Indagamos cómo actúa la electricidad y el magnetismo en el funcionamiento de los motores eléctricos

Transcripción

1 QUINTO Grado - Unidad 6 - Sesión 18 Indagamos cómo actúa la electricidad y el magnetismo en el funcionamiento de los motores eléctricos Segunda Parte Descubrimos el funcionamiento de un motor eléctrico mientras hacemos funcionar un sistema tecnológico sencillo En un motor eléctrico interactúan campos magnéticos provenientes de fuentes de energía magnética (un imán) o electromagnética (una bobina) que se transforman finalmente en energía mecánica. De esta manera, el motor se integra a un sistema tecnológico y se convierte en una fuente de energía mecánica, necesaria para que el sistema funcione. Evidenciarlo es el reto de esta sesión. Los estudiantes observarán un motor sencillo e identificarán los campos magnéticos de un imán y una bobina. Una vez que hayan concluido su construcción, la integrarán en un pequeño sistema tecnológico para ponerla en uso bajo ciertos parámetros que se fijarán de antemano. Antes de la sesión Revisa el planeamiento y secuencia de esta sesión. Reproduce imágenes de cómo funciona un motor eléctrico (Anexo 1). Elabora un modelo (o modelos) de un motor eléctrico (Anexo 2). Si eres docente en una I. E. que cuenta con Educación Secundaria, podrás emplear los modelos de motores eléctricos del módulo de Física. Materiales o recursos a utilizar Modelo de motor eléctrico elaborado por el docente. Materiales diversos que traerán los grupos de estudiantes, como pilas, alambre de cobre esmaltado, imperdibles, imanes, bloques de madera, cartulina, pegamento fuerte (por ejemplo, de silicona caliente) y alicates. Fotocopias de anexos o su trascripción en papelotes. 164

2 Área curricular de Ciencia y Ambiente Competencia(s), capacidad(es) e indicador(es) a trabajar en la sesión COMPETENCIAS CAPACIDADES INDICADORES Diseña y produce prototipos tecnológicos para resolver problemas de su entorno. Planteamiento del problema tecnológico. Planteamiento de soluciones. Formula preguntas relacionadas con situaciones prácticas sobre el uso de la energía eléctrica para conseguir energía motriz. Reconoce posibles soluciones al problema planteado. 1. Momentos de la sesión INICIO 10 minutos En grupo clase Saluda a los estudiantes y recuerda con ellos que en la sesión anterior estudiaron algunos fundamentos de cómo funciona un motor eléctrico. Comprueba a través del diálogo si han logrado captar algunos rudimentos de este aprendizaje. A continuación, procede a pegar esquemas del funcionamiento de un motor eléctrico (Anexo 1). Pregúntales al respecto: qué observan en estas imágenes? (se espera que los estudiantes reconozcan cómo funciona un motor). 2. DESARROLLO 70 minutos Planteamiento del problema tecnológico En grupo clase Coméntales que en su vida cotidiana se han topado con múltiples aparatos que funcionan con electricidad y que la gran mayoría posee un motor que los impulsa. Hoy en día, es especialmente importante saber cómo es un motor y cómo funciona, dado que la tecnología utiliza motores de distinta potencia y complejidad y, además, el diseño de un sistema tecnológico innovador puede demandar un motor que lo ponga a funcionar. 165

