CIENCIAS NATURALES 5 BÁSICO ELECTRICIDAD Y CORRIENTE ELÉCTRICA Material elaborado por: Edwin Salazar Pincheira
1. DESCRIPCIÓN DE LA UNIDAD Esta unidad está dedicada al estudio inicial de la fuerza eléctrica entre dos objetos cargados. El estudiante tendrá oportunidad de constatar experimentalmente la atracción o repulsión entre globos que han adquirido carga eléctrica mediante frotación con un trozo de polietileno. Se introduce el concepto de carga eléctrica y se constata que existen dos tipos de carga. Aplican la regla de atracción repulsión para explicar diversos fenómenos electrostáticos. También podrán reconocer materiales conductores y aislantes y verificarán el fenómeno de inducción electrostática en materiales conductores. También se introduce en esta unidad el concepto de corriente eléctrica y los estudiantes podrán construir circuitos eléctricos sencillos compuestos por pilas y ampolletas. Aplicarán la simbología estándar para dibujar circuitos eléctricos básicos. 2. DURACIÓN APROXIMADA 6 semanas. 3. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE Construir un circuito eléctrico simple (cable, ampolleta, interruptor y pila) usándolo para resolver problemas cotidianos y explicar su funcionamiento. Distinguir, por medio de la investigación experimental, los materiales conductores (cobre y aluminio) y aisladores (plásticos y goma) de electricidad, relacionándolos con la manipulación segura de artefactos tecnológicos y circuitos eléctricos domiciliarios. 4. RECOMENDACIONES METODOLÓGICAS Fuerza eléctrica y carga eléctrica Las interacciones electrostáticas se observan frecuentemente en la vida cotidiana, particularmente cuando el clima es seco. Esto brinda la oportunidad de abordar este tema sobre la base de observaciones directas de cuerpos cargados. Por lo tanto, para el logro de los dos objetivos de aprendizaje se propone enfrentar al estudiante a la interacción de objetos en que las atracciones y repulsiones electrostáticas son claramente perceptibles. Los globos de goma frotados constituyen un excelente medio para estudiar estas interacciones. Se introduce el modelo de cargas eléctricas positivas y negativas y se invita a los y las alumnos a justificar y razonar en base a este modelo para explicar las interacciones observadas. Conductores y aislantes En segunda instancia, se propone que los estudiantes comprendan que un cuerpo aparentemente sin carga eléctrica en realidad posee carga, sólo que en igual cantidad carga 2
positiva y negativa. Una manera de verificar esto consiste en observar que al cargar un cuerpo mediante frotación, el paño que se ha empleado para frotar adquiere carga de signo opuesto. Se propone que los estudiantes apliquen las ideas adquiridas durante el desarrollo de las actividades propuestas en la segunda guía y sean capaces de explicar la atracción que un cuerpo cargado ejerce sobre uno neutro por el efecto de inducción electrostática. El tercer aprendizaje esperado pretende que el estudiante reconozca como conductores, aquellos materiales en que es notable la inducción (metales) y que su carácter de conductor impide cargarlos por frotación cuando se sostienen directamente con la mano desnuda. Circuitos eléctricos Se proponen que los y las estudiantes reproduzcan algunos circuitos simples formados por una pila, cables y ampolletas y los dibujen empleando la simbología convencional y, a la inversa, puedan construir montajes de circuitos representados esquemáticamente. También se espera la asimilación por parte de las alumnas y alumnos del concepto de corriente eléctrica como movimiento de cargas a lo largo de cables conductores, de un modo análogo al movimiento del agua por cañerías en una instalación de agua potable. Esta idea debe permitir a los estudiantes comprender por qué se apaga una ampolleta al soltar la otra en un circuito en serie y en cambio eso no ocurre en un circuito en paralelo. 5. MATERIAL DE AULA GUÍA 1: FUERZA ELÉCTRICA En esta guía se inicia el estudio de las fuerzas eléctricas entre cuerpos cargados. La idea es que los estudiantes observen sistemáticamente algunas interacciones electrostáticas que probablemente antes vio. Aquí se propone emplear globos de goma inflados moderadamente para evitar que se rompan. En la actividad 3 se plantea colgar un globo para observar con más comodidad lo que le ocurre cuando se acerca al otro globo o una regla de plástico previamente frotada. Se espera que de la serie de experimentos de las actividades 2 y 3 los estudiantes infieran que existen dos tipos de carga eléctrica y que la fuerza, de atracción o repulsión, es mayor cuanto más cerca estén los objetos. La actividad 4 está destinada a que las y los estudiantes apliquen las ideas básicas adquiridas en las actividades anteriores, para explicar varios fenómenos sencillos, como por ejemplo, la repulsión o atracción entre dos bombillas plásticas o entre una bombilla y una regla que han sido frotadas con polietileno o un paño de seda, o la separación que experimentan las tiras cortadas en un trozo de plástico (más notable es el fenómeno en un trozo de cinta de teflón de gásfiter cortado en delgadas tiritas). 3
