QUINTO Grado - Unidad 6 - Sesión 32 El campo magnético de los imanes y su uso en medios de transporte Cómo se utiliza el magnetismo en los medios de transporte? Los imanes se repelen cuando se enfrentan sus campos magnéticos de igual polaridad. Esta propiedad es aprovechada para producir la levitación magnética en trenes modernos. En esta sesión los niños y las niñas indagarán sobre los campos magnéticos de los imanes; a partir de ello, obtendrán argumentos científicos que expliquen el uso de los imanes en los medios de transporte masivos. Antes de la sesión Si te es posible, observa los videos sobre el tren de levitación magnética en los siguientes enlaces: <https://www.youtube.com/ watch?v=ys5ozzrjahk&feature=player_embedded> <https://www.youtube.com/ watch?v=7deu3pp0hjo> Revisa la información científica adquirida en sesiones anteriores. Organiza a los estudiantes en grupos. Materiales o recursos a utilizar Multimedia (proyector y audio) si se tiene el recurso. Copias del Anexo 3 para los estudiantes. Cuaderno de experiencias. Imanes rectangulares (con los polos pintados de distinto color), botellas descartables de plástico, plastilina, pesas del set de medición del módulo de material concreto de Ciencia y Ambiente. 263
COMPETENCIAS CAPACIDADES INDICADORES Indaga mediante métodos científicos situaciones que pueden ser investigadas por la ciencia. Área curricular de Ciencia y Ambiente Competencia(s), capacidad(es) e indicador(es) a trabajar en la sesión Diseña estrategias para hacer una indagación. Elabora un protocolo sencillo para manipular la variable independiente y dar respuesta a la pregunta seleccionada. Explica el mundo físico basándose en conocimientos científicos. Comprende y aplica conocimientos científicos. Explica con argumentos científicos el funcionamiento de la levitación magnética. 1. Momentos de la sesión INICIO 15 minutos En grupo clase Recuerda junto con los niños y las niñas las sesiones anteriores sobre el magnetismo, y sobre la Tierra vista como un gran imán que presenta dos polos: uno en el polo norte y el otro en el polo sur. Selecciona con los niños y las niñas las normas de convivencia necesarias para indagar sobre el tema durante la clase. A continuación presenta a los estudiantes dos imanes y pídeles que los confronten uno con otro, cambiando su posición, de manera que enfrenten polos iguales y polos contrarios. Enseguida, pregúntales lo siguiente: qué ocurre con los imanes? Procura que los niños y las niñas se percaten y expresen que unas veces los polos se atraen y otras se rechazan. Recuérdales que los polos en los imanes se han pintado a propósito para identificarlos. Plantea estas preguntas: cuándo se atraen los imanes?, cuándo se repelen? Logra que los estudiantes se percaten de que no es necesario que los imanes estén en contacto para que se atraigan o rechacen, sino que lo hacen también a la distancia. Seguidamente, pregúntales lo siguiente: qué se forma alrededor del imán? Condúcelos a la idea de que alrededor de cada imán se forma el campo magnético. Concuerda con ellos en que basta que se acerquen los campos magnéticos de los imanes para que se atraigan o rechacen. 264
2. DESARROLLO 60 minutos Establece el propósito de la sesión: hoy indagarán sobre las interaccciones entre los campos magnéticos de los imanes, y buscarán argumentos para explicar el uso de esta propiedad en los trenes de levitación magnética. Planteamiento del problema Invita a los estudiantes a que formulen preguntas y oriéntalos hacia la construcción de una sola pregunta para indagar: qué propiedad de los imanes se utiliza para conseguir la levitación en los trenes de levitación magnética? Planteamiento de hipótesis En pequeños grupos Invita a los niños y niñas a que se organicen en cuatro grupos y que, en cada grupo, ensayen algunas posibles respuestas a estas preguntas. Luego pide que registren estas respuestas a modo de hipótesis en su cuaderno de experiencias. Haz tú lo mismo, pero en la pizarra. Elaboración del plan de indagación En grupo clase Pide a los estudiantes que ensayen propuestas de acciones que podrían realizar para demostrar sus hipótesis. Muéstrales la siguiente secuencia para hacer su indagación y ayúdalos a interiorizarla (ver imágenes secuenciadas): 1. Armar un canal de forma prismática hecho con plástico transparente. Debe permitir que un imán resbale fácilmente. Para armarlo, pueden seguir esta secuencia: 1. Cortar la botella. 