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Experimento Eficiencia Energética
Documento para educadores Instrucciones de Experimentación
Experimentos para jóvenes a partir de los 12 años.
ATENCIÓN: El material incluido en la caja Experimento Eficiencia Energética Fundación Siemens es para uso exclusivoen establecimientos educativos a partir de nivel secundario. Utilizarlo bajo vigilancia y supervisión de adultos capacitados. Mantener fuera del alcance de niños menores de 4 años por contener piezas pequeñas. Leer las instrucciones antes de su utilización, seguirlas y conservarlas como referencia.
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Basado en los textos originales de Siemens Stiftung:
Experimento 10+ Instrucciones de experimentación
Experimento 8+ Instrucciones de experimentación
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Siemens Stiftung es una organización sin fines de lucro que trabaja en las áreas de servicios básicos,
educación y cultura. Como fundación operativa, desarrolla sus propios proyectos, los implementa y participa
en ellos a largo plazo. En cooperación con socios estratégicos, busca contribuir a que las personas puedan
mejorar sus condiciones de vida. De esta manera, trabaja colaborando para que las comunidades funcionen
cada vez mejor. Actúa a nivel internacional, con claros principios de transparencia y orientados a resultados
e impacto. El enfoque geográfico de su trabajo se encuentra principalmente en África y América Latina, así
como en Alemania y otros países europeos.
Siemens Fundación para el Desarrollo Sustentable de la Argentina La Fundación Siemens Argentina es una entidad sin fines de lucro que busca contribuir al desarrollo sostenible del país. Para ello articula sus proyectos en diversas áreas de acción, que mantienen como elemento subyacente el colaborar con el crecimiento y la formación de cada individuo, teniendo como premisa que desde edades tempranas los niños y jóvenes adquieran vocación comunitaria, tecnológica, artística y ambiental. Mayor información: http://wwww.fundacionsiemens.com.ar
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Prólogo
La curiosidad es un elemento esencial en el desarrollo de todo ser humano. De manera constante, niños y jóvenes buscan conocer e investigar el mundo que nos rodea intentando aprehender el mundo a través de los sentidos.
La estrategia de aprendizaje de las ciencias basada en la indagación busca aprovechar la curiosidad intrínseca de los niños, fortalecer su aprendizaje y colaborar con el maestro en el desarrollo de los contenidos curriculares, facilitando principalmente la indagación científico-tecnológica en el aula.
Partiendo de esta reflexión la Fundación Siemens se encuentra desarrollando exitosamente en Argentina el proyecto internacional Experimento – Fundación Siemens para educadores y pedagogos, que promueve el principio de aprender descubriendo.
Experimento es un programa integral que impulsa actualmente conceptos pedagógicos modernos en escuelas de todo el mundo, y cuya complementariedad entre jornadas de capacitación docente, kits didácticos, manuales de experimentación e información disponible en el portal de medios didácticos de la Fundación Siemens permite, bajo un mismo hilo conductor, desarrollar experiencias científico-tecnológicos en las aulas junto a niños y jóvenes.
Esta propuesta incluye a su vez abordar de manera multidisciplinaria y creativa los grandes problemas de nuestro tiempo, dado que basa sus temáticas Energía, Medio Ambiente y Salud en concientizar al alumnado para dar respuesta a las principales megatendencias de nuestro tiempo, entre ellas: la creciente urbanización, el crecimiento demográfico, la mayor expectativa de vida y el cambio climático.
Dentro de este marco, presentamos aquí el módulo Experimento - Eficiencia Energética, cuya temática central ronda en torno a “el camino de la energía”; fomentando la importancia de una
generación responsable, una distribución eficiente y su uso racional en la vida cotidiana.
Para nosotros es una gran satisfacción contar con su aporte, experiencia y compromiso para promover este proyecto en favor de la educación científico-experimental.
Estamos a su disposición para recibir sugerencias e indicaciones de mejora específicas. Al fin y al cabo, el enfoque global necesita la colaboración de expertos pedagogos locales para lograr su objetivo: contribuir a mejorar las perspectivas de desarrollo de los más jóvenes.
¡Es un placer contar con su colaboración, le deseamos mucho éxito!
Enrique Genzone Presidente
Siemens Fundación para el Desarrollo Sustentable de la Argentina
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Índice
Prólogo ....................................................................................................................................................................... 3
Indicaciones generales ................................................................................................................................................ 5
Introducción pedagógico-didáctica ............................................................................................................................... 6
Lista de materiales:...................................................................................................................................................... 9
Esquema de guardado ................................................................................................................................................11
Curso introductorio: mediciones eléctricas y conexiones ..............................................................................................12
Portal de medios de la Fundación Siemens .................................................................................................................23
Actividad 1: Los limones y otras pilas – La electricidad a partir de la Energía Química ..................................................27
1) ¿Cómo funciona la “pila de frutas y/o verduras”? .................................................................................................35
2) La “pila de limones”: ¿Qué función cumple cada parte? .......................................................................................37
3) La “pila de limones” sin limones ..........................................................................................................................39
4) Una pila que soporta mucha carga ......................................................................................................................41
5) Una pila profesional de zinc y cobre ....................................................................................................................43
Actividad 2: Las propiedades de las células solares – Tensión, corriente y potencia .....................................................47
1) Conocimientos básicos de una la célula solar......................................................................................................55
2) La intensidad de un cortocircuito y la tensión en vacío al colocar la lámpara a diferentes distancias .....................57
3) ¿Qué sucede al conectar las células solares en serie o en paralelo? ...................................................................59
4) La intensidad y la tensión en la conexión en serie y en paralelo de células solares ...............................................61
5) ¿Cómo se comportan las células solares conectadas en serie o en paralelo al quedar en la sombra? ..................63
Actividad 3: Construimos una central solar térmica – Con una lupa y un espejo ............................................................65
1) Prender fuego a un pedazo de papel con la lupa como lente de aumento ............................................................71
2) Calentamos agua con el sol ................................................................................................................................73
Actividad 4: Las energías renovables – El sol, el agua y el viento .................................................................................75
1) La energía eléctrica a partir de la energía de radiación de la luz ..........................................................................83
2) La energía eléctrica a partir de la fuerza del agua ...............................................................................................87
3) La energía eléctrica a partir de la energía eólica..................................................................................................91
Anexo 1: Experimentos complementarios ....................................................................................................................93
A1 Circuito eléctrico sencillo .......................................................................................................................................95
A1.1. ¡Hagan que se prenda la lámpara! ................................................................................................................... 103
A1.2 Esquemas de conexión ..................................................................................................................................... 105
A1.3 Conexión y desconexión ................................................................................................................................... 107
A1.4 Interrogatorio eléctrico ...................................................................................................................................... 109
A2 Conductores y aisladores..................................................................................................................................... 111
A2.1 ¿Qué son conductores y aisladores? ................................................................................................................. 115
A3 Circuitos eléctricos complejos .............................................................................................................................. 117
A3.1 Conexión en serie ............................................................................................................................................. 123
A3.2 Conexión en paralelo ........................................................................................................................................ 125
A4 Las energías renovables ...................................................................................................................................... 127
A4.1 El calor del sol .................................................................................................................................................. 137
A4.2 La energía solar ............................................................................................................................................... 139
A4.3 El aprovechamiento de la energía del agua ....................................................................................................... 141
A4.4 La energía eólica .............................................................................................................................................. 143
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Indicaciones generales
¡Tener en cuenta las advertencias de seguridad específicas!
En todos los experimentos se tuvieron en cuenta las normas de seguridad vigentes en Alemania.
Se requiere verificar las normas de seguridad de cada país al momento de hacer las actividades.
Material adicional en el portal de medios de la Fundación Siemens
En el portal de medios de la Fundación Siemens www.medienportal.siemens-stiftung.org se
encuentra material adicional sobre cada experimento, como gráficas, fotos, videos y textos.
Tras registrarse en el portal, el usuario deberá introducir en la casilla de búsqueda “Experimento |
10+”.
Indicaciones sobre las cantidades
A veces resulta difícil dar una indicación exacta
de las cantidades al no disponer, para los
experimentos sencillos, de una balanza, un
recipiente medidor o una pipeta.
Es más fácil dar indicaciones sobre el volumen
de los líquidos, dado que con los vasos de 100
ml es posible transmitir instrucciones precisas.
En cambio, resulta más complicada la
dosificación de cantidades más pequeñas de
polvos sólidos, como p. ej. de ácido cítrico. Con
el mango de una cucharita de café se pueden
dosificar fácilmente pequeñas cantidades y
entender el significado de una pizca o una punta
de la cucharita de café. (Fig. 1)
Indicación relativa a los cables de medición y unión
Los cables de medición y unión pueden presentar falso contacto y/o roturas, se invita a los
docentes y/o alumnos a comprobarlo con el Multímetro Digital. La conductividad de los cables se
comprueba con el modo “medición de la resistencia”.
