las prácticas de laboratorio de electricidad y magnetismo orientadas

LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y
MAGNETISMO ORIENTADAS A LA FORMACIÓN CIENTIFICA DEL
INGENIERO
F.M. PÉREZ R; PROFESOR DE CARRERA; frape@cancun.fi-a.unam.mx
J.C. CEDEÑO V; PROFESOR DE ASIGNATURA; jcedevaz@yahoo.com.mx
M. VACIO G; PROFESOR DE CARRERA; manva@citlalli.fi-c.unam.mx
RESUMEN
En la asignatura de Electricidad y Magnetismo se busca que los estudiantes obtengan una formación integral
mediante la cual adquieran conocimientos y habilidades de utilidad en la vida cotidiana y el desempeño
profesional, además se promueve el desarrollo en el campo afectivo, favoreciendo las actitudes y los valores
positivos a través del trabajo en grupo y aprendizaje cooperativo. El fortalecimiento de conocimientos
basados en el análisis de los conceptos, principios y leyes fundamentales del electromagnetismo, se lleva a
cabo en las clases de teoría y el desarrollo de las habilidades, en las clases de laboratorio.
Actualmente en el laboratorio de Electricidad
y Magnetismo se trabaja con prácticas que
además de complementar las bases teóricas y
propiciar el desarrollo de habilidades en el
manejo de instrumentos de medición;
introducen al alumno en el análisis de los
fundamentos metodológicos de la investigación
científica, a través de la aplicación, el
procesamiento y el análisis de la información
para formular, explicar y resolver problemas
relacionados con la formación académica y
ocupacional. Con base en lo anterior,
pretendemos mostrar la manera en que las
prácticas de laboratorio de Electricidad y
Magnetismo coadyuvan en la formación
científica del ingeniero.
INTRODUCCIÓN
La rápida evolución de la ciencia y los avances tecnológicos han facilitado a la humanidad una
serie de actividades en muchos ámbitos. Ha sido tal el impacto que ahora somos testigos de que
algunas cosas que pensábamos que era imposible que se pudieran hacer ahora son una realidad.
Ante este panorama el reto para los profesionistas involucrados directamente con la tecnología,
es cada vez más grande si se piensa que ese avance tecnológico seguirá prevaleciendo con el
mismo ritmo.
Si nos ubicamos en el contexto de las Ciencias Básicas para la formación de ingenieros, nos
percatamos de la necesidad de educar a los estudiantes en un ámbito más científico, para que
desde los primeros semestres se interesen en la investigación y que la vean como una opción
viable para su desempeño profesional, que mucha falta le hace al país.
Una de las actividades que permite a los alumnos aproximarse a la manera en que trabajan los
científicos es mediante el desarrollo de prácticas de laboratorio. Si estas prácticas están bien
estructuradas, permiten que el alumno desarrolle su pensamiento creativo, que identifique
problemas, emita hipótesis para la búsqueda de soluciones y proponga experimentos para que a
partir de ellos pueda obtener resultados y conclusiones. Un trabajo práctico debe reflejar las
características esenciales del trabajo científico y por tanto, contribuir a que los alumnos se
familiaricen con la metodología científica.
La investigación es un proceso que, mediante la aplicación del método científico, procura
obtener información relevante y fidedigna, para entender, verificar, corregir o aplicar el
conocimiento. La investigación científica en un sentido amplio, es la búsqueda intencionada de
conocimientos o soluciones a problemas de carácter científico; el método científico indica el
camino que se ha de transitar en esa indagación y las técnicas que precisan la manera de
recorrerlo.
A partir de las definiciones del párrafo anterior, los componentes mínimos necesarios para
desarrollar cualquier proyecto de investigación se muestran en la figura 1, donde se observa que
la investigación es un proceso compuesto por distintas etapas interrelacionadas cuya finalidad es
describir o interpretar hechos o fenómenos de acuerdo a un método y que entre otras acciones
produce conocimientos y teorías, y permite resolver problemas prácticos.
