno) tiempo de ejecución de esta actividad.(5 MINUTOS)

1. El profesor pedirá a los estudiantes que llenen sus hojas de predicciones grupales (Parte uno). tiempo de ejecución de esta actividad.(5 MINUTOS)



4. Análisis de los resultados, (10MINUTOS)


6. El profesor intenta formalizar el esquema de la forma de inducir corriente

eléctrica a través de un campo magnético.

Anexo G. 96

Parte Dos

El profesor pedirá a los estudiantes que llenen sus hojas de predicciones individuales. (Parte dos) tiempo de ejecución de esta actividad.15 MINUTOS)

1. El profesor pedirá a los estudiantes que llenen sus hojas de predicciones grupales (Parte dos). tiempo de ejecución de esta actividad.(20 MINUTOS)



4. Análisis de los resultados, (10MINUTOS)


6. El profesor intenta formalizar la idea de que es una inducción electromagnética y

como se genera, mediante las siguientes explicaciones.

Al acercar el imán a la bobina aumenta el flujo del campo magnético que atraviesa cada una de las espiras y se induce una corriente eléctrica, de tal manera que la aguja se desplaza hacia la izquierda. Cuando el imán está en reposo el flujo del campo magnético que atraviesa la bobina no cambia, por lo tanto allí no existe corriente eléctrica.

Cuando el imán se aleja de la bobina disminuye el flujo magnético, de igual forma se induce una corriente eléctrica con sentido contrario que cuando el imán se acerca, por tanto la aguja del voltímetro se mueve hacia la derecha.

Si el imán está en reposo y se mueve la bobina alrededor del imán de igual forma se genera una corriente eléctrica.

La presencia de estas corrientes en la bobina implica la existencia de inducción y voltaje, la cual están presentes durante el tiempo que el flujo magnético está variando.

El flujo del campo magnético que atraviesa la bobina está relacionado con inducción y voltaje

mediante la ley de Faraday, que establece que la fuerza electromotriz depende de la rapidez

con la que varíe el flujo magnético.

5. Bibliografía

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