QUINTO Grado - Unidad 6 - Sesión 17 Indagamos cómo actúa la electricidad y el magnetismo en el funcionamiento de los motores eléctricos (Primera parte) Sabemos cómo funciona un motor eléctrico? Cotidianamente vemos máquinas y vehículos que emplean motores para funcionar; es el caso de las lavadoras, licuadoras, secadoras, aspiradoras, ventiladores, acondicionadores de aire, refrigeradoras, congeladoras, tornos, taladros, sierras eléctricas y, ahora, hasta trenes y autos eléctricos. Los motores eléctricos operan gracias al electromagnetismo, el cual fue descubierto por Han Christian Oersted en 1820. Luego de 50 años, Zenobe Theophile Gramme introdujo el primer motor eléctrico, aparato que tuvo un gran impacto comercial. Actualmente, el motor eléctrico es muy importante para el avance tecnológico debido a sus múltiples usos y aplicaciones. Dada su importancia científica y tecnológica, en esta sesión los estudiantes indagarán sobre cómo interactúan la electricidad y el magnetismo en su funcionamiento. Antes de la sesión Revisa el planeamiento y la secuencia de la sesión. Provéete de un juguete o electrodoméstico que funcione con un motor eléctrico y cuya tapa se pueda retirar para que pueda verse. Debes verificar que el motor tenga imanes permanentes. Fotocopia las fichas de aplicación. Si cuentas con los recursos del caso, descarga con anticipación los siguientes videos sobre cómo hacer un motor eléctrico sencillo: https://www.youtube. com/watch?v=ie3l-ifwpi8 https://www.youtube.com/watch?v=kujs0ajxqjk Consigue los materiales para armar el motorcito eléctrico (Anexo 1). Materiales o recursos a utilizar Imágenes de diversos modelos de motores eléctricos. Un artefacto eléctrico, como una secadora de pelo; o un juguete a pilas, como una licuadora de juguete o un muñeco que camine. Se debe retirar la tapa protectora del motor para poder observarlo. XOP recargadas. 156
Competencia(s), capacidad(es) e indicador(es) a trabajar en la sesión COMPETENCIAS CAPACIDADES INDICADORES Problematiza situaciones. Indaga mediante métodos científicos situaciones que pueden ser investigadas por la ciencia. Explica con conocimientos científicos el mundo físico. Área curricular de Ciencia y Ambiente Comprende y aplica conocimientos científicos. Argumenta científicamente. Formula preguntas sobre el funcionamiento de un motor eléctrico. Formula una hipótesis, considerando cómo actúa la electricidad y el magnetismo en el funcionamiento de los motores eléctricos. Responde interrogantes planteadas con base en la información consultada de diferentes fuentes y con argumentos científicos relacionados. 1. Momentos de la sesión INICIO 10 minutos En grupo clase Saluda a los estudiantes y recuerda con ellos que en la sesión anterior leyeron sobre el origen de la electricidad; además, que poco antes habían observado cómo la energía eléctrica se podía transformar en energía mecánica y en consecuencia esta permitía el movimiento de objetos. Añade que hoy en día el motor eléctrico es un sistema tecnológico que pone en práctica esa transformación para mover miles de artefactos, desde muy pequeños, como los ventiladores de las computadoras (cuyos minúsculos motores reciben el nombre de servomotores) hasta grandes motores eléctricos, capaces de mover locomotoras que van a gran velocidad. A continuación, procede a pegar imágenes de varios tipos de motores eléctricos (ver Anexo 2) e informa a los estudiantes que, como seguramente lo han deducido, hoy se indagará acerca de los motores eléctricos. Preséntales un pequeño artefacto o juguete eléctrico con la tapa abierta para que se pueda ver el motor (previamente verifica que el motor cuente con imanes permanentes). Pregunta al respecto: qué muestra la parte descubierta? 157
Lo más probable es que la respuesta de los estudiantes sea la siguiente: el motor. A continuación, acerca un objeto de hierro (una aguja grande, una tuerca o arandela) al imán cuidando de que no caiga dentro del artefacto o juguete, mientras los niños y las niñas observan. Destaca que el motor tiene imanes. Luego pide dos voluntarios para que lo pongan en funcionamiento. Mientras lo intentan, formúlales las siguientes preguntas: Qué creen que necesita el motor para funcionar? Alguno de los estudiantes seleccionados se dará cuenta del enchufe y te lo indicará (o si es un juguete, señalará las pilas). Procede a conectar el artefacto, mientras les informas que necesita electricidad. Cómo creen que funciona un motor? Probablemente algún estudiante diga que la electricidad permite el funcionamiento del motor. Interroga nuevamente: cómo lo hace funcionar? Quizá el estudiante responda que aún no lo sabe. Qué medidas de seguridad deben aplicar cuando lo pongan en funcionamiento? Los estudiantes compartirán sus apreciaciones personales. Pon a funcionar el motor y pregunta a continuación: qué está ocurriendo? Los estudiantes, al observar que el rotor gira, dirán que el motor se mueve. Agrega que esto sucede porque tiene energía mecánica, la cual puede pasar a diferentes mecanismos. Plantea esta interrogante: cómo creen que sea el funcionamiento de este motor? Luego de las respuestas, informa que se va a llevar a cabo el proceso de indagación que les permitirá comprender la relación que existe entre electricidad y magnetismo para el funcionamiento de un motor eléctrico. 