En caso de presentar problemas con las tapas de plástico de las pinzas cocodrilo, pueden
quitarlas hacia atrás.
Resistencia eléctrica de los diodos LED y el motor
Los diodos LED y los motores utilizados en los experimentos pueden romperse si se exponen a
tensiones o corrientes demasiado altas (p. ej., si se conectan directamente a una batería de 9V).
Se ruega prestar atención a los valores de referencia indicados en la lista de materiales y llamar la
atención a los alumnos respecto del peligro que produce el calentamiento excesivo, quemando los
diodos o motores.
Fig. 1: Una “pizca o punta de la cucharita de café”
de ácido cítrico.
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Introducción pedagógico-didáctica
Es bien sabido cuán importante es la experimentación en la enseñanza escolar de asignaturas
científicas y técnicas. A pesar de ello, por lo general se realizan pocos experimentos; al respecto,
se describen a continuación algunas consideraciones sobre Experimento | Eficiencia Energética
(Experimento | EE).
Hacer más experimentos y reducir al mismo tiempo las reticencias
A veces faltan talleres – laboratorios, en otras ocasiones falta el equipo ya sea humano como
material y casi siempre no alcanza el tiempo. El esfuerzo requerido para preparar experimentos
complicados es por lo general elevado, también para poner orden al finalizar. En el entorno
escolar, caracterizado por el deseo de obtener un alto rendimiento, se prefiere dedicar ese tiempo
a los ejercicios para el siguiente examen o para la siguiente prueba de calidad. Por esta razón,
Experimento | EE pretende dar orientaciones para llevar a cabo ensayos de campo
(experimentación directa) que requieran poco esfuerzo. Hacer un experimento ya no es un
“evento” bonito que demanda mucho tiempo, sino parte integral del tiempo de aprendizaje.
Despertar el interés de los alumnos con temas de actualidad y de su vida
cotidiana
Experimento | EE procura crear siempre un vínculo entre los experimentos y las aplicaciones en la
industria y la economía y, en la medida de lo posible, también con la vida cotidiana de los
alumnos. De esta forma, en base a los experimentos se abordan los grandes problemas/temáticas
a los que se enfrenta la Humanidad en la actualidad, como p.ej. la transición a las energías
renovables. Los docentes encontrarán indicaciones y sugerencias, para ampliar las instrucciones
de experimentación.
Idóneo para realizar proyectos educativos transversales
El abordar muchos temas de actualidad social, como p.ej., “la transición a las energías
regenerativas o renovables” o “la creciente escasez de materias primas”, forma parte hoy de
numerosos planes de estudio. No obstante, resulta difícil asignarlos a las disciplinas tradicionales,
dado que, con frecuencia, estos temas tienen que ver tanto con la Física, la Química, la Biología o
la Geografía.
Experimento | EE ofrece una propuesta de experimentos pensada para proyectos educativos
transversales.
Un concepto didáctico flexible
El método inductivo – deductivo, planteaba desde una concepción de enseñanza tradicional, que
el alumno pueda con el soporte del experimento determinar cuál es la ley física que subyace en el
proceso y/o confirmar lo aprendido.
Hoy el aprender investigando, descubriendo, o el desarrollo de competencias – habilidades son
los propósitos educativos que sustentan todos los organismos locales, nacionales e
internacionales; por ello, en consonancia con una diversidad didáctica, Experimento | EE brinda
libertad a los docentes en forma intencionada.
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Experimentos para abordar un tema en clase
Los ensayos de Experimento | EE no pretenden pasar revista a toda una temática escolar
completa. En todo caso, es una excelente base para hacer que los alumnos se diviertan al
experimentar, despierten su curiosidad y se sorprendan con los resultados obtenidos,
motivándolos así respecto del tema tratado en clase. Los experimentos se han concebido de tal
forma que, por lo general, pueden realizarse en forma rápida y fácil.
Experimentos para confirmar lo aprendido
En la mayoría de los casos, los alumnos no estarán en condiciones de derivar una ley natural a
partir de un experimento de 20 minutos, para la que científicos renombrados necesitaron años o
décadas de investigación. Pero siempre les resultará posible verificar lo ya aprendido y
comprendido con ayuda de un experimento. Como saben los docentes, la aplicación exitosa del
saber es la mejor motivación intrínseca para el aprendizaje. Por ello, Experimento | EE contiene
una serie de experimentos que requieren algunos conocimientos previos.
Apoyar el aprendizaje autónomo, orientado a ampliar las competencias
Si bien Experimento | EE no sostiene un determinado concepto didáctico, se enrola en los
propósitos actuales para la enseñanza: aprendizaje por competencias/habilidades. Por ello, al
realizar en forma correcta los experimentos, se alcanzan los objetivos didácticos de aprendizaje
de contenidos y desarrollo de competencias científicas, pues llevan a los alumnos a desarrollar,
reconocer y responder cuestionamientos de forma autónoma. Esto es logrado a partir del fomento
de la autonomía para la investigación y su protocolo. Pero asimismo, la verificación de sospechas
e hipótesis es algo que se puede aprender al planificar de forma independiente la investigación.
Por ejemplo: cuando los alumnos evalúan valores de medición y analizan observaciones, se
adquieren competencias de conocimiento para la investigación y la comparación.
Adecuación según franja etaria.
Experimento | EE presenta experiencias con posibilidad de realización independientemente de la
franja etaria de los alumnos (de Educación Secundaria). Esto significa que su realización es
importante para alumnos del ciclo básico como del orientado. En muchos casos, los alumnos del
ciclo básico pueden darse por satisfechos con la evaluación cualitativa de los fenómenos tratados
en los experimentos. Porque también se aprende, por ejemplo, al entender que la combinación de
diferentes metales con soluciones sódicas genera electricidad, o que una célula solar transforma
la luz en corriente eléctrica. En el caso de alumnos del ciclo orientado, los temas antes expuestos
pueden ser explicados y/o profundizados desde el punto de vista de la Física – Electroquímica o
Bioquímica.
Las instrucciones ayudan a realizar la preparación, el acompañamiento y el
seguimiento de los experimentos
Las instrucciones presentan dos formatos: una destinada a los docentes y, otra a los alumnos.
Ésta última, contiene indicaciones prácticas sobre la observación y la evaluación; verificación y/o
profundización. En cambio, el instructivo para docentes, un breve resumen en el que se describe
de qué forma y con qué fin puede ser utilizado el experimento e indicaciones sobre cómo
integrarlo en el diseño curricular. Una lista de instrumentos y materiales necesarios para el
experimento.
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Por otro lado, se ha pensado en la preparación del contenido científico: con este fin se hace una
breve presentación del área disciplinar específica. Esto es un recordatorio para los docentes sobre
los conocimientos previos que deberían tener los alumnos, acompañando el encuadre explicativo
que articula con el diseño curricular vigente. También, en un capítulo se hace referencia al portal
de medios de la Fundación Siemens, para ayudar a los docentes a encontrar material ampliatorio,
para ser usado como explicación y/o profundización del tema a abordar.
¡No es posible sin los docentes!
Aún cuando el papel de los docentes haya cambiado fuertemente en los últimos años, pasando de
un concepto centrado en el profesor a uno centrado en el alumno, sin los docentes no es posible
lograr la construcción de conocimiento. El concepto de Experimento | EE ayuda al alumno que
investiga de forma autónoma a entender mejor el contexto de las Ciencias Naturales y facilita la
tarea al docente para que lo explique de forma comprensible. Los especialistas en Pedagogía y
Didáctica que han colaborado en el desarrollo de Experimento | EE están convencidos de que un
docente comprometido va a poder identificar con acierto el método de enseñanza más adecuado
para la situación, en función del diseño curricular vigente y del tiempo físico del cual disponga.
