Los materiales y la electricidad

Interacciones entre los materiales y la electricidad
La electricidad
Orientaciones para el docente
Extracto del Documento de Actualización Nº 4 de Ciencias Naturales- G.C.B.A.
En relación con los contenidos que se espera trabajar
Una primera aclaración necesaria se refiere al sentido de esta secuencia: En ella no se trata de estudiar el fenómeno de la electricidad como tal, sino sólo lo concerniente a las interacciones entre ésta y los metales.
Al abordar la enseñanza de una unidad temática, es importante que el docente tenga claro cuál es el objetivo central en esa unidad, y qué aprendizajes espera promover.
El tratamiento de cada tema recurre a un amplio conjunto de conceptos y procedimientos. Sin embargo, esto no significa que todos ellos sean enseñados en particular o que constituyan necesariamente, un prerrequisito. En la mayoría de los casos, se cuenta con algunos saberes de los alumnos que son suficientes para avanzar en el aprendizaje de los contenidos específicos programados en la secuencia. En trabajos posteriores se podrán trabajar de manera sistemática aquellas ideas que fueron puestas en juego de manera intuitiva. A partir de estos nuevos aprendizajes, los alumnos podrán otorgar nuevos significados a lo estudiado anteriormente.
En relación con las experiencias
a) diferentes tipos de experiencias
A lo largo de la secuencia, se proponen diversas experiencias. Algunas de ellas son exploraciones, mientras que otras requieren de un control de variables más estricto.
La actividad 1 es del primer tipo:
El propósito es el de poner a los alumnos en contacto con el problema, partiendo de los modos habituales -más intuitivos y asistemáticos- de abordar el conocimiento del entorno. No obstante, a pesar de tratarse de exploraciones, se hace necesario establecer algunas condiciones de trabajo que permitan realizar comparaciones o elaborar algunas conclusiones.
Por ejemplo, en la actividad 1, se procura establecer una primera diferenciación entre la conducción de la electricidad de los metales y de otros materiales. El objetivo es que los alumnos puedan discriminar de manera aproximada entre mejores y peores conductores.
Al finalizar esta exploración se propone una reflexión sobre sus alcances y limitaciones, lo cual permitirá introducir la necesidad de encontrar formas más sistemáticas y precisas de indagación en los casos en que sea necesario. Tal es el caso de la actividad 2 en la que se plantea un control más preciso de las variables en juego. Siguiendo con nuestro ejemplo, esta actividad, propone una indagación más fina que permita discriminar esta propiedad dentro de los metales (también sería válido en el caso de proponerse discriminar entre los otros materiales que, en principio, resultaron ser menos conductores que los metales)
Por lo general, las actividades exploratorias constituyen un primer acercamiento al problema que se va abordar. Este acercamiento permitirá ajustar futuras experiencias, discriminar variables, seleccionar mejor los materiales, etc. A partir de estas primeras exploraciones, es que se diseñan experiencias más controladas.
Al participar los alumnos de estas diferentes instancias de indagación sobre un tema, se involucran en las mismas y van conformándose una visión más clara de qué es lo que se quiere averiguar y por qué lo hace de ese modo. De esta manera, la tarea se torna significativa y favorece el aprendizaje del tema que se está enseñando.
b) El análisis de las condiciones de las experiencias
A lo largo de la secuencia hemos propuesto diferentes instancias en las cuales se promueve la conversación y discusión sobre las condiciones a considerar en la realización de las experiencias o las exploraciones.
La reiteración y el énfasis puesto en estas instancias, obedece a la consideración de dos aspectos centrales en la enseñanza de las ciencias naturales:
Por una parte, reflexión y discusión sobre las condiciones de la experiencia o la exploración, ayuda a los alumnos tengan claro cuáles son las cuestiones que se están tratando, sobre qué aspectos deben centrar su observación, qué es lo que a través de la experiencia se está analizando, qué significan los resultados que obtienen, etc.
Por otra parte, la necesidad e importancia de proponer un trabajo particular y específico en torno a los procedimientos que se utilizan en el área, en este caso el diseño de situaciones experimentales. La enseñanza de estos procedimientos requiere, al igual que los conceptos, la puesta en práctica de diferentes estrategias para que puedan ser aprendidos progresivamente por los alumnos.
Al poner en común y discutir los diferentes diseños de experiencias, hay que tener en cuenta que no es necesario que todos los diseños sean iguales, ni aún todos igualmente correctos. Lo que es importante en esta instancia es que los alumnos puedan fundamentar correctamente sus decisiones respecto de los mismos. Esto significa, por ejemplo, que puedan explicitar de qué manera piensan que tal o cual procedimiento les aportarán datos para responder a las preguntas iniciales, o cuáles son los datos que esperan obtener con ese procedimiento.
Luego de realizada la experiencia, y al analizar los resultados de los diferentes grupos, se podrá valorizar mejor cuáles diseños fueron más ajustados y cuáles menos.
Por otra parte, en el caso que diferentes diseños hayan arrojado resultados similares, se podrá comenzar a introducir la idea de que no existe una única vía para resolver un problema, y que a veces es posible encontrar más de una solución.
La organización de la clase durante las actividades
A lo largo de la secuencia se pueden proponer diferentes modos de organización de la clase. En la mayoría de los casos se privilegia el trabajo en pequeños grupos. Esto es así ya que entendemos que de este modo los alumnos tienen la posibilidad de involucrarse más en la tarea que están desarrollando. El pequeño grupo facilita la discusión para el diseño de las experiencias, permite que cada alumno exprese sus ideas, las confronte con las de sus compañeros, posibilita una buena visualización de lo que sucede durante la experiencia, posibilita la manipulación autónoma de los materiales, etc.
Por ejemplo, en la experiencia 1 es el docente quien presenta o muestra un dispositivo, y quien organiza el trabajo en pequeños grupos para trabajar sobre el mismo.
La decisión de elegir una u otra forma de organización de la clase está ligada a la combinación de diversos factores que cada docente deberá evaluar.
El objetivo de la actividad
El tiempo disponible
El grado de autonomía de los alumnos para el trabajo grupal, para el manejo de instrumentos, etc.