2. Extender el plástico. 3. Envolver un imá con el plástico. 4. Formar un prisma de plástico por cuyo interior pueda resbalar fácilmente un imán 2. Poner los imanes uno sobre otro dentro del canal, con sus polos diferentes contrapuestos (sur contra norte). 265
3. Colocar los imanes uno sobre otro dentro del canal, con sus polos iguales frente a frente (sur contra sur). 4. Colocar una a una, sobre el imán, las pesas de diferente valor (adherirlas al imán superior con un pedacito de plastilina). Empezar por las menos pesadas y observar lo que ocurre al poner y al sacar las pesas en cada caso. 5. Finalmente, registrar lo observado en el cuaderno de actividades. Pesa Paso 2 Paso 3 Paso 4 Pídeles que dibujen y anoten sus observaciones. A continuación, invítalos a leer cómo funcionan los trenes de levitación magnética (Anexo 3). Si tienes acceso a internet, invítalos a que observen el video, en el siguiente enlace, sobre las aplicaciones del magnetismo en los medios de transporte: <https://www.youtube.com/ watch?v=ys5ozzrjahk&feature=player_embedded> Luego pide que comenten sobre lo observado y la lectura. Análisis de resultados y comparación de las hipótesis En grupo clase Retoma la pregunta inicial de indagación: qué propiedad de los imanes se utiliza para conseguir la levitación en los trenes de levitación magnética? Recoge las respuestas de los niños y las niñas. Pídeles que fundamenten sus respuestas basándose en la evidencia obtenida en sus experimentos (deben explicar que la propiedad de repulsión de los campos magnéticos iguales permite la levitación). Pídeles que expliquen si sus hipótesis fueron confirmadas por la evidencia. En caso fueran distintas, indícales que ensayen cómo podría ser el enunciado de las hipótesis. Argumentación A continuación, construye con los estudiantes las ideas fuerza de lo aprendido en esta sesión. Recuerda que las ideas deben salir de los niños y las niñas; tu labor en esta parte es guiarlos hacia ese objetivo por medio de preguntas, repreguntas, contrapreguntas, etc. Las siguientes ideas te servirán de guía: 266
El campo magnético es el espacio en el que un imán puede ejercer su fuerza magnética (recordar este concepto tratado en sesiones anteriores). El campo magnético se identifica utilizando limaduras de hierro: al exponerlas a un imán, estas forman patrones de líneas a manera de caminos del campo magnético. La energía de los imanes actúa a distancia sobre los materiales ferromagnéticos o sobre otros imanes, a través de campos de fuerza. La mayor concentración de limaduras de hierro en los polos indica que es allí donde los imanes ejercen una mayor fuerza de atracción o de repulsión. En los campos magnéticos se identifican dos polos: sur y norte. Los polos contrarios se atraen y los iguales se repelen. Si los imanes se repelen, uno de ellos puede levitar si se colocan en una estructura adecuada (ver también la imagen del Anexo 4). En los trenes de levitación magnética, se aplican las propiedades de repulsión de los campos magnéticos para hacer levitar el tren, y los de atracción magnética para detener el tren. Es importante que recuerdes a los niños y las niñas que los imanes que tienen polos diferentes se atraen, mientras que en los imanes con polos iguales hay una fuerza de repulsión, es decir, no hay fuerza de atracción. Esa misma fuerza de repulsión hace que los trenes magnéticos se mantengan flotando o levitando sobre las vías. Solo cuando se detiene en las estaciones, el tren llega a tocar las vías. Las fuerzas de atracción magnética de la parte delantera y las de repulsión en la parte trasera hacen que el tren avance. Comunicación Indícales que con la participación de todos elaborarán las ideas fuerza. Escríbelas en la pizarra. 3. CIERRE (valoración del aprendizaje) 10 minutos Pide a los estudiantes que describen las actividades realizadas y él porque lo hicieron. Tarea a trabajar en casa Indica a los niños y las niñas que investiguen los beneficios a futuro del uso de los trenes magnéticos. Pídeles también que investiguen sobre el funcionamiento de los trenes eléctricos. 267