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Lista de materiales:
Descripción Cantidad
Descripción Cantidad
Ácido cítrico 30g 1
Lámina de seguridad 1
Bandas elásticas 50
Lámpara halógena 1
Broches plásticos (sujeta motores) 8
LED rojos 8
Cables con pinza de cocodrilo 32
Lupa 1
Cargador de pilas 1
Manual de instrucciones 1
Cartulinas negras 20
Motor grande 1
Células solares 8
Motores solares pequeños 8
Chapa de cobre 1
Multímetro digital 1
Chapa de hojalata 1
Pilas AA recargables 8
Cinta adhesiva 1
Pinchos de madera 30
Clavos de cobre 16
Pinzas sujeta papel 4
Clavos de hierro 16
Plastilinas 8
Clavos de zinc 16
Portafoquitos 8
Cucharas metálicas 8
Portapilas 4
Espejo cóncavo 1
Recipientes contenedores 2
Espejos planos 8
Rollo de papel de aluminio 1
Foco halógeno 42W 1
Sal de mesa 500g. 1
Foquitos 2.5 V 8
Servilletas 50
Frascos 100 ml. con tapa 8
Sorbetes 30
Gafas protectoras 8
Tablitas baja lengua 10
Ganchos mariposa 50
Termómetros 8
Hélices chicas 8
Tijera 1
Hélices grandes 1
Tubo de ensayo 1
Jeringa 60 ml. 1
Velita 1
Juego de cables de medición 1
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Agrupación por caja
Caja 1
Caja 6
50 Servilletas
8 Termómetros
8 Plastilinas
1 Lupa
1 Hélices grandes
1 Jeringa 60 ml.
16 Clavos de cobre 16 Clavos de zinc
Caja 7
16 Clavos de hierro
8 Espejos planos
1 Chapa de cobre
1 Tubo de ensayo
1 Chapa de hojalata
8 Gafas protectoras
8 Pilas AA recargables
4 Portapilas
Caja 8
1 Multímetro digital
Caja 2
1 Juego de cables de medición
8 Frascos 100 ml. con tapa
1 Cargador de pilas
1 Espejo cóncavo
30 Sorbetes
Caja 9
30 Pinchos de madera
1 Recipiente contenedor
Caja 3
Caja 10
1 Tijera
1 Recipiente contenedor
8 Cucharas metálicas
1 Sal de mesa
8 Broches plásticos
1 Cinta adhesiva
1 Velita
1 Ácido cítrico 30 g.
4 Pinzas sujeta papel 10 Tablitas baja lengua
Caja 4
Carpeta 11
50 Bandas elásticas
1 Manual de instrucciones
32 Cables con pinza cocodrilo
1 Lámina de seguridad
50 Ganchos mariposa
20 Cartulinas negras
Caja 5
Materiales sin caja
8 Hélices chicas
1 Lámpara halógena
8 LED rojos
1 Foco halógeno 42W
8 Foquitos 2.5V
1 Rollo de papel de aluminio
1 Motor grande 8 Motores solares pequeños 8 Portafoquitos 8 Células solares
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Esquema de guardado
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Curso introductorio: mediciones eléctricas y conexiones
Es importante destacar que los temas tratados en el presente manual son abordados en la medida
y profundidad necesaria para la ejecución de la caja de experimentación.
Medir con un Multímetro Digital
Este capítulo aporta indicaciones y consejos para utilizar el multímetro digital. No se trata de unas
instrucciones de uso oficiales, sino que en caso de duda deben tenerse en cuenta.
Advertencias de seguridad
El multímetro digital sólo puede ser utilizado según las instrucciones del experimento o las que
brinde el docente. Si no se respetan las instrucciones, se puede dañar el aparato y/o resultar
perjudicial para la salud.
A continuación figuran las advertencias de seguridad que hay que respetar:
Proteger el aparato de la humedad, las salpicaduras, el calor y sólo usarlo en ambientes limpios y
secos. No dejar caer el multímetro digital ni someterlo a una fuerte carga mecánica.
Nunca abrir el multímetro digital sin las indicaciones del docente.
Medición de la tensión: con el multímetro digital y el juego de cables de medición suministrados en
la caja de experimentación sólo se pueden medir tensiones pequeñas de hasta 25 voltios.
Medición de la corriente eléctrica: tanto en el intervalo de 200 mA como en el de 10A, no se
pueden medir corrientes superiores.
¿Qué funciones tiene el multímetro digital?
Visualizador o display LCD donde se indican los valores de
medición. 1
Conmutador giratorio: On/Off y selección del tipo y del
intervalo de medición. 2
Toma de entrada de la intensidad 10 A (superior a 200 mA). 3
Toma de entrada de la tensión (V), la resistencia (Ω), la
intensidad hasta 200 mA (A) corresponde al polo positivo
(cable de medición rojo). 4
COM (“common”): toma de entrada general corresponde al
polo negativo (conectar con el cable de medición negro). 5
Fig. 1: Multímetro digital
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¿Cómo colocar la pila alcalina?
Al abrir la tapa posterior con un destornillador estrella, el
aparato no puede estar conectado. El conmutador
giratorio tiene que estar en la posición “OFF”.
Al cerrar la tapa posterior, hay que procurar que no se
apriete el cable de conexión de la pila. En este caso no
hay que forzarlo para poder atornillarlo, sino que primero
hay que guardar correctamente el cable de la pila debajo
de ella. (véase la fig. 2, b).
Encender y apagar el aparato (multímetro)
Para encender el multímetro: girar el conmutador de la posición “OFF” a la función de medición
deseada. Para apagarlo, volver a ponerlo en la posición “OFF”. Se recomienda apagar el aparato
luego de finalizar cada experiencia, de esa manera se evita gastar la pila en forma innecesaria.
Selección del tipo o función de medición
Se pueden medir las siguientes magnitudes eléctricas (véase la fig. 3):
a) Corriente continua; seleccionando el intervalo de 20 V.
b) Corriente alterna; seleccionando el intervalo de 200 V.
c) Corriente continua (hasta 200 mA); seleccionando el intervalo de 200 mA
d) Corriente continua (hasta 10 A)
e) Resistencia; seleccionando el intervalo de 2.000 Ohm.
El display muestra un “1” (uno) cuando la resistencia es superior al intervalo de medición elegido.
Atención al cambiar de función de medición:
Si se quiere cambiar de una función a otra, p. ej., cambiar de “medición de la resistencia” a
“medición de la tensión continua”, ¡siempre hay que quitar el cable de medición del objeto que
se quiere medir! De no ser así, el aparato o el objeto de medición podría ser perjudicado. Sólo si,
p. ej., cambian directamente de “tensión continua” a “OFF” y después a “corriente continua”, no
puede pasar nada.
Fig. 2: Cómo colocar la pila
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Conectar correctamente los cables de medición
La regla a seguir es: ¡El cable negro siempre debe ser
conectado a COM! (véase la fig. 4)
La toma COM es donde debe conectarse el cable de medición
negro. ¡Siempre debe ser conectado al polo negativo del
circuito de medición!
La toma con la mención “V Ω mA” es la toma de entrada para el
cable de medición rojo destinado a realizar todas las
mediciones de tensión, resistencia y corriente (salvo 10 A).
¡Siempre debe ser conectado al polo positivo del circuito de
medición!
La toma que figura con “10A” es la toma de entrada para el
cable rojo destinado a medir corrientes elevadas. ¡Siempre
debe ser conectado al polo positivo del circuito de medición!
Fig. 4: Cómo conectar
correctamente los cables de
medición al multímetro.
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a) Conexión Incorrecta al
Multímetro Digital.
En el display aparece una
tensión negativa.
b) Conexión Correcta al
Multímetro.
En el display aparece una
tensión positiva.
c) Conexión Correcta de la
Célula Solar
A continuación se presentan, una vez más, todas las reglas:
Verificación de la conexión correcta
¡Se requiere comprobar por uno mismo con una pila, una batería o una célula solar si se han
seguido correctamente las reglas!
Comprobación del cumplimiento de las reglas para un correcta conexión,
utilizando una pila – batería y/o célula solar
Se debe colocar el conmutador giratorio en corriente continua y elegir el intervalo de 20 V al
utilizar p. ej. una pila de 9 V. Luego, conectar correctamente los cables de medición al multímetro
digital (el negro a “COM”, el rojo a “V Ω mA”). Luego, conectar el cable de medición rojo al polo
negativo y el negro al polo positivo de la pila. En el display aparecerá una tensión negativa. Por
último, se deberá conectar el cable de medición negro al polo negativo y el rojo al polo positivo de
la pila. En el display aparecerá ahora una tensión positiva.
Cuando se conecta el polo positivo de una célula solar al cable rojo y el negativo al cable negro,
aparece la indicación de una tensión positiva.
Fig. 5: Conexión del cable de medición al multímetro digital.
TOMA CABLES POLO
COM negro negativo
V Ω mA rojo positivo
10A. rojo positivo
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¿Qué intervalo de medición hay que elegir?
Si se desconoce el valor de la magnitud a medir, siempre conviene seleccionar primero el
intervalo más elevado. Es decir, tratándose de corriente continua, como p. ej. 250 V. Ajustar el
intervalo de medición de arriba hacia abajo y aproximarse así al valor de medición. El ajuste
óptimo será visualizado en la resolución máxima del valor de medición. Tratándose de una pila
de 9 V, lo peor es la selección de 250 V (fig. 6, a); con 200 V (fig. 6, b) ya mejora y con 20 V (fig.
6, c) es la mejor selección.
En caso de seleccionar 2000 mV o 2 V (fig. 6, d) al ser una pila de 9 V, el hecho es “Incorrecto”.
La indicación “1 (uno)” significa “Overflow” (sobrecarga), se recomienda comenzar la selección
con el valor más alto (elevado). El cual garantiza que se preserve el fusible del aparato, evitando
su destrucción.