Sea cual sea la organización de la clase, no debe perderse de vista la importancia de la participación de los alumnos en lo que hace a la reflexión de lo que observan o de lo que hacen.
En cualquier caso es importante ir alternando diferentes modos de organización de la clase, de manera de tender progresivamente a lograr un trabajo cada vez más autónomo por parte de los alumnos.
Utilización de instrumentos para la observación
En esta secuencia, se plantea un avance en lo que hace a la observación.
Dicho avance se relaciona con la utilización de instrumentos para observar cómo se comportan los metales en relación con la electricidad.
Compárese por ejemplo, la diferencia que existe por ejemplo entre observar si un metal brilla más que otro, y la de comparar la conducción de la electricidad por parte de diferentes materiales, utilizando un circuito eléctrico. En este último ejemplo, decimos que la observación es más indirecta, ya que en este caso es necesario hacer una inferencia respecto de lo que está sucediendo para afirmar que el hilo no conduce la electricidad.
Reconocer esta complejidad es importante por varios motivos.
En primer lugar porque nos alerta sobre la importancia de discriminar entre aquello que es producto de la observación y aquello que es resultado de una inferencia que se hace a partir de la misma. Esta diferencia es central y debería ser motivo de reflexión cuando se trabaja con los alumnos. En este caso, los alumnos deberían poder discriminar que una cosa es observar que la lamparita se enciende y otra es inferir que lo hace porque el material con el que están trabajando es buen conductor de la electricidad.
Por otra parte, la observación indirecta plantea también una serie de recaudos que es necesario tomar con el fin de poder extraer conclusiones confiables. Es necesario controlar el instrumento que se está utilizando para la observación, de modo que el mismo funcione adecuadamente. Volviendo sobre el caso de la conducción eléctrica, será necesario controlar que las lamparitas no estén quemadas, que las conexiones estén bien hechas, etc.
Uno de los propósitos que hemos planteado para la enseñanza de las ciencias naturales, se refiere a que los alumnos “se aproximen a los modos de pensar que toman como referencia el conocimiento científico”.
La distinción entre una observación y una inferencia, o entre datos y conclusiones, es central en este camino de aproximación que proponemos, ya que marca una diferencia con los modos de pensar del pensamiento vulgar o cotidiano.
Desde el punto de vista que estamos analizando, ambos tipos de pensamiento se diferencian en que, mientras que el primero procede de un modo más intuitivo basándose en los datos más evidentes y llamativos de las situaciones; el segundo (puesto que persigue conocer y explicar el mundo más allá de lo evidente) procede de un modo más sistemático, formulando diferentes alternativas de solución para un mismo problema.
En este sentido vale la pena señalar que, frente a una misma observación, las inferencias pueden ser diversas y, que en todo caso, la coincidencia en lo que se infiere, está basada en que todos disponen de la misma información para interpretar lo que se observa.
Información para el docente
Las propiedades observables de los materiales en general, y por lo tanto de los metales en particular, están vinculadas con su estructura íntima, es decir con la disposición e interacción entre las partículas que los componen.
Así, no todos los materiales conducen por igual la electricidad (ni tampoco el calor). Dentro de un gran conjunto de materiales, los metales y sus aleaciones son buenos conductores.
A la vez, dentro de los metales y sus aleaciones, también pueden encontrarse diferencias en cuanto a la conducción tanto del calor como de la electricidad.
A continuación presentamos una tabla en la que se compara la conducción del calor y de la electricidad en diferentes metales, ordenados de más a menos conductores.
Conductores del calor
Conductores de la electricidad
Plata
Cobre
Oro
Aluminio
Cinc
Níquel
Hierro
Platino
Plata
Cobre
Oro
Aluminio
Cinc
Platino*
Hierro*
Níquel*
Como podemos observar, en la mayoría de los casos (con la excepción del platino, el hierro y el níquel) los mejores conductores del calor son también los mejores conductores de la electricidad.
La conducción de la electricidad
Al igual que lo que ocurre con el calor, también la conducción de la electricidad depende no sólo del material sino también de las características del objeto: un cable de cobre de mayor radio resiste menos el paso de la corriente eléctrica que otro de menor radio, lo mismo que uno más corto.
Dentro de la diversidad de metales y sus aleaciones, diremos que el mercurio está entre los metales menos conductores de la electricidad, mientras que algunas aleaciones, como la niquelina y el constantán, son mejores conductores que él aunque peores que el platino.
Entre los materiales que no son metales pero que conducen bien la electricidad, se encuentra el grafito (una de las formas del carbono).
Para comparar con los materiales que se utilizan como aislantes de la electricidad podemos decir que el vidrio es algo así como un trillón (un uno seguido de 18 ceros) de veces menos conductor que la plata.
Actividades
En esta secuencia abordaremos las interacciones que establecen los metales con la electricidad.
A través de las actividades de esta secuencia los alumnos
- Podrán reconocer que:
4 Los metales son buenos conductores electricidad.
4 Los metales son mejores conductores de la electricidad que otros materiales.
4 Los distintos metales se diferencian entre sí por su capacidad de conducción de la electricidad.
- Podrán diseñar experiencias para comparar la conducción tanto de la electricidad entre diferentes materiales.
- Podrán realizar un análisis de algunas de las variables que intervienen en diferentes situaciones experimentales relacionadas con la conducción del calor y la electricidad, y entender la importancia de dicho control.
Interacciones entre los metales y la electricidad
Actividad 1 (pequeños grupos). Se propone el armado de circuitos eléctricos simples y la exploración de su funcionamiento.
Para la realización de esta actividad se requieren los siguientes materiales: una pila mediana, una lamparita de linterna y un portalámparas adecuado, cable de 1\2 y una base de madera o cartón.
Los alumnos armarán un circuito como el del modelo. El docente podrá presentar el dibujo o armar un circuito como modelo para que cada grupo arme el suyo. El propósito es disponer de una herramienta (el circuito) que permitirá explorar las relaciones entre los materiales y la electricidad.