3 Sobre este asunto, invítalos a resolver el siguiente problema práctico: Traten de construir un pequeño ventilador que sea movido por un motor bajo los siguientes parámetros técnicos: El ventilador debe funcionar como mínimo por dos minutos. El motor debe funcionar con una pila tipo D. El motor debe ser capaz de hacer girar la hélice del ventilador. Al girar la hélice, el motor debe producir una pequeña corriente de aire, como lo haría cualquier ventilador. El motor y la hélice deben ser construidos por el estudiante. Planteamiento de soluciones En grupos pequeños Indica que para buscar las soluciones al problema planteado, deben conocer, previamente, algunas características de un motor similar al que construirán. Para ello, procede a enséñales el modelo de motor que has elaborado y muéstrales su funcionamiento. Luego de escuchar las preguntas de los niños y las niñas, invítalos a realizar un conjunto de pruebas. Pide que dos estudiantes pasen repetidamente uno de los extremos del imán por un lugar donde haya tierra; observarán que el imán recoge pequeños fragmentos de un material oscuro. Indícales que junten una buena porción de este material oscuro para llevar a cabo las siguientes pruebas: Pongan un imán debajo de una hoja de papel (mejor si el papel es traslúcido). Rieguen el material que recogieron de la tierra encima del papel y den pequeños golpes al papel. Luego de un momento, verán que el material se distribuye como en la figura A, en la que se visualiza el campo magnético del imán. Inserten la bobina del motor en la hoja de papel, como se muestra en la figura B, y conéctenla a la batería. Luego rieguen sobre el papel el material que recogieron de la tierra, den pequeños golpes al papel y verán cómo se distribuye el material, al igual que en la figura B, donde se visualiza el campo magnético de la bobina. Desconecten la batería de la bobina y den nuevos golpes al papel. Observarán que el material ya no se distribuye como antes y que solo lo hará cuando la bobina se conecte a la batería. 166

4 Campo magnético de un imán Figura A Campo magnético de un bobina Figura B Conversa con los estudiantes sobre lo ocurrido e indícales que, como ya saben por lo aprendido en la sesión anterior, el motor funciona gracias a la interacción entre los campos magnéticos del imán y la bobina. Explica que esta vez han podido visualizar los campos magnéticos, que muestran cómo se distribuyen las fuerzas magnéticas del imán y la bobina. Diseño y construcción del prototipo A continuación solicita a los grupos que coloquen sobre la mesa de trabajo sus materiales. Conversa con ellos sobre los nombres de las piezas y para que servirán en el funcionamiento del motor. Cuando sea necesario, corrige nombrando correctamente el material. Indica que dibujen y anoten en su cuaderno cada parte. De esta manera, los estudiantes aprenderán la utilidad de cada pieza durante la construcción y funcionamiento de su motor. Pídeles a tus estudiantes que vuelvan a usar sus esquemas de construcción del modelo de motor de la sesión anterior y plantea las siguientes preguntas: cómo construirán el motor?; cómo construirán la hélice de cartulina?, qué tamaño tendrá?; cómo sabrán si funciona el ventilador? Si alguno de los grupos desea variar su propuesta inicial, permítelo. Finalmente, solicita que revisen lo escrito por los otros grupos y pregunta a continuación: coincidieron en materiales y procedimientos? Los estudiantes darán sus apreciaciones. Después, con tu acompañamiento y guía permanente, los grupos iniciarán el armado de su motor eléctrico. Cuando terminen el armado, entrégales el Anexo 2, a fin de que prosigan con su proceso tecnológico. 167

5 Validación del prototipo En grupos pequeños Indica cómo se conectan los polos de la pila para generar el movimiento del rotor que contiene la bobina y precisa que esta debe recibir un pequeño impulso. Procede, junto con los estudiantes, a comprobar el funcionamiento del motor. Para ello, deben cumplir el siguiente protocolo: Que observen qué ocurre cuando se retira el imán del motor (alejar el imán del conjunto) y qué ocurre cuando se invierte el imán (rotarlo 180 grados). Igualmente, qué ocurre cuando se corta el flujo de electricidad (desconecta el motor de la fuente) y qué ocurre cuando se invierte la polaridad de la batería (invierte la batería de manera que la posición de los polos cambie). Indícales que deben anotar todo lo que observan en su cuaderno de experiencias. Formula las siguientes preguntas: qué pasó cuando se desconectó el motor de la pila?, y qué sucedió cuando se retiró el imán?; qué pasó cuando se cambió de posición el imán?; hubo algún cambio en el movimiento cuando se colocó un imán más potente o una bobina con más vueltas de alambre? Sugiere a los estudiantes que elaboren un cuadro de doble entrada en el que anoten lo que sucede durante el funcionamiento de su prototipo. La siguiente tabla es un ejemplo de ese tipo de cuadro. Acción Efecto Se conecta el motor a la pila. Se desconecta el motor de la pila. Se retira el imán del motor. Con base en el cuadro, los estudiantes pueden declarar, entre otras, las siguientes apreciaciones: el movimiento de la bobina se detiene cuando el paso de corriente de la pila cesa, aun cuando el imán continúe ahí; cuando se retira el imán, cesa el movimiento de la bobina, por más que la batería se encuentre conectada, etcétera. En grupos clase Los grupos intercambian ideas y plantean preguntas en relación con la información obtenida de la experiencia. Esto promoverá su interés y curiosidad para formular preguntas como las siguientes: 168