Determinación de un polo desconocido de fuentes de corriente o tensión
Las reglas descriptas respecto a la forma de conectar los cables de medición al multímetro y al
objeto a medir parecen arbitrarias.
¿Se podrían definir en forma inversa, sin ningún problema? La respuesta es NO, porque al
respetar estas reglas se puede determinar la polaridad de las fuentes de corriente y tensión
cuando se las desconoce.
Fig. 6: Selección óptima del
intervalo de medición en base al
ejemplo de una pila de 9 V.
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Fig. 7: Si se quiere utilizar el motor eléctrico
como generador en el sentido de las agujas
del reloj. Para ello, se deberá comprobar si
una rotación a la derecha suministra tensión
positiva en esta conexión.
Fig. 8: Esquema del circuito
eléctrico para la medición de
la tensión en vacío.
Fig. 9: Esquema para la
medición de tensión en un
circuito con una carga.
Conocer la polaridad de las fuentes de corriente y tensión es muy importante, porque muchos
componentes eléctricos no funcionan si se conectan a los polos equivocados. Los LED, p. ej., no
se encienden, los acumuladores y los condensadores electrolíticos no se cargan si se conectan al
polo equivocado o incluso pueden romperse. Si, por ejemplo, se quiere utilizar un motor eléctrico
como generador para cargar un condensador electrolítico o una célula electroquímica, hay que
saber qué alambre de conexión es el polo positivo y cuál es el
negativo. Si en el ejemplo (fig. 7), en una rotación a la derecha, el
multímetro indicará una tensión positiva, entonces se sabrá que el
borne de conexión rojo del motor es el polo positivo al girar en este
sentido.
Circuitos para mediciones eléctricas sencillas
Este tema sólo se presenta en la medida y la profundidad
necesarias para poder trabajar con la caja de experimentación.
Medición de la tensión en un circuito eléctrico
En general, la regla es que el aparato de medición siempre se conecta
en paralelo a la fuente de tensión o al objeto a medir. El cable rojo se
conecta al polo positivo y el negro al negativo del objeto de
medición.
La medición de la tensión en vacío de una fuente de
corriente
En este caso, el aparato de medición es la única carga. La
resistencia interna del aparato de medición, es decir, la resistencia
de carga, es extremadamente alta tratándose de una medición de
tensión (en multímetros digitales de hasta 20 MOhm). La resistencia
interna de la fuente de tensión (en nuestro ejemplo, una pila o
acumulador) es por consiguiente baja en comparación con la
resistencia de carga. Por eso, en el circuito eléctrico casi no pasa la
corriente de carga (“en vacío”) por el multímetro digital. Por esta
razón, en la fuente de tensión sin carga se mide la tensión en vacío.
Fig. 8.
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Fig. 10: Esquema para la medición de
tensión en un circuito con varias cargas.
Fig. 11: Esquema del circuito
eléctrico para la medición de la
corriente de cortocircuito.
La medición de la tensión bajo carga
En este circuito pasa una corriente por la carga (un foco). La tensión medida es menor a la tensión
en vacío en función de la resistencia interna de la fuente de tensión en comparación con la
resistencia de carga. Fig. 9.
La medición de la tensión en redes con diferentes ramales
En caso de que en un circuito eléctrico haya varias “cargas”
conectadas uno tras otra (conexión en serie), se divide la
tensión. Ésta puede ser medida como tensión total (aquí, V1),
en paralelo a la fuente de tensión, o como tensión parcial en
cada resistencia de carga (aquí, V2, V3, V4).
Medición de la intensidad en un circuito eléctrico
En general, la regla es que el aparato de medición siempre se conecta en serie a la carga o al
objeto a medir. El cable rojo se conecta al polo positivo y el negro al negativo del objeto de
medición.
La medición de la corriente de cortocircuito de una fuente de corriente
El multímetro digital tiene una resistencia baja al medir la corriente, así
que la resistencia de carga es a la vez baja. En este caso, el aparato de
medición es la única carga. La resistencia interna de la fuente de
corriente (en nuestro ejemplo, una pila o acumulador) es por
consiguiente relativamente alta en comparación con la resistencia de
carga. Por ello, la conexión al multímetro digital tiene un efecto como el
de un cortocircuito. La intensidad es por lo general mayor que cuando
pasa la corriente por una carga normal. Fig. 11.
Advertencia: la corriente de cortocircuito nunca debe ser medida
tratándose de acumuladores o pilas, dado que puede hacer que se
rompan los acumuladores, las pilas y el aparato de medición. Por esta
razón, el estado de carga de un acumulador o de una pila sólo puede
ser determinado a partir de la medición de la tensión y no de la corriente.
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Fig. 12: Esquema para la medición de corriente
en un circuito con un consumidor.
Fig. 13: Esquema para la medición de corriente
en un circuito con varios consumidores.
La medición del paso de corriente por una “carga”
Si se quiere medir el paso de corriente por una carga, se debe conectar el aparato de medición en
serie con el objeto de medición.
La medición del paso de la corriente en conexiones con diferentes ramales
Si se quiere medir el paso de corriente por varias cargas, se debe conectar el aparato de medición
en serie con cada objeto de medición conectado en paralelo a la fuente de corriente. Porque por la
fuente de corriente pasan las diferentes corrientes (en nuestro ejemplo, I1, I2 e I3). Por objetos de
medición conectados en serie (en nuestro ejemplo, dos focos) pasa la misma corriente (en nuestro
caso I3), por lo que es suficiente con un aparato de medición común. La corriente total resulta de
la suma de I1, I2 e I3.
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Fig. 14: Esquema para la medición
de una resistencia individual.
Fig. 15: Esquema de medición de la resistencia de
forma indirecta, midiendo la corriente y la tensión.
La medición de resistencias
La medición directa de la resistencia
En general, la regla es que el aparato de medición se
conecta en paralelo a la resistencia.
Para determinar la resistencia, el multímetro digital aplica
una tensión a la resistencia y mide la corriente que pasa por
ella. A partir de U/I, el aparato de medición calcula en forma
automática la resistencia y la indica en el display.
Atención: las resistencias individuales nunca deben ser medidas en circuitos complejos. En caso
de que en ese circuito complejo todavía haya tensiones en alguna parte (p. ej., debido a unos
condensadores que no estén descargados), puede producirse errores en la medición e incluso se
puede dañar el aparato de medición. Tampoco es conveniente medir resistencias en circuitos
complejos porque, en caso de que haya otras resistencias conectadas en paralelo con la que se
quiera medir, ya no se medirá la individual sino el valor de resistencia de la combinación de varias
de ellas.
La determinación indirecta de la resistencia a partir de la tensión y la
corriente
Para determinar la resistencia, se la conecta a una
fuente de tensión (aquí, un acumulador o una pila) y se
mide la tensión aplicada y la corriente que pasa por ella.
A partir de U/I se calcula entonces la resistencia.
Evitar cortocircuitos al construir los
circuitos eléctricos
El cableado con pinzas de cocodrilo permite hacer conexiones rápidamente, pero es plausible de
tener fallos. Por esta razón, hay que trabajar con mucho cuidado.
Atención, peligro de cortocircuito: en caso de que los bornes de conexión estén muy próximos
como p. ej., en la célula solar, hay que prestar atención a que las pinzas de cocodrilo de los dos
cables de conexión no se toquen entre sí.
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Fig. 16:
Incorrecto: las
pinzas de
cocodrilo se
tocan, por lo
que se produce
un cortocircuito.
Fig. 17. Correcto:
se mantiene una
distancia segura:
las pinzas de
cocodrilo no se
pueden tocar,
incluso si se
mueven los
cables.
Cómo colocar los cables de manera limpia en una conexión en paralelo
En caso de que se coloquen demasiadas pinzas de cocodrilo en un borne de conexión (p. ej., en
las células solares), es muy probable que se produzca un cortocircuito o un falso contacto. Aquí
es conveniente conectar cada célula solar por separado a un par de cables y, realizar la conexión
en paralelo a través de los puntos de cruce de los otros extremos de los cables.
Uso de pilas y acumuladores
Los acumuladores deben ser recargados inmediatamente después de ser utilizados y/o si no han
sido utilizado por un tiempo prolongado. Las pilas y los acumuladores no deben cortocircuitarse
nunca. En un cortocircuito pasa, durante unos instantes, corriente de varios amperios (tratándose
de pilas alcalinas de manganeso, p. ej., de hasta 80 A). En el mejor de los casos, se descargan
por completo y se rompe la pila o el acumulador. Pero en el peor de los casos, se produce una
explosión y se prende fuego. También si se calienta el acumulador puede producirse una
explosión. Las pilas y los acumuladores no deben ser tirados a la basura normal sino que hay que
recolectarlos para que sean reciclados.
Averiguar en cada localidad el tratamiento establecido para el desecho de pilas.
Símbolos utilizados en los esquemas de conexión
Para poder “leer” las conexiones, tienen que conocer los principales símbolos utilizados.