A continuación se introducen las denominaciones de carga positiva (+) y negativa (-) para los dos tipo de carga eléctrica. Por cierto que no es posible saber en cada caso específico cuál de estos dos tipos de carga adquiere un objeto al frotarlo, pero esto no es importante para el razonamiento que estamos ejercitando, solo importa reconocer cuando se está en presencia de cargas del mismo o de diferente tipo. Las actividades 5 y 6 son problemas que permiten ejercitar la regla de atracción/repulsión entre objetos cargados. La última actividad está destinada a reforzar la dependencia de tipo inverso entre la magnitud de la fuerza eléctrica y la distancia entre los cuerpos cargados. GUÍA 2: CONDUCTORES Y AISLANTES En esta guía se aborda el tema de la conductividad eléctrica de los materiales y del concepto de carga neta, de una manera muy básica. Como sabemos la carga eléctrica que se manifiesta en un cuerpo es la suma algebraica de la carga positiva y negativa que posee. Por cierto que aquí no se plantea de esta forma, sino que se conduce al alumno a inferir que un cuerpo es neutro cuando tiene igual cantidad de carga de ambos signos. La actividad 1 está destinada a ese propósito, ya que se puede observar que al frotar una regla plástica, el polietileno empleado para ello adquiere carga de signo contrario al de la regla. El globo colgado permite detectar esto. La actividad 2 está destinada a observar el fenómeno de inducción electrostática, aunque aquí no se le llama así. Simplemente se destaca que una barra de metal atrae a un globo cargado a pesar de estar neutra. La explicación de este fenómeno se entrega en la guía, pero es conveniente que el o la docente ayude a los alumnos en el razonamiento que conduce a la conclusión, que en el metal se separan las cargas positivas de las negativas, lo que permite que la atracción sea más fuerte que la repulsión, teniendo en consideración las distancias entre las cargas. Esta misma actividad permite introducir la distinción entre materiales conductores y materiales aislantes. La idea se plantea a propósito que la inducción se observa claramente en los objetos de metal y no así en objetos de goma o plástico. La observación que los metales son buenos conductores es importante para la guía siguiente en que se aborda el tema de la corriente eléctrica. En las siguientes actividades se hace uso de un péndulo eléctrico que se construye forrando con papel aluminio el globo colgado. Con él es posible detectar más fácilmente objetos cargados y, en particular, verificar que una barra conductora es posible cargarla por frotamiento si se tiene el cuidado de sostenerla con una lámina aislante, un trozo de polietileno, por ejemplo. En todo caso, la interacción eléctrica es más difícil de observar 4
porque la carga adquirida por el metal es menor y porque escapa fácilmente. Será preciso realizar cuidadosamente este experimento para observar la atracción con el péndulo eléctrico y aproximar mucho la barra metálica al globo forrado. GUÍA 3: CIRCUITOS ELÉCTRICOS Esta guía aborda el tema de la corriente eléctrica sobre la base de la realización de actividades experimentales con material que no implica riesgo alguno. Sin embargo, es conveniente que el docente advierta a los estudiantes que se trabajará con pilas, cuyo voltaje es muy bajo y que por ningún motivo, en sus casas hagan experimentos análogos usando la red domiciliaria. Las actividades de esta guía requieren los siguientes materiales. Para cada grupo de 3 o 4 estudiantes: 1 pila de linterna (ojalá alcalina), 3 ampolletas de 1,5 V, 3 soquetes para ampolletas de linterna, con un par de cables soldados cada uno de ellos. 1 metro de alambre de timbre. Es conveniente disponer en la sala de un alicate de punta, con cortante. La primeras dos actividades dejan libre al estudiante para que explore posibles conexiones de la pila con la ampolleta, que permitan encenderla. Es el más simple de los circuitos y sirve para iniciar al alumno en el dibujo esquemático de circuitos empleando la simbología convencional. Además, este circuito sirve para introducir la noción de corriente eléctrica empleando la analogía con la circulación de agua en una red de cañerías. El docente puede acudir a esta analogía cuantas veces sea necesario para ayudarle en el razonamiento que le permita comprender diversos circuitos. Las restantes actividades están destinadas a aplicar el modelo de conducción en circuitos compuestos por varias ampolletas, de modo de distinguir conexiones en serie y en paralelo y mixtas, y verificar el rol que cumple un interruptor en un circuito. Nótese que en esta guía se estudian circuitos desde el punto de vista de la corriente eléctrica, sin hacer mayor mención al tema de la energía eléctrica y las transformaciones de energía que tienen lugar en un circuito. En la siguiente unidad se abordará ese tema. 5