Consigna: Cada grupo arma un circuito con estos materiales de acuerdo con el diagrama o al modelo presentado.


Se informa a los alumnos que la prueba de que el circuito está correctamente armado es que la lamparita encienda.
Es necesario explicar a los niños que las experiencias se realizan con pilas pequeñas y que en estas condiciones se puede manipular el material sin ningún riesgo, pero se debe advertir severamente que ninguna de estas experiencias puede repetirse con la red eléctrica ni tampoco con pilas más grandes o baterías de ningún tipo.
Una vez que los grupos han logrado armar y hacer funcionar su circuito se propondrá una tarea de exploración.
Para orientarla se podrán realizar las siguientes preguntas:
- Para conectar los cables fue necesario pelarlos, ¿encenderá la lamparita si se unen los cables al portalámparas sin pelarlos? ¿Por qué?
- Si conecto una punta de un cable pelada (por ejemplo al portalámparas) y otra sin pelar (por ejemplo, a la pila) ¿se encenderá la lamparita? ¿Por qué?
El objetivo de las preguntas es sugerir distintas alternativas posibles que les permitan reconocer la importancia del contacto entre metales en las conexiones.
Finalmente, el docente favorecerá una reflexión mayor sobre los circuitos a través de preguntas como las que siguen:
- Las personas que trabajan o estudian los temas relacionados con la electricidad, suelen decir “para que una lamparita encienda, el circuito debe estar cerrado” ¿qué les parece que significa esto?
- Cuando ustedes conectaron los cables sin pelar, la lamparita no encendió ¿se puede decir en este caso que el circuito estaba cerrado? ¿Por qué? ¿Qué hace falta además de que los cables estén conectados?
Tomando en cuenta las respuestas obtenidas, el docente explicará que hay materiales que conducen mejor la electricidad que otros. En relación con el uso que se les da, a los primeros se los denomina materiales conductores y a los otros materiales aislantes.
Actividad 2 (pequeños grupos). Se propone la realización de una experiencia que les permita reconocer que los metales son mejores conductores de la electricidad que otros materiales.
A partir de las exploraciones realizadas en la actividad anterior se planteará a los alumnos que averigüen qué materiales resultan buenos conductores de la electricidad. Para ello se propondrá llevar a cabo una experiencia que consiste en remplazar los cables del circuito por otros materiales con el fin de verificar si estos últimos resultan o no buenos conductores de la electricidad.
Para hacer la experiencia contarán con los circuitos armados en la actividad anterior y los siguientes materiales: lana, piolín, hilos de diferentes metales, cuerdas de plástico.
La experiencia consiste en cortar el cable en algún punto del circuito, pelar los extremos de los cables que quedaron libres luego del corte, e intercalar el material de prueba.