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Aparato Símbolo de conexión
Observaciones Especiales
Voltímetro o Medición de la Tensión
El multímetro digital se convierte en un voltímetro al seleccionar las funciones de medición de corriente continua o alterna en milivolts o volts.
Amperímetro o Medición de la
Intensidad
El multímetro digital se convierte en un amperímetro, al seleccionar las funciones de corriente continua o alterna en miliamperios o amperios.
Diodo Luminoso
patita corta = polo negativo; patita larga = polo positivo
Motor
En el motor, el polo positivo se define por lo general de forma que, al aplicar tensión continua, el motor gira en el sentido de las agujas del reloj.
Célula Solar
La célula solar tiene - al ser un componente plano - un símbolo de conexión propio, diferente del diodo fotovoltaico. ¡Prestar atención – para evitar confusión!
Acumulador, pila
Ninguna observación
Resistencia
Ninguna observación
Potenciómetro
Resistencia variable; es posible regular la resistencia a través de un contacto variable corredizo.
Condensador
En un condensador de pequeña capacidad; aquí no es importante la polaridad.
Condensador Electrolítico
Para los condensadores de gran capacidad se utilizan electrolitos. Por ello, es importante la polaridad ya que pueden romperse en caso de ser equivocada.
Foco Eléctrico
Ninguna Observación
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Para el profesor
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Actividad 1: Los limones y otras pilas – La electricidad a partir de la Energía
Química
Esta presentación de experimentos parciales forma una secuencia didáctica, inicia con los
conocimientos básicos del fenómeno de la “célula electroquímica” en base a pilas simples de fruta
o verdura, para concluir con la construcción de potentes acumuladores y pilas.
De esta forma, se puede abordar el tema de la electroquímica, así como aplicar en la práctica los
conocimientos sobre las reacciones de reducción y oxidación. Es importante destacar que los
experimentos pueden realizarse también de forma individual.
El docente, tendrá en cuenta el grado de profundidad de acuerdo a su necesidad.
Pregunta central
Las pilas desempeñan un papel importante en la vida cotidiana, altamente tecnificada . Sin ellas
no “funciona” el teléfono celular o el reproductor de música MP3 ni la linterna . El objetivo consiste
en determinar de dónde proviene la energía eléctrica generada de forma química. En el caso
más simple, mediante la combinación de dos metales.
El punto de partida es, el popular aunque con frecuencia engañoso, experimento con la pila de
limones; aquí se le quitará la “magia”, de forma que los alumnos después de realizar todos los
experimentos puedan comprender en forma básica cómo funcionan las pilas químicas.
Se aprenderá a distinguir entre metales nobles y comunes, la importancia de electrolitos y cuál es
la estructura de un circuito eléctrico en las medio células combinadas. Siguiendo pautas de trabajo
científicas tienen la posibilidad de variar en forma sistemática el experimento captando los
principios subyacentes para comprender de dónde proviene la energía eléctrica producida.
Integrar el experimento en el contexto educativo
Base científica
La serie de tensión electroquímica de los metales será un elemento fundamental para entender de
forma científica algunos fenómenos importantes en nuestras vidas. El aprovechar las diferencias
electroquímicas de los metales en las pilas, es al mismo tiempo su principal aplicación. La
profundización de los conocimientos relativos a los procesos de reducción - oxidación, en los que
se ceden y absorben electrones y el aprovechamiento de la energía liberada, son los fenómenos
que se estudiarán en estos experimentos.
Se recomienda que los alumnos posean conocimientos previos sobre electricidad. En particular,
deberían conocer los principios subyacentes de la conexión en serie y en paralelo.
Relevancia en el Diseño Curricular
Los procesos de reducción - oxidación que tienen lugar en las pilas forman parte de los
contenidos de una clase orientada a ampliar los conocimientos básicos de Ciencias Naturales.
Según el país, se encuentra en los diseños curriculares de la escuela secundaria básica (local) y,
con mayor profundidad en los trayectos disciplinares para la actual secundaria orientada. Dado
que los alumnos de 10 a 12 años ya sienten curiosidad por ver cómo y con qué funcionan los
aparatos eléctricos, los experimentos propuestos se podrán utilizar también con alumnos de
Para el profesor
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menor edad. A la inversa, en todo momento se puede ampliar y profundizar hasta llegar al nivel de
las partículas y de la transferencia de electrones.
Si bien las pilas generalmente son consideradas un tema a tratar en la asignatura de Química, los
acumuladores modernos son en igual medida objetos de interés para la Física. Por esta razón, el
tema se puede abordar en forma transversal e interdisciplinaria.
Temas y terminología:
El acumulador - La pila - La serie de tensión electroquímica de los metales - El electrolito - La
producción de energía en las reacciones químicas - La media célula en la electroquímica - Las
soluciones alcalinas - Las reacciones de reducción – Oxidación - Las soluciones salinas - Los
ácidos - El separador - La conexión en serie - La tensión - La intensidad - La fuerza de las
reacciones químicas - El hidrógeno
Conocimientos a adquirir
Que los alumnos...
Comprendan la fuerza de accionar que tienen las reacciones químicas (el potencial
eléctrico, la fuerza electromotriz).
Reconozcan la naturaleza noble o común de los metales como parámetro de su
reactividad y su potencial como suministradores de energía.
Aprendan los conceptos de “reacción química” y “producción de energía en las reacciones
químicas”.
Aprendan a analizar un fenómeno aplicando el método científico, a través de la variación
sistemática de diferentes factores individuales.
Dichos propósitos contribuyen y afianzan la adquisición de competencias educativas, de manera
específica la “adquisición de conocimientos”.
El experimento en el contexto explicativo
La propuesta consta de cinco (5) experimentos parciales, aunque algunos de ellos se pueden
agrupar.
El docente puede observar desde la sorpresa que le genera al alumno realizar la experiencia,
hasta la comprensión y explicación del fenómeno reproducido. Pudiendo formular conclusiones y
contextualización causal.
Experimento parcial 1: ¿Cómo funciona la “pila de frutas y/o verduras”?
Consiste en construir la “pila de frutas o verduras” con cobre (Cu) y zinc (Zn) para poner a prueba
su potencia. Así, se enseñan términos y las condiciones utilizados durante toda la experiencia.
El material disponible en la caja permite que trabajen ocho (8) grupos de alumnos en forma
simultánea. El multímetro debe compartirse entre los grupos o disponer de equipos adicionales.
Atención: Si el diodo LED con “la pila de fruta/verdura” conectada no se prendiera, no
necesariamente significará que haya un error. Podrá ser que la pila utilizada en el mejor de los
casos no suministra más de 1,1 V. Además, el LED utilizado en la comprobación sólo se prende a
partir de una tensión mínima de aprox. 1,7 V.
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Los alumnos notarán que el LED se prenderá al utilizar varias pilas de fruta y verdura conectadas
en serie.
Según la fruta o verdura utilizada, y el estado de oxidación de los electrodos, la potencia de la pila
de la fruta o verdura será demasiado baja como para accionar un motor eléctrico. Es más, sólo
será factible con un pequeño motor solar. (Por cierto, esto supone para el docente una buena
oportunidad de hablar con los alumnos sobre el rendimiento y la eficiencia de las fuentes de
electricidad).
La potencia demasiado baja de “la pila de fruta/verdura” se debe, sobre todo, a que la superficie
de los clavos o electrodos es demasiado pequeña. De ese modo la resistencia interna puede
presentarse demasiado grande o, la intensidad demasiado baja. Al conectar el motor solar se cae
la tensión de nuestra pila. Pero la baja potencia no sólo se debe a la pequeña superficie de los
electrodos, sino, sobre todo, a la falta de iones de cobre en el electrodo.
Experimento parcial 2: La “pila de limones”: ¿Qué función cumple cada
parte?
En un primer paso varían las condiciones experimentales, se intercambian los metales y la fruta o
la verdura como conductores de forma sistemática. El objetivo será que los alumnos saquen como
primera conclusión la noción de que siempre tiene que haber diferentes metales que se combinen
entre sí, de forma que la corriente eléctrica no salga “del limón” y que el medio conductor se
pueda sustituir. Sólo si se utilizan dos metales diferentes se creará una tensión. La solución salina
(una solución de iones) en la fruta o la verdura establecerá a modo de electrolito la conexión
necesaria entre los clavos de metal (los electrodos): Así se cierra el circuito eléctrico.
El material disponible en la caja permite que trabajen ocho (8) grupos de alumnos en forma
simultánea. El multímetro debe compartirse entre los grupos o disponer de equipos adicionales.
Experimento parcial 3: La “pila de limones” sin limones
En la “pila de limones” sin limones cambia el electrolito. El experimento con el ácido cítrico crea la
impresión de que depende de una fruta determinada o incluso del ácido. Al utilizar con éxito la sal
de mesa se tiene que utilizar un medio acuoso en el que los iones deben estar sueltos. De esta
forma la función del electrolito es cerrar el circuito eléctrico mediante la conducción de iones.