Identificación
del
problema y elaboración
del marco teórico
Formulación
hipótesis
de
Diseño de investigación
empírica
Presentación
resultados
de
Figura 1. Componentes mínimos a considerar en un proyecto de investigación
Nos damos cuenta entonces, que la investigación científica es una secuencia sistemática que
parte de algunas premisas teóricas, dentro de las cuales se encuentra comprendida la
problemática y las posibles deducciones que se desprenden de ella, y mediante el proceso de
investigación se integran los datos con el fin de otorgarle sentido y significado. Al final del
trabajo de investigación, todas las acciones se registran y se expresan en un informe o documento
de estudio.
Con este trabajo pretendemos orientar a los alumnos en ciertas actividades que comprende la
investigación científica. Estamos consientes de que el desarrollo de una práctica de laboratorio
no puede considerarse como un trabajo de investigación en toda la extensión de la palabra, sin
embargo, algunos de los elementos propios del proceso de investigación científica pueden
adecuarse e integrarse sin mucha dificultad a la realización de las prácticas. Por ejemplo, si la
concepción de la idea, es el primer paso de la investigación científica, podríamos considerar que
los alumnos asisten al laboratorio con el objeto de verificar las leyes electromagnéticas tratadas
en las clases de teoría, sustituyendo de esta manera la premisa de partida.
ANÁLISIS
Es importante puntualizar que los estudiantes no consideran relevante el aprendizaje de las
ciencias si no se les muestra alguna aplicación que pueda tener en su futura vida laboral; por esta
razón, es necesario contextualizar las asignaturas científicas a lo que ocurre en la vida diaria y a
las aplicaciones reales en la industria y su entorno. Con esta orientación, el trabajo experimental
que se desarrolla en los laboratorios debe reforzar el interés de los alumnos por el aprendizaje y
contribuir en el fortalecimiento de su formación científica.
En los últimos semestres, las prácticas que se imparten en el laboratorio de Electricidad y
Magnetismo de la División de Ciencias Básicas, se han ido modificando paulatinamente con el
fin de darles un enfoque hacía la investigación científica e involucrar a los alumnos en una
metodología de aproximación a la realidad de cómo se desarrolla una actividad de investigación.
La investigación científica experimental obtiene su información de la actividad intencional
realizada por el alumno, que tiene como propósito reproducir el fenómeno mismo que se indaga
y así poder observarlo.
Los elementos que integran cada una de las prácticas de laboratorio propuestas para que cumplan
con ese enfoque hacia la investigación científica se describen a continuación:
1. Nombre de la práctica: Sin ser muy largo deberá especificar con claridad el tema que se
va a tratar en la práctica.
2. Objetivos de aprendizaje: En esta sección se presentan el objetivo general y los objetivos
específicos, siendo en éstos últimos donde se definen las acciones concretas que el
alumno llevará a cabo para intentar responder las preguntas de indagación que se hayan
planteado. Los objetivos deben ser concretos, claros, realistas y modestos, en la medida
que se pueda asegurar su cumplimiento.
3. Introducción: Es una descripción general de los antecedentes del tema de estudio, de
algunos conceptos básicos relacionados y sus aplicaciones en distintos ámbitos, etc., con
el objeto de orientar, cuestionar y motivar a los alumnos en los conocimientos
propuestos.
4. Equipo y materiales: En esta sección se especifican los recursos con que se dispone para
llevar a cabo las actividades experimentales propuestas en la práctica.
5. Hipótesis: Para plantear la hipótesis del experimento, el alumno debe tener presente que
la realidad es una entidad viva y tiene voz propia y la riqueza de una investigación
científica está precisamente en mostrar la realidad tal como es, no en validar una
hipótesis.
6. Fundamentación teórica: En esta sección de la práctica el alumno deberá presentar los
conceptos teóricos que servirán de guía en el desarrollo del experimento.