Anexo 1 Buenas hipótesis Dada la pregunta Qué propiedad de los imanes se utiliza para conseguir la levitación en los trenes de levitación magnética?, una posible hipótesis podría ser la siguiente: si un imán queda suspendido en el aire ( levitando ) al ser rechazado por el campo magnético de otro, entonces, esta propiedad puede ser usada en los trenes de levitación magnética. Observa que esta hipótesis tienen dos variables: la variable independiente y la variable dependiente. En las hipótesis deben estar presentes estas dos variables: la independiente es la variable que manipulamos, y la dependiente es la consecuencia de la manipulación. Mira el ejemplo del cuadro. Variable independiente Conjunción ilativa Variable dependiente Si un imán queda suspendido en el aire al ser rechazado por el campo magnético de otro, entonces esta propiedad puede ser usada en los trenes de levitación magnética. Anexo 2 Estructura de ficha de experimentación sobre campos magnéticos y su utilización en los medios de transporte Grupo: Grado: Sección: 1. Problema: 2. Hipótesis: 3. Observaciones de las actividades: 4. Verificación o prueba de la hipótesis: 5. Recopilación y análisis datos: 6. Presentación de conclusiones: 268
Anexo 3 Tren de levitación magnética MAGLEV, vehículo de alta velocidad que levita sobre un carril denominado carril guía el cual es impulsado por campos magnéticos. Los trenes de levitación magnética son considerados el transporte de masas del futuro. Para el correcto funcionamiento del sistema se implementaron dos principios de funcionamiento de trenes de levitación magnética. 1. Suspensión Electromagnética (EMS). Usa electroimanes convencionales situados en los extremos de un par de estructuras debajo del tren; las estructuras envuelven por completo cada lado del carril guía. Los imanes son atraídos hacia los rieles en el carril guía y elevan el tren. 2. Suspensión Electrodinámica (EDS) Usa la fuerza de oposición que se produce entre los imanes del vehículo y las bandas o bobinas eléctricas del carril guía para levitar el tren. Tanto el sistema EMS como el EDS utilizan una onda magnética que se desplaza a lo largo del carril guía para proporcionar energía al tren maglev mientras se encuentra suspendido sobre el riel. Carril guía Estructuras debajo del tren Las estructuras envuelven por completo cada lado del carril guía. Electroimán del riel Electroimán del tren La ventaja de este sistema radica en que el vehículo es mucho más ligero, y la potencia de la propulsión resulta más flexible. El hecho de que los trenes maglev no toquen los carriles guía tiene además otras ventajas: aceleración y frenados más rápidos, mayor capacidad de subida en cuestas, funcionamiento mejorado en situaciones de lluvia intensa, nieve y hielo y ruido reducido. Los sistemas maglev también aprovechan al máximo la energía en rutas de longitudes de varios miles de kilómetros, puesto que utilizan alrededor de la mitad de energía por pasajero que los aviones comerciales convencionales. Como otros sistemas de transporte eléctrico, también reducen el uso de petróleo y contaminan el aire menos que los aviones, locomotoras diesel y automóviles. Extractado de: Sandra Bibiana Garcia Herrera, Adriana Mercedes Ropero Torrado, Universidad Pontificia Bolivariana. Bucaramanga Colombia. Imagen de levitación magnética Anexo 4 Fuente: www. Ciencia en acción 269