El material disponible en la caja permite que trabajen ocho (8) grupos de alumnos en forma
simultánea. El multímetro debe compartirse entre los grupos o disponer de equipos adicionales.
Experimento parcial 4: Una pila que soporta mucha carga
Importante: En caso de que no dispongan de sulfato de cobre este experimento parcial hay que
omitirlo.
La pila de cobre y zinc con fruta o verdura, como con ácido o con salmuera, es una célula de
hidrógeno y zinc. Con la media célula de cobre el electrodo queda inmerso en una solución de Cu.
En realidad, en el lado del cobre sólo quedan trazas de Cu disueltas, de forma que al someter el
electrodo de cobre a una pequeña carga ya no se separa cobre sino hidrógeno (del H del
electrolito).
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En nuestro experimento, al sustituir la sal de mesa por sulfato de cobre, se consigue que el
electrodo de cobre pase de ser un electrodo de hidrógeno en una verdadera media célula de
cobre.
El experimento parcial 4 se puede utilizar para definir los primeros referentes de la serie de
tensión de los metales en base a los valores de medición obtenidos en el experimento. Sin
embargo, no se puede esperar una coincidencia demasiado buena con los valores científicos de la
tabla. También la normalización en el electrodo estándar de hidrógeno tiene que producirse en
otro lugar. Si se les indica a los alumnos que los valores de la serie de tensión de los metales
están fijados en concentraciones normales, es decir, que la tensión depende de la concentración,
no hay más contradicción con los valores determinados por ellos. Por cierto, esto es algo que
conoce todo el mundo: cuanto más gastada esté una pila común, tanto menor la tensión.
El material disponible en la caja permite que trabajen ocho (8) grupos de alumnos en forma
simultánea. El multímetro debe compartirse entre los grupos o disponer de equipos adicionales.
Experimento parcial 5: Una pila profesional de zinc y cobre
Importante: En caso de que los alumnos no pudieran realizar el experimento parcial 4 deberían
aprovechar este experimento para aclarar los aspectos allí abordados.
Como se vio en el experimento parcial 4 la tensión y la corriente bajan rápidamente si se exponen
a una carga. Para evitarlo hay que separar como en todas las pilas y los acumuladores
comercializados, los espacios de electrolitos de ambos electrodos mediante un separador (una
membrana parcialmente permeable). De esta forma se evita una mezcla y así un cortocircuito
interno. Al respecto, los alumnos pueden construir para finalizar una pila Daniell. Aún cuando se
utilice sólo una servilleta como separador, se verá claramente el principio subyacente. (Hoy en
día, en la técnica se suele usar por lo general una lámina plástica con un tamaño definido de los
poros, de forma que los iones necesarios para el circuito eléctrico interno (p. ej. el cloruro o
sulfato) puedan pasar pero no los iones de metal.
Finalmente, la idea es transferir todo lo estudiado a la pila de limones del experimento parcial 2.
Se puede reconocer que allí las membranas celulares de las células vegetales fungen como
separadores. Según los conocimientos previos de los alumnos o del grupo de edad al que
pertenezca el docente debería plantear al final la ecuación escrita o la fórmula para las células
electroquímicas y las reacciones que tienen lugar en ellas.
El material disponible en la caja permite que trabajen ocho (8) grupos de alumnos en forma
simultánea. El multímetro debe compartirse entre los grupos o disponer de equipos adicionales.
Variantes de ejecución
Todos los experimentos pueden ser realizados de forma individual o en pequeños grupos. Al
variar los metales así, como en los experimentos de larga duración el trabajo en equipo es una
ventaja.
Esto vale siempre que se pretende extraer conclusiones a partir de constataciones. En estas
situaciones ha dado buenos resultados el método 1-2-4, en el que primero cada alumno aclara
sólo las conclusiones que saca y luego las comenta con su par (alumno). A continuación, en un
Para el profesor
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grupo de cuatro (4) integrantes se ponen de acuerdo y obtienen una explicación que escriben o
presentan a toda la clase (1-2-4-todos).
En todos los experimentos se observan valores de medición que pueden variar mucho. Esto se
debe a los numerosos factores distorsionantes como el contenido diferente de agua o ácido en las
frutas, las propiedades de la superficie del metal, los contactos entre el metal y el gancho, etc.
La profundización en los procesos a nivel de partículas debe hacerse en función del grupo de
aprendizaje que se trate. La base de un examen en profundidad es el concepto de los iones,
incluyendo el conocimiento de que los iones en todas sus propiedades se diferencian de los
átomos correspondientes porque llevan una carga.
A fin de destacar la importancia de las pilas comunes se pueden utilizar también otras cargas
(p.ej., un reloj). Si se requiere una tensión más alta pueden combinarse varias pilas Daniell.
Mediante una conexión en serie se logra de esta forma aprox. + 1 V (atención: ¡no pasarse de 10
V!).
Una variante interesante es la así llamada pila voltaica, en el que se combinan varias placas de
metal de forma vertical.
Informaciones adicionales sobre el experimento
Para preparar y/o profundizar este experimento encontrará información adicional en el portal de
medios de la Fundación Siemens:
https://medienportal.siemens-stiftung.org/
Observaciones sobre la realización del experimento
Lugar en el que se realiza el experimento
No se requiere un lugar especial para realizar los experimentos.
Fig. 1: La célula electroquímica en base al
ejemplo de zinc y cobre (la pila Daniell).
Fig. 2: Esquema general de la célula
electroquímica como sistema de
reducción oxidación.
Para el profesor
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Tiempo necesario
Preparación y realización Evaluación
Experimento parcial 1 10-15 min. 15 min.
Experimento parcial 2 15-20 min. 20 min.
Experimento parcial 3 15-20 min. 10 min.
Experimento parcial 4 hasta 1 h (dependiendo del grado
de detalle) 20 min.
Experimento parcial 5 20 min. con elaboración de las
fórmulas 30-40 min. 15 min.
Advertencias de seguridad
Los experimentos sólo pueden ser realizados bajo la vigilancia del docente.
Hay que advertir a los alumnos que los materiales suministrados sólo deben utilizarse siguiendo
las instrucciones correspondientes.
En estos experimentos tenga en cuenta los siguientes peligros y llame la atención de sus alumnos
al respecto:
Procure que los materiales y aparatos no se dañen a causa del agua.
Hay que procurar que el acumulador no tenga un cortocircuito. ¡Hay peligro de explosión y
de incendio!
El ácido cítrico está clasificado como irritante, en pequeñas cantidades, sin embargo, es
inocuo (forma parte de muchos alimentos, el ciclo de ácido cítrico en el cuerpo humano).
Hay que aplicar la indicación de riesgo (irrita los ojos) y la indicación de seguridad (si entra
en contacto con los ojos hay que enjuagar a fondo con agua y consultar al médico). En los
experimentos con ácido cítrico hay que llevar gafas protectoras.
Al manipular el sulfato de cobre hay que procurar que no entre en contacto con la piel, que
no se ingiera y que al acabar el experimento se recojan y eliminen todas las soluciones
que contienen sales de cobre. El sulfato de cobre está clasificado como peligroso para la
salud y contaminantes. Aunque hay que tener en cuenta que sólo es peligroso para la
salud si se ingiere en grandes cantidades o si entra en contacto durante mucho tiempo con
la piel.
Aparatos y materiales
A adquirir o preparar de manera previa:
Fruta (limón, naranja, kiwi, manzana)
Verdura (pepino, papa, calabacín), de ser posible que sea jugosa
Para el profesor
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Agua
Sulfato de cobre
El sulfato de cobre requerido no se puede suministrar en la caja. Pero se puede comprar en los
comercios que venden productos para experimentar en los laboratorios escolares. Además, a
nivel internacional se compra en las tiendas que venden productos para las piscinas y peceras o
acuarios.
Incluido en el suministro:
El cableado y la utilización correcta del multímetro, los LED y el motor es algo que debería aclarar
el profesor de antemano en función de los conocimientos previos, si hace falta haciendo una
demostración.
Para un grupo de alumnos se requieren los siguientes materiales de la caja:
Material Cantidad
Frasco 100 ml con tapa 3x
Servilletas 1x
Multímetro digital 1x
Hélice chica 1x
Banda elástica 2x
Cuchara metálica 1x
Sal de mesa, caja 1x para toda la clase
Clavos de cobre (como electrodo) 2x
LED rojo 1,7 V 1x
Juego de cables de medición 1x
Clavo hierro 2x
Broche plástico (sujeta motores) 1x
Recipiente contenedor 1x
Gafas protectoras 1x
Motor solar pequeño 1x
Cables con pinza de cocodrilo 6x
Clavo de zinc (como electrodo) 2x
Acido cítrico 30 g 1x para toda la clase
Portapilas 1 x
Pilas AA 2 x
Poner orden, eliminar residuos, reciclar (reutilizar)
Todos los aparatos y casi todos los materiales suministrados en la caja se pueden reutilizar.