2. DESARROLLO 75 minutos Planteamiento del problema En grupos pequeños Forma grupos de trabajo de seis estudiantes con el fin de que intercambien información sobre lo observado anteriormente y planteen preguntas en relación con la información obtenida de dicha experiencia. Esto promoverá su interés y curiosidad para plantear nuevas interrogantes, como las siguientes: Qué papel tiene la electricidad en el funcionamiento del motor?, el motor podría funcionar sin electricidad? 158
El magnetismo es importante para que funcione el motor?, este funcionaría solo con electricidad? Se puede crear un motor?, qué implementos y conocimientos se necesitan para conseguirlo? Qué pasaría si no hubiera motores eléctricos? Escucha las preguntas de los grupos y luego plantea la pregunta de indagación para toda la clase: Cómo interactúan la electricidad y el magnetismo para que funcione un motor eléctrico? Planteamiento de hipótesis Pide que cada grupo proponga sus hipótesis (sus posibles respuestas a la pregunta de indagación). Para hacerlo, los estudiantes movilizarán sus conocimientos previos. Indica que las escriban en papelotes. A continuación, muestra en la pizarra las hipótesis iniciales planteadas por los diversos grupos. Pregúntales lo siguiente: cómo podemos probarlas? Se espera que los estudiantes contesten que mediante la construcción y funcionamiento del motorcito. Con el fin de motivarlos y generar ideas en ellos, puedes mostrar el video Cómo hacer un motor eléctrico súper sencillo; para esto, ingresa al siguiente enlace: https://www.youtube.com/watch?v=kujs0ajxqjk. Cada grupo debe plantear su esquema de elaboración del motor eléctrico. También puedes facilitarles el Anexo 1. Elaboración del plan de indagación Solicita a los grupos que respondan las siguientes preguntas: cómo piensan probar su hipótesis?, qué procedimientos van a seguir?; de qué fuentes fiables pueden obtener información que relacione la electricidad con el magnetismo en el funcionamiento de los motores eléctricos? Además, plantea las preguntas secundarias: un motor eléctrico puede funcionar sin una fuente de energía eléctrica?, funcionará sin una fuente de energía magnética? Si cuentas con los recursos disponibles, solicita que ingresen al enlace https://www.youtube.com/watch?v=ie3l-ifwpi8 y observen el video Motores eléctricos, principios básicos, fuerzas magnéticas, energía eléctrica y mecánica. Así podrán determinar las variables de estudio para su proceso de indagación. 159
Oriéntalos con el fin de que puedan reconocer que los fenómenos más importantes que van a observar son la electricidad y el magnetismo. Aclara el concepto de corriente alterna (se emplea en el ámbito doméstico) y de corriente continua (proviene de pilas y baterías). De esta manera, los estudiantes comprenderán que la corriente alterna pone a funcionar los artefactos; mientras que la corriente continua, los juguetes, artefactos a pilas y los celulares. Si has reunido los materiales para armar el motorcito eléctrico, sigue las instrucciones del Anexo 1 para construirlo con los estudiantes. Para ello, invita a los niños y las niñas a realizar sucesivamente las siguientes pruebas con el fin de que respondan las preguntas que después formularás. Conecten y desconecten la pila (recuérdales que deben dar un pequeño impulso inicial al rotor). Acerquen y alejen del imán el conjunto rotor conectado a la pila del imán (insiste en que deben dar el impulso inicial al motor). Adicionalmente, pueden voltear la pila para invertir la polaridad. Igualmente, cambiar la posición del imán o acercar el conjunto rotor y la pila al polo norte o al polo sur del imán. Una vez concluidas estas pruebas, pregunta nuevamente: funcionó el motor sin electricidad?, funcionó el motor sin magnetismo? De acuerdo con las pruebas efectuadas, las respuestas deben ser negativas. Si cuenta con las XOP, sugiéreles que indaguen en internet y que sinteticen en fichas la información más relevante; además, que indiquen las fuentes de consulta. Si esto no es posible, proporciónales textos o separatas sobre el tema. Análisis de resultados y comparación de las hipótesis En grupo clase Luego de que los grupos hayan concluido las exploraciones, invítalos a elaborar fichas informativas con los datos obtenidos, en las que sustenten cómo actúan la electricidad y el magnetismo en el funcionamiento de los motores eléctricos. Cada grupo debe elaborar una síntesis en el organizador que prefiera con la información que apoya su hipótesis. Invítalos a que planteen, en un plenario, que la electricidad y el magnetismo permiten el funcionamiento de los motores eléctricos. 160