6 Transformar la energía calórica en energía mecánica. Esto quiere decir que el calor causa el movimiento de un objeto. Transformar la energía eléctrica en energía mecánica. En otras palabras, la electricidad permite el movimiento del objeto. Transformar la energía luminosa en energía mecánica. Es decir, que la luz hace posible que el objeto se mueva. Transformar la energía magnética en energía mecánica. Esto es, que un imán dé movimiento a un objeto. Orienta a los estudiantes para que usen la terminología e ideas aprendidas. Por ejemplo: el imán es importante porque genera el campo magnético; la bobina es importante porque genera el campo electromagnético; se requiere la pila porque el flujo de la corriente que almacena genera el campo electromagnético cuando pasa por la bobina. Pídeles que muestren sus resultados. Guíalos para que efectúen su comparaciones, cuantificaciones, lean tablas y gráficos, y establezcan relaciones de orden y de magnitud. Esto los llevará a extraer conclusiones iniciales, como las siguientes: El grupo 1 podría establecer que sin imán, no se produce el campo magnético que hace girar la bobina. El grupo 2 puede declarar que cuando se invierte la pila, el motor gira en sentido contrario. En grupos pequeños Ahora, pídeles que terminen el armado del ventilador insertando la hélice en el eje del motor. Comprueba con los datos de funcionamiento si los motores elaborados en clase funcionan. Evaluación y comunicación Indícales que la evaluación del producto se rige por el cumplimiento de los parámetros fijados de antemano. Esa evaluación puede llevarse a cabo utilizando la siguiente tabla: Parámetro El ventilador funciona como mínimo dos minutos? El motor funciona con una pila tipo D? El motor es capaz de hacer girar la hélice del ventilador? Cuando la hélice gira, produce una pequeña corriente de aire como cualquier ventilador? El motor y la hélice han sido construidos por el estudiante? Cumplimiento (Sí/No) 169

7 3. 5 minutos En grupos pequeños Pide que un representante del grupo lea y justifique sus conclusiones. Guía a los estudiantes para que puedan obtener las siguientes ideas generales: El imán genera un campo magnético y la bobina también. El rotor gira debido a las repulsiones entre los dos polos magnéticos iguales del imán y la bobina. La corriente que alimenta la bobina genera el campo electromagnético. Oriéntalos para que lleguen a la conclusión de que la corriente eléctrica es la fuente de energía que se transforma en energía magnética cuando genera el campo magnético en la bobina o rotor; asimismo, que el imán da la polaridad opuesta y rechaza el rotor, de modo que produce el movimiento mecánico rotatorio del motor. Este motor puede hacer funcionar aparatos como la hélice del ventilador y la licuadora. Al final del desarrollo de su proyecto tecnológico, pide que compartan sus reflexiones a partir de las siguientes preguntas: Pueden sugerir otros procesos que permitan obtener mejores resultados? Qué podrían efectuar para perfeccionar la construcción? Sus resultados se podrían aplicar en el funcionamiento de otros mecanismos? CIERRE (valoración del aprendizaje) Felicítalos por el trabajo realizado y pídeles que guarden sus modelos para demostrar su funcionamiento en el Día del Logro. A continuación, solicita que respondan las preguntas de la reflexión metacognitiva: Qué han aprendido a hacer hoy? Cómo han aprendido a realizarlo? Qué pueden demostrar con lo que han producido? Les gustó desarrollar esta actividad?, por qué? Hubo dificultades?, cuáles fueron?; las superaron?, cómo lo consiguieron? Tarea a trabajar en casa Encárgales que completen la ficha experimental sobre el funcionamiento de su motor eléctrico. Pídeles que sugieran las mejoras que podrían efectuar al modelo elaborado en grupo para aumentar su potencia. 170