Por ello debería asegurarse de que al concluir cada experimento coloquen todo nuevamente en la
caja correspondiente. Así estará seguro de que encontrará todo rápidamente cuando lo quieran
volver a utilizar. Los aparatos que se hayan ensuciado al realizar los experimentos, como, p.ej.,
vasos, recipientes, cucharas, tubos de ensayo, deberían ser limpiados antes de colocarlos en las
cajas. Lo más fácil es que los alumnos se ocupen de hacerlo al finalizar el experimento. Además,
asegúrese de que los aparatos estén listos para ser utilizados en la próxima ocasión. Por ejemplo,
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hay que poner a cargar las pilas usadas. (También es recomendable cuando no se han usado las
pilas desde hace tiempo).
Los materiales no reciclables como, p.ej., las servilletas usadas, deben ser tirados el cesto de
materiales no reciclables. Los residuos resultantes de este experimento se pueden tirar al cesto
de materiales no reciclables o por el desagüe.
Excepción: La solución de sulfato de cobre debe ser eliminada como residuo químico inorgánico.
Para los alumnos
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Actividad 1: Los limones y otras pilas – La electricidad a partir de la Energía
Química
1) ¿Cómo funciona la “pila de frutas y/o verduras”?
Seguramente ya habrán visto que alguien introduce dos electrodos metálicos en un limón y con
ello logra que se encienda una lamparita. Prueben ustedes cómo funciona una pila de fruta o
verdura y qué se necesita para ello.
Aparatos y materiales
1 multímetro digital
1 juego de cable de medición
1 motor solar pequeño
4 cables con pinza de cocodrilo
1 hélice chica
1 pepino u otra verdura
1 LED rojo
2 clavos de cobre (como electrodos)
1 limón u otra fruta
2 clavos de zinc (como electrodos)
Atención: Al acabar el experimento, los materiales deben ser guardados en la caja o depositados
en los cestos correspondientes, siguiendo las instrucciones del docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Realización del experimento
Insertar un clavo de cobre y otro de zinc en la fruta o verdura, p.ej. en el pepino.
Insertar la hélice en el motor y conectarlo. ¿Funciona el motor?
Comprobar con el LED, ¡Probar con las dos polaridades!
Medir la tensión eléctrica entre los dos clavos usando el multímetro. Elegir un intervalo de
medición razonable. ¿Dónde se obtiene la mejor resolución, en 2000 mV o en 20 V? (Fig. 1 y 2)
Medir la intensidad entre los dos clavos usando el multímetro. Elegir un intervalo de medición
razonable. (¿Dónde se obtiene la mejor resolución, en 2.000 µA o en 20 mA?)
Determinar qué electrodo (el de zinc o el de cobre) constituye el polo positivo o negativo de la pila
de fruta.
Ahora tomar dos pedazos de fruta o verdura, insertar en cada una un clavo de cobre y otro de
zinc. Luego conectar las dos “pilas” en serie, con los cables con pinza de cocodrilo del cobre al
zinc.
Ahora probar con el LED y medir la tensión. (Fig. 3 y 4)
Si el LED no se enciende repetir la prueba con tres/cuatro frutas o verduras trabajando en
conjunto con otro grupo.
Para los alumnos
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Fig. 3: El LED en dos “pilas de
verdura” conectadas en serie.
Fig.2: La medición de la tensión en
una pila de fruta.
Observación
Apuntar lo observado en las distintas fases del experimento.
Evaluación
Resumir los resultados de la siguiente manera:
a) El motor con la hélice se pone en marcha cuando...
b) El diodo LED se prende cuando...
c) El multímetro indica...
Preguntas
En su opinión: ¿La corriente realmente sale del limón o cuál es la verdadera causa?
Fig.1: Esquema eléctrico para
las mediciones en una célula
electroquímica (la “pila”).
Fig. 4: El esquema de la conexión
en serie con dos células
electroquímicas
Para los alumnos
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Fig. 5: La medición de diferentes
combinaciones de metales
2) La “pila de limones”: ¿Qué función cumple cada parte?
Con estos ensayos pueden esclarecer qué elementos se requieren para fabricar la “pila de
limones” y para qué sirven.
Aparatos y materiales
1 multímetro digital
1 juego de cables de medición
4 cables con pinza de cocodrilo
1 pepino, papa u otra verdura
1 limón u otra fruta
2 clavos de cobre (como electrodos)
2 clavos de hierro (como electrodos)
2 clavos de zinc (como electrodos)
Atención: Al acabar el experimento, los materiales deben ser guardados en la caja o depositados
en los cestos correspondientes siguiendo las instrucciones del docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Realización del experimento
Cambiar en forma alternada la “pila de fruta o verdura”: combinar
o intercambiar clavos de distintos materiales (Cu con Cu, Zn con
hierro, Zn con Zn).
Fijar un cable con pinza de cocodrilo en cada clavo y el otro
extremo del cable al multímetro. Observar y registrar los valores
de tensión obtenidos. (Fig. 5)
¿Qué pasa si se saca un clavo de la fruta o la verdura?
¿Qué pasa si se combinan los metales entre sí?
Reflexionar: ¿Con qué otra fruta o verdura se podrían realizar
estas experiencias? ¡Hagan la prueba!
Observación
Escribir las observaciones de forma resumida. ¿Cambia la tensión en función de la fruta o la
verdura utilizada para clavar el clavo?
Evaluación
¡Verificar los resultados! Colocar por orden los tres metales utilizados en el experimento y las
combinaciones entre ellos en función de las tensiones medidas.
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¿De qué depende que la tensión de una pila sea alta o baja según lo observado?
Preguntas
a) Explicar qué tiene que ver este experimento con la serie de tensión de los metales.
b) Reflexionar con el grupo de clase sobre otros elementos capaces de suplantar a las frutas y
verduras para formar, así, un circuito eléctrico.
c) Señalar qué tienen en común las frutas o las verduras.
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3) La “pila de limones” sin limones
Como saben, los limones, el pepino, la papa, la naranja, etc. sirven para cerrar el circuito eléctrico
entre los diferentes clavos metálicos. Ahora deberían examinar qué pueden utilizar en vez de la
fruta o la verdura para establecer la conexión. Seguramente sospecharán que el agua juega un
papel importante, porque cuanto más jugosa la fruta o la verdura, mejor funcionarán las “pilas”.
Aparatos y materiales
3 frascos 100 ml*
1 broche plástico (sujeta motores)
1 gafas protectoras
1 motor solar pequeño
4 cables con pinza de cocodrilo
1 multímetro digital
1 hélice chica
Sal de mesa
1 clavo de cobre (como electrodos)
1 juego de cable de medición
1 clavo de zinc (como electrodos)
Ácido cítrico
Agua
1 Cuchara
*En el caso de armar varios grupos de trabajo en simultáneo los frascos de 100ml. con soluciones
pueden compartirse.
Atención: Al finalizar la experiencia, los materiales que puedan ser reutilizados deberán ser
guardados, aquellos que no, depositados en el lugar que corresponda según las instrucciones del
docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
En el puesto de trabajo no debe haber materiales que puedan dañarse con agua.
¡Utilizar durante todo el experimento las gafas protectoras! En caso de sufrir una salpicadura o
entrada de ácido cítrico en los ojos o sobre la piel, enjuagar la zona afectada en forma inmediata
con agua limpia.
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Realización del experimento
¡Utilizar las gafas protectoras!
Variar la “pila de limones” en forma alternada, sustituyendo la fruta o
la verdura por un frasco llenado en ¾ partes por los siguientes
líquidos:
Sólo agua de la canilla (enjuagar antes el frasco).
Agua de la canilla en la que han disuelto un poco de ácido
cítrico.
Agua de la canilla en la que han disuelto una cucharadita de
sal de mesa
Colocar el clavo de cobre y el de zinc ¡sin que entren en contacto!
Con ayuda del multímetro anotar los valores de la tensión para los
diferentes electrolitos (el agua limpia, el ácido, la salmuera) en una
pequeña tabla. (Fig. 6)
Describir qué sucede si el motor es conectado en paralelo con el
voltímetro, en el circuito eléctrico. (Fig. 7)
Observaciones
Escribir las observaciones de forma resumida.
Evaluación
¿Se puede medir una tensión entre los clavos metálicos con agua de
la canilla?
Describir lo que sucedió al sustituir el agua por salmuera o una
solución con ácido cítrico. ¿Qué valores se obtuvieron para la
tensión?
Explicar las consecuencias que tiene para la tensión si hay una carga
en el circuito eléctrico.