7. Desarrollo: Esta sección está compuesta por actividades que constituyen el objeto o tema
de estudio. En cada una de las actividades se promueve la participación activa de los
alumnos con la intención de que elaboren de manera conjunta el marco teórico; que
formulen la hipótesis del comportamiento del fenómeno y propongan experimentos para
comprobar la relación funcional entre las variables de interés. Aquí es donde se hace la
investigación empírica. Para el diseño de los experimentos se deberá considerar el
material y equipo propuesto para este fin. Es importante también que el alumno conozca
la forma correcta de manejar los equipos de medición para garantizar que los datos
obtenidos sean confiables, además de tomar en cuenta los cuidados y precauciones con
dichos equipos para que puedan interpretar los diagramas de conexión cuando sea
requerido.
8. Resultados: En cada práctica los alumnos asumen diferentes roles en las brigadas de
trabajo. Con actividades definidas y asignadas se puede garantizar una participación
activa de ellos y de esta manera asegurar que los resultados obtenidos sean confiables.
Algunas veces los experimentos estarán avocados a verificar la variación de una
magnitud con otra, por esta razón se solicita expresamente al alumno que los resultados
sean plasmados en una tabla de resultados. De la misma manera se solicitan, cuando es
factible, el modelo gráfico y el modelo matemático del experimento con la finalidad de
hacer un análisis donde se pueda verificar el cumplimiento de la hipótesis planteada e
identificar la influencia de las fuentes de errores sistemáticos y aleatorios.
El formato de las prácticas de laboratorio está diseñado para que al final de la sesión
experimental se tenga listo el informe y se entregué al profesor. En virtud de que en una
práctica con esta característica particular, no se contempla la elaboración de un informe
técnico tradicional, se le asigna al alumno un proyecto de investigación que deberá
desarrollar a lo largo del semestre. En el desarrollo de este proyecto, se debe seguir la
metodología correspondiente, buscando subsanar en el alumno el desarrollo de algunas
habilidades implícitas mientras se trabaje en dicha actividad.
9. Conclusiones: Esta sección permite a los alumnos conjuntar la esencia del experimento y
emitir desde su particular punto de vista comentarios relevantes y significativos de sus
vivencias al realizar el experimento y verificar si la hipótesis plateada al inicio fue valida.
10. Bibliografía y cuestionarios previos: En esta sección localizada al final de la práctica, se
incluyen una serie de preguntas que invitan al alumno a investigar sobre el tema en
cuestión, y garantizar que cuando se presente al laboratorio cuente con los conocimientos
antecedentes mínimos necesarios para realizar la práctica. En ésta misma sección se le
indican al alumno las fuentes bibliográficas que puede consultar.
Cabe mencionar que las sesiones de laboratorio tienen una duración de dos horas y que cada
práctica al menos contiene cuatro actividades que se tendrán que verificar experimentalmente.
A manera de ejemplificar el diseño de una práctica y la forma en que se llevan a cabo las
actividades antes descritas en el laboratorio de Electricidad y Magnetismo, presentamos el
desarrollo de una actividad experimental representativa de la práctica de fuerza magnética, que
forma parte del manual de prácticas de laboratorio.
FUERZA MAGNÉTICA
Objetivo general:
El alumno comprenderá los efectos producidos por la interacción de campos magnéticos con
corrientes eléctricas y comprobará el modelo matemático de la fuerza magnética.
Objetivos específicos:
a) Deducir el modelo matemático para el cálculo del vector fuerza magnética que actúa
sobre un conductor recto por el cual circula una corriente eléctrica y se encuentra inmerso
en un campo magnético.
b) Obtener experimentalmente el modelo matemático de la fuerza magnética con respecto a
la variación de corriente eléctrica en el conductor.
Introducción:
Una carga en movimiento al pasar por una región donde existe un campo magnético experimenta
una fuerza magnética Fm que desvía su trayectoria. Dado que la corriente eléctrica supone un
movimiento continuo de cargas, un conductor por donde circula corriente sufrirá, por la acción
de un campo magnético, el efecto conjunto de las fuerzas magnéticas que se ejercen sobre las
diferentes cargas móviles de su interior.