Consigna: Vamos a comparar diferentes materiales para averiguar cuáles son buenos conductores de la electricidad.


Se pedirá que, mientras se realiza la experiencia, se registren los resultados. Los materiales serán agrupados en aquellos que resultaron buenos conductores (se enciende la lamparita) y los que resultaron malos conductores.
Por último se organizará una puesta en común para sistematizar la información obtenida.
Al finalizar estas actividades los alumnos habrán aprendido que:
- No todos los materiales conducen la electricidad por igual. Según esta característica se los clasifica en materiales conductores y aislantes.
- Para que un circuito eléctrico funcione, todos sus elementos deben estar conectados o unidos a través de materiales conductores.
- Los metales son mejores conductores de la electricidad que otros materiales.
Actividad 3 (grupo total). Se propone comparar datos informativos que permitan conocer que los metales que conducen mejor el calor son también los que conducen mejor la electricidad.
Esta actividad comienza con el aporte de información por parte del docente sobre las diferencias entre los metales en cuanto a la conducción de la electricidad.
Para ello, el docente podrá presentar a sus alumnos la tabla en la que se ordenan los metales según su mayor o menor conductividad eléctrica.
En el caso de conducción del calor era posible, a través de un dispositivo escolar sencillo, discriminar entre distintos metales y ordenarlos de mejores a peores conductores.
Pero, en el caso de la electricidad, es casi imposible apreciar las diferencias en la capacidad de conducción de distintos metales cuando se utilizan pilas como fuente de energía, y por lo tanto no puede determinarse experimentalmente en clase, un orden entre distintos metales.
Para ello sería necesario utilizar instrumentos que no siempre son accesibles (como un voltímetro o un multímetro) y un voltaje que lo torna desaconsejable por razones de seguridad. Por eso, deberá ser el docente quien brinde la información acerca de cómo se ordenan los metales de mejores a peores conductores. Por supuesto, es posible explicar a los alumnos por qué estas diferencias no pueden ser medidas en clase.

Consigna: hemos visto que los metales son buenos conductores del calor y de la electricidad. También sabemos que hay metales mejores conductores que otros en ambos casos. Los que conducen mejor el calor ¿serán los mismos que los que conducen mejor la electricidad?


Para responder a esta pregunta, se pedirá a los alumnos que comparen los datos obtenidos en la actividad vinculada con la conducción del calor, con aquellos que obtuvieron de la lectura de la tabla sobre conducción de la electricidad. Se podrá completar un cuadro que puede organizarse desde los que resultaron mejores hasta los que resultaron peores conductores.
CUADRO: Organización de los metales de mejores a peores conductores del calor y de la electricidad.
ORDEN EN LA
CONDUCCIÓN
CONDUCE CALOR
CONDUCE ELECTRICIDAD
(Nombre del metal)
Al finalizar estas actividades los alumnos habrán podido aprender que:
- No todos los metales conducen la electricidad en la misma medida o hay metales que conducen la electricidad mejor que otros.
- En general, hay coincidencia entre los metales que conducen mejor el calor y los que conducen mejor la electricidad.
Los contenidos que se espera trabajar
En esta secuencia no se trata de estudiar el fenómeno de la electricidad como tal, sino sólo lo concerniente a las interacciones entre éstos y los metales. Para conocer estas propiedades de los metales no es necesario que los alumnos hayan abordado previamente el estudio del calor y de la electricidad. Estos temas requieren secuencias de enseñanza específicas. En próximos documentos, se presentará una secuencia para trabajar sobre el tema “el calor”.
Al abordar la enseñanza de una unidad temática, es importante que el docente tenga claro cuál es su objetivo central, y qué aprendizajes espera promover.
El tratamiento de cada tema recurre a un amplio conjunto de conceptos y procedimientos, pero esto no significa que todos ellos sean enseñados en particular o que constituyan, necesariamente, un prerrequisito. En la mayoría de los casos, es posible apoyarse en conocimientos de los alumnos, muchas veces intuitivos, pero suficientes para avanzar en el aprendizaje de los contenidos específicos programados en la secuencia. En trabajos posteriores se podrán trabajar de manera sistemática aquellas ideas que fueron puestas en juego de manera intuitiva. A partir de estos nuevos aprendizajes, los alumnos podrán otorgar nuevos significados a lo estudiado anteriormente.
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