3. CIERRE 5 minutos Estructuración del saber construido como respuesta al problema Pídeles que presenten sus resultados. Guíalos para que lleven a cabo las comparaciones entre grupos y establezcan relaciones de similitud y diferencia. Esto permitirá que los estudiantes establezcan las siguientes premisas: La corriente permite el funcionamiento del motor eléctrico. Por tanto, sin la fuente de electricidad doméstica o la pila no puede iniciarse su funcionamiento. El rotor del motor a pilas genera un campo magnético; además, si el motor tiene su propio imán, este también genera un campo magnético. El motor que usa la electricidad del servicio doméstico genera un campo magnético tanto en el rotor como en el campo que produce el movimiento rotatorio del motor. El motor funciona sobre la base de atracciones y repulsiones de los campos magnéticos del rotor y del campo. Evaluación y comunicación Con nuestro apoyo, los estudiantes deben llegar a las siguientes conclusiones generales: La electricidad doméstica (corriente alterna) o de la pila (corriente continua) activan el funcionamiento del motor eléctrico. Los magnetismos del imán y del rotor producen campos de fuerza, que son los responsables de generar la energía mecánica (movimiento). Después, indica a cada grupo que explique lo que ha indagado sobre el funcionamiento del motor eléctrico y que procure relacionar la electricidad con la generación de campos magnéticos. Finalmente, pide que compartan sus reflexiones a partir de las siguientes preguntas: qué han aprendido hoy?, cómo lo han aprendido?, para qué les servirá lo aprendido? Tarea a trabajar en casa Solicita que consigan los materiales necesarios para producir el modelo de motor eléctrico que se planteó en la actividad en grupos. Indica que completen la ficha de aplicación del tema. 161
Anexo 1 Quinto Grado Construcción de un motor eléctrico Materiales: un metro de alambre de cobre esmaltado, un imán, una batería, dos alfileres imperdibles, una liga, cúter. Construcción del rotor: enrolla la batería dando diez vueltas con el alambre de cobre esmaltado. Retira el alambre, sin dejar que se deshaga el enrollado, y dale dos vueltas en cada lado para fijar. Raspa cada extremo del alambre para retirar el esmalte, pero solo de la parte superior. Deja la parte inferior con su cubierta aislante. Diez vueltas de alambre de cobre esmaltado Dos vueltas alrededor de las bobinas en cada lado. Terminales del alambre lijados CONSTRUCCIÓN DEL ROTOR Armado del motor: pon los alfileres imperdibles a cada lado de la pila (polos positivo y negativo) y fíjalos a la pila con la liga. Ubica el rotor de manera que quede suspendido por los alfileres imperdibles. Acerca el objeto al imán y da al rotor un pequeño impulso rotatorio. Batería Liga Imperdible Rotor Imán ARMADO DEL MOTOR 162
Anexo 2 Quinto Grado Modelos de motores eléctricos Esquema que se usará si no se puede desmontar o conseguir el artefacto para mostrar Motor eléctrico de la licuadora Qué son los motores y cómo funcionan? El científico Hans Christian Oersted demostró la relación entre la electricidad y el magnetismo cuando colocó una espira alrededor de una brújula y luego dejó pasar corriente por la espira, de manera que la aguja de la brújula (el imán) se movió. Con este experimento, comprobó que la espira genera un campo magnético (fuerzas magnéticas) al ser atravesada por corriente, y que interactúa con la fuerza magnética de la aguja imantada, por lo que esta gira. Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctrica en mecánica. Sus ventajas son las siguientes: economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento. El motor eléctrico ha reemplazado, en gran parte, a otras fuentes de energía en la industria, el transporte, las minas, el comercio o el hogar. Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y repulsión que se establecen entre los campos magnéticos de un imán y el de un hilo metálico (bobina), por el que circula una corriente eléctrica. Los motores eléctricos que se utilizan hoy en día tienen muchas espiras, llamadas bobinado (de bobinas) en el rotor (parte giratoria), además de un imán grande, denominado estator, que se coloca en la parte fija del motor alrededor del rotor. También hay motores cuya bobinado se encuentra en el estator y en el que el rotor sería el imán. Adaptado de CubaEduca (s. f.). El motor eléctrico. Portal web CubaEduca. Consulta: 16 de julio de 2015. http://educlaboral.cubaeduca.cu/index.php?option=com_content&view=article&id=10906%3aeduclabcuriosidadesel-motorelectrico&catid=545 163