Una importante aplicación de las fuerzas magnéticas la podemos observar en los trenes de alta
velocidad a través del fenómeno de levitación magnética donde se presentan fuerzas de
interacción entre los campos magnéticos producidos por imanes o bobinas situados en el tren y
en los rieles.
Equipo y materiales:
a) Una balanza de precisión 0-400[g], resolución 0.01[g]
b) Una fuente de poder 0-40[V], 0-10[A], resolución 0.1[A]
c) Un imán
d) Un soporte universal
e) Un soporte para colocar el conductor recto
f) Un conductor recto impreso
g) Cables de conexión
h) Un teslámetro digital
i) Una brújula
Fundamentación teórica:
Cuando un conductor por el que circula corriente eléctrica se encuentra inmerso en una región
del espacio donde hay establecido un campo magnético, experimenta una fuerza que es igual a la
suma de las fuerzas magnéticas sobre las partículas cargadas cuyo movimiento genera la
corriente eléctrica.
Hipótesis:
En el caso particular de un conductor con corriente en presencia de un campo magnético
uniforme, la fuerza magnética está dada por: Fm = I ( L x B )
Debido a las fuerzas de origen magnético el imán colocado en la balanza aparentemente pierde o
gana masa.
Desarrollo:
Con el material y equipo propuesto, realiza un experimento donde puedas verificar el
comportamiento de la fuerza magnética cuando varía la corriente eléctrica en el conductor.
Después de analizar y discutir con tus compañeros el experimento, propongan algunas
suposiciones preparatorias que expliquen de manera provisional el comportamiento de las
variables físicas que son aplicables al caso.
1. Con ayuda de la brújula identifica los polos magnéticos del imán
2. Mide la masa del imán
3. En el soporte universal instala el soporte con el conductor y después coloca el circuito
impreso dentro de la ranura del imán sin que toque las paredes del mismo. El imán debe
mantenerse sobre la balanza en todo momento.
4. Realiza la conexión con la fuente de poder y aplica valores de corriente de 0.5 [A] desde
0 [A] hasta 2.5 [A]. Verifica que en la balanza se registren incrementos aparentes en la
masa del imán.
En la siguiente fotografía se muestra el montaje del experimento
Resultados:
Registra en una tabla el comportamiento de las variables del experimento. Analiza el tipo de
proporcionalidad en una gráfica y obtén el modelo matemático de la fuerza magnética contra la
variación de la corriente eléctrica (Fm= m I + b). A partir de la pendiente obtenida, determina el
valor del campo magnético del imán utilizado y determina el porcentaje de error.
Tabla de valores del incremento de la masa cuando aumenta la corriente eléctrica que fluye por
el conductor.
I [A]
m1 [g]
m2[g]
m3 [g]
m4 [g]
mprom [g]
m0[g]
Δm [g ]
Δm [kg ]
0
0.5
1.0
1.5
2.0
160.02
160.23
160.43
160.63
160.84
160.03
160.24
160.44
160.64
160.84
160.03
160.20
160.39
160.60
160.80
159.99
160.20
160.40
160.59
160.80
160.0175
160.2175
160.4150
160.6150
160.8200
160.01
160.01
160.01
160.01
160.01
0.0075
0.2075
0.4050
0.6050
0.8100
7.5E-6
207.5E-6
405.1E-6
605.3E-6
810.7E-6
F = Δm ⋅ g [ N ]
7.34E-5
2.03E-3
3.96E-3
5.92E-3
7.92E-3
2.5
161.05
161.05
161.01
161.01
161.0300
160.01
1.0200
1020E-6
9.98E-3
Modelo gráfico fuerza magnética (Fm) contra corriente eléctrica (I)
Se observa que existe un comportamiento lineal de la fuerza contra las variaciones de la corriente
eléctrica, por tanto, el modelo matemático correspondiente Fm = m I + bo resulta:
⎤
⎡
G
⎢ N ⎥
Fm ⎡⎢⎣ N ⎤⎥⎦ = 3.95×10− 3 ⎢⎢ ⎥⎥ I ⎡⎢ A⎤⎥ + 0.0435⎡⎢⎣ N ⎤⎥⎦
⎣ ⎦
⎢ A ⎥
⎦
⎣
Donde:
Fm es la magnitud de la fuerza magnética debida al incremento “aparente” de la masa
del imán
m representa a la pendiente del experimento
I
b0
es la intensidad de corriente que fluye por el conductor
es la ordenada al origen que indica la presencia de los errores.