8 Anexo 1 Funcionamiento de un motor eléctrico COMO FUNCIONA UN MOTOR ELÉCTRICO? COMO FUNCIONA UN MOTOR ELÉCTRICO? Colector Escobillas Cuando el polo norte del imán se acerca al polo sur del imán comienzan a atraerse mutuamente, A partir de este momento las fuerzas de atracción serán más importantes que las fuerzas de repulsión. Colector Escobillas Cuando el polo su del electroimán se acerca al polo sur del imán comienzan a repelerse mutuamente, A partir de este momento las fuerzas de repulsión serán más importantes que las fuerzas de atracción. Ampliación del colector y las escobillas Ampliación del colector y las escobillas el circuito está cerrado, circula corriente. el circuito está cerrado, circula corriente. FUERZAS DE REPULSIÓN FUERZAS DE ATRACCIÓN FUERZAS DE REPULSIÓN FUERZAS DE ATRACCIÓN imán permanente imán permanente Anexo 2 Ficha para que el docente construya su modelo de motor eléctrico casero Los motores eléctricos son máquinas que transforman la energía eléctrica (obtenida de una fuente de tensión o pila) en energía mecánica, la cual origina movimiento. El experimento consiste en la atracción y la repulsión entre dos imanes, uno natural y otro electromagnético, inducidos por la corriente de la pila con el fin de originar movimiento. El campo electromagnético inducido en la bobina se debe a la corriente que circula por la espiral de cable y que genera un imán artificial; mientras que en el imán dicho magnetismo le es propio debido a su naturaleza magnética. Materiales necesarios Una pila alcalina de tipo D o una pila de petaca Cinta adhesiva. Dos imperdibles. Un imán (como los usados en las neveras). Cable de cobre esmaltado grueso (sin funda de plástico). Un tubo de cartón de papel higiénico o de cocina (de diámetro pequeño). Papel de lija fino. Opcionalmente, pegamento y bloque pequeño de madera para la base. 171

9 En la imagen se observa el aspecto final del motor eléctrico que se obtendrá de esta experiencia. Instrucciones Enrolla el cable de cobre alrededor del tubo de cartón, diez vueltas o más (espiras paralelas), pero deja al menos 5 cm de cada extremo sin enrollar y perfectamente recto. Retira el tubo, ya que este solo se utiliza para construir la bobina. También se puede enrollar el cable con cualquier objeto cilíndrico, por ejemplo, la misma pila del tipo D. Los extremos deben coincidir, es decir, quedar perfectamente enfrentados, ya que serán los ejes del motor. Se puede utilizar una gota de pegamento entre cada espira o dar dos vueltas con el cable de los extremos a la bobina para evitar que se deforme. Recuerda que cuanto más delgado es el cilindro, mayor número de vueltas debe realizar. Utiliza la lija para retirar completamente el esmalte del cable de uno de los extremos de la bobina, pero deja al menos 1 cm sin lijar en la parte más próxima a la bobina. Coloca la bobina sobre una superficie lisa y lija el otro extremo del cable, por uno de los lados (no hay que dar la vuelta a la bobina). Deja al menos 1 cm de la parte más próxima a la bobina sin lijar. Fija el imán en uno de los lados de la pila con el pegamento. Los huecos de los imperdibles servirán para colgar de ellos la bobina. Utiliza la cinta adhesiva para fijar los imperdibles a cada uno de los extremos de la pila y sitúa dichos extremos en el mismo lado del imán. Si la bobina no gira de inmediato, debes impulsarla levemente. Recuperado de Anónimo (2005). Motor eléctrico casero. Portal web Ciencia Popular.com. Consulta: 18 de julio de < Ingresa al siguiente enlace y mira el video del proceso de elaboración del motor casero: 172