Al comparar el modelo experimental con el modelo teórico de la fuerza magnética, se puede
verificar que:
m = BL sen θ
donde
B: campo magnético del imán [T]
L: longitud del conductor [m]
θ: ángulo que se forma entre el campo magnético y el conductor
A partir de la pendiente del modelo matemático podemos obtener el campo magnético del imán
sustituyendo los valores en las unidades correspondientes:
B [T ] =
m
3.95 x10 3
=
= 0.045 [T ]
L sen Θ 0.8 sen 90
Una vez calculado el campo magnético del imán, se puede verificar el porcentaje de error con
respecto al valor real de dicho campo medido con un teslámetro. Para este experimento, el imán
empleado registra un campo magnético de: 0.048 [T], por lo tanto,
% error =
valor medido − valor exp erimental
0.048 − 0.045
x 100 =
x 100 = 6.25%
valor medido
0.048
El porcentaje de error indica la confiabilidad de los resultados obtenidos en el experimento.
Conclusiones del experimento:
El experimento demostró que al hacer circular corriente eléctrica por un conductor que se
encuentra dentro de un campo magnético, se manifiesta sobre él una fuerza de origen magnético
que es directamente proporcional a la corriente en el conductor.
Con el modelo matemático experimental se puede determinar el campo magnético del imán sin
necesidad de medirlo con un teslámetro que por lo general son instrumentos de alto costo.
CONCLUSIONES
•
•
•
•
•
•
El apoyo que proporciona el laboratorio a la teoría es muy grande ya que los alumnos
verifican las expresiones obtenidas en el salón de clases. Los alumnos aprender a analizar
la información obtenida e interpretarla.
Es importante fortalecer el trabajo en los laboratorios e impedir la reproducción de
actividades guiadas sin objetivos claros, sin una hipótesis por la que los alumnos se
interesen alcanzar, con resultados confusos y conclusiones incompletas que no redunden
en un aprendizaje significativo.
La orientación de las prácticas hacia un proyecto de investigación facilita que los
alumnos adquieran conocimientos y habilidades. Se tienen evidencias de dicho
aprovechamiento ya que todos los alumnos realizan dos exámenes teórico prácticos.
Las prácticas en su actual formato son bien recibidas por los alumno, se han realizado
encuestas donde se muestra lo anterior. El índice de aprobados en general es bueno.
Actualmente el laboratorio de Electricidad y Magnetismo busca la certificación en el
proceso de impartición de prácticas experimentales.
Se ha logrado una mejor participación de los alumnos en la realización de los
experimentos y se cumple con el objetivo de propiciar las actitudes y los valores
positivos.
Los alumnos experimentan las formas de concebir y desarrollar el conocimiento.
BIBLIOGRAFÍA
1. Gutierrez Saenz R. “Introducción al método científico”. Ed. esfinge. Decima primera
edición. México 1998.
2. Gutiérrez A.C. “Introducción a la metodología experimental”. Editorial Limusa. Primera
edición. México 1986.
3. Riveros H.G., Rosas L. “El método científico aplicado a las ciencias experimentales”.
Editorial trillas. Primera edición. México 1982.
4. Gómez R. J. “El método experimental”. Editorial Harla. Primera edición. México 1983.