Preguntas
Muchas personas creen que se requiere ácido para poder generar electricidad con una célula
electroquímica. Explicar por qué funciona con la sal de mesa.
La solución mayormente acuosa en el interior de cada pila o acumulador se denomina electrolito.
Explicar lo que tiene que tener un electrolito para que pueda funcionar.
Fig.6: La medición de los
valores obtenidos.
Fig.7: El experimento con
el motor.
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4) Una pila que soporta mucha carga
En una pila compuesta de dos metales se disuelve lentamente el metal menos noble formando
una sal.
Al mismo tiempo, el metal más noble tiene que poder separarse de la solución de su sal.
En este caso se puede conseguir una mayor “potencia”, lo que muestran los siguientes
experimentos.
Aparatos y materiales
1 frasco 100 ml
1 multímetro digital
1 broche plástico (sujeta motores)
gafas protectoras
1 motor solar pequeño
8 cables con pinza de cocodrilo
1 hélice chica
1 cuchara metálica
1 clavo de cobre (como electrodo)
sulfato de cobre
1 juego de cable de medición
1 clavo de zinc (como electrodo)
Atención: Al acabar el experimento, los materiales deben ser guardados en la caja o depositados
en el cesto que corresponda según las indicaciones del docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
En el puesto de trabajo no debe haber materiales que puedan dañarse con agua.
¡Utilizar durante todo el experimento las gafas de seguridad! Eviten que el sulfato de cobre entre
en contacto con la piel. En caso de sufrir una salpicadura de sulfato de cobre en los ojos o sobre
la piel enjuagar en forma inmediata con agua limpia.
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Realización del experimento
¡Utilizar los anteojos de seguridad!
Llenar la mitad del frasco con agua y disolver en él una punta de
la cuchara metálica de sulfato de cobre revolviendo ligeramente.
Colocar el clavo de cobre y el de zinc en la solución y determinar
la tensión usando el multímetro.
Luego conectar el multímetro y el motor en serie con los dos
clavos y midan la intensidad. En caso de ser necesario, mover un
poco los clavos, para que el motor arranque. (Fig. 8)
Observaciones
Escribir las observaciones de forma resumida.
Evaluación
a) ¿Qué valores se pueden medir para la tensión y la corriente?
b) ¿Qué potencia tiene la pila calculándola a partir de la tensión y la intensidad medidas?
c) ¿La potencia obtenida es mayor que en los experimentos 1 y 3? ¿Por qué?
d) ¿Qué cambios se pueden observar en el clavo del metal menos noble? Visiblemente una
sustancia se separa. Explicar en qué podría consistir esa separación.
e) Reflexionar sobre si esa sustancia que se separa es buena o mala para la potencia de la pila y
registrar las conclusiones.
Preguntas
a) ¿Cómo evitar la separación en el metal menos noble?
b) En realidad en una pila debería disolverse el metal menos noble, por lo que en el electrodo
menos noble no tendría que producirse una separación. ¿Cómo se puede utilizar en la práctica la
separación en el metal menos noble?
Fig. 8: El experimento con el
motor.
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5) Una pila profesional de zinc y cobre
A fin de evitar que una parte de la sal de cobre se separe del metal menos noble en un
cortocircuito hay que separar ambos metales y las soluciones que los rodean. A pesar de ello
ambos líquidos deben dejar pasar la corriente eléctrica y tienen que estar conectados de forma
que se mantenga la conductividad. Con este fin imitaremos un experimento desarrollado por el
químico Daniell hace más de 150 años. Por ello, una pila o acumulador fabricado con cobre y zinc
también es denominada “pila Daniell”.
Aparatos y materiales
1 portapila
2 pilas AA
1 servilleta
1 recipiente contenedor
1 motor solar pequeño
4 cables con pinza de cocodrilo
1 frasco 100 ml
1 multímetro digital
1 hélice chica
gafas protectoras
bandas elásticas
1 cuchara metálica
sal de mesa
1 clavo de cobre (como electrodo)
1 juego de cable de medición
agua
1 clavo de zinc (como electrodo)
Atención: Al acabar el experimento, los materiales deben guardarse en la caja y/o depositados en
el cesto correspondiente según las instrucciones del docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
En el puesto de trabajo no debe haber materiales que puedan dañarse con agua.
¡No hagan un cortocircuito con la pila! ¡Hay peligro de explosión y de incendio!
Realización del experimento
Preparar los dos clavos y cortar un pedazo de servilleta que tenga el ancho similar al largo de los
clavos.
Poner ambos clavos sobre la servilleta en dirección contraria y envolverlos. Ahora sólo se ven las
cabezas de los clavos en los dos extremos. (¡Los clavos no deben tocarse, tienen que estar bien
separados por el papel!). (Fig. 9)
Fijar el “paquete de electrodos” con 2 bandas elásticas (Fig. 10)
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Ahora llenar ¾ partes del frasco con agua y disolver una punta de la cuchara de sal revolviendo
en forma constante.
Colocar el “paquete de electrodos” en el recipiente contenedor y mojarlo con la salmuera. Ahora
retirar el “paquete de electrodos” del recipiente. (Fig. 10)
Conectar el multímetro y medir la tensión.
Conectar las dos cabezas de los clavos con un cable de cocodrilo, respectivamente, y los otros
extremos de los cables con los bornes del motor. (Fig. 11)
Medir la tensión tras conectar el motor.
Cargar el “paquete de electrodos” durante aprox. 5 min. conectando el portapilas con las pilas AA
en su interior (el polo positivo al cobre, el negativo al zinc). (Fig. 12)
¿Pueden observar un cambio de color alrededor del clavo de cobre?
Al desconectar las pilas del “paquete de electrodos” cargado, volver a conectarlo con el motor.
¡Medir aquí nuevamente la tensión!
Fig. 9: Cómo envolver los electrodos en
un pañuelo de papel. Fig. 10: El paquete de electrodos listo,
mojado con la solución de salmuera.
Fig. 11: El accionamiento del motor
eléctrico con nuestra “pila Daniell”. Fig. 12: Cómo cargar el
paquete de electrodos
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Observación
Escribir las observaciones de forma resumida.
¿Cuánto ha cambiado la tensión al conectar el motor?
Evaluación
Explicar qué función tiene la servilleta en este experimento.
Explicar por qué eso hace que la potencia de la pila sea por lo general mayor que en los
experimentos 1, 3 y 4.
Preguntas
Si cuentan con conexión a internet, buscar de qué se compone la membrana de separación en las
pilas y los acumuladores modernos. Transferir los resultados a los de la pila de limones en el
experimento 1.
Escribir las ecuaciones de las reacciones para los dos electrodos y para todo el proceso. Primero
escribir una ecuación con palabras y luego formular la ecuación.
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Actividad 2: Las propiedades de las células solares – Tensión, corriente y
potencia
Si se realizan los experimentos parciales para investigar las propiedades eléctricas de las células
solares siguiendo el orden que se propone aquí forman una unidad lectiva. Esta sirve en la teoría
de la electricidad para verificar experimentando los conocimientos básicos adquiridos.
La electricidad a partir de la energía solar contribuye a motivar a los alumnos, por su actualidad; al
igual que las energías renovables y la restructuración de la política energética. Esto se aborda a
través y por medio de los experimentos. Sin embargo, hay que tener en cuenta los conocimientos
previos de los alumnos.
Pregunta central
Las células solares se aplican en numerosos aparatos y juguetes electrónicos pequeños; así
como en los tejados de las casas y en las grandes centrales solares para la generación de
electricidad. La pregunta que pretenden responder los experimentos se refiere a lo que se debe
tener en cuenta al conectar las células solares entre sí:
¿Qué sucede con la tensión, la intensidad y la potencia en las diferentes combinaciones y
en condiciones de iluminación dispares? Y, por último, ¿cómo se puede medir?
Los experimentos transmiten de esta forma, conocimientos básicos que sirven tanto para construir
células solares como para su aprovechamiento técnico a gran escala.
Integrar el experimento en el contexto educativo
Base científica
Para realizar los experimentos se requieren los siguientes conocimientos previos y experiencias:
conocimientos sobre las conexiones en serie y en paralelo de pilas y resistencias
experiencia en el uso de un multímetro
conocimientos sobre los términos básicos de la teoría de la electricidad (la intensidad, la
tensión, la resistencia, la potencia)
experiencia al elaborar diagramas
conocimientos sobre el concepto de resistencia interna
Relevancia en el diseño curricular
Los experimentos sobre la célula solar pertenecen al campo de la teoría de la electricidad.
Para el experimento parcial 1 se requieren sólo conocimientos básicos sobre los circuitos
eléctricos. Los experimentos parciales 2 y 3 son adecuados para los grupos de edad a partir de
los 12 años. Los experimentos parciales 4 a 6 exigen en comparación con los anteriores una
reflexión más abstracta y teórica y se recomiendan para el grupo de edad a partir de los 14 años.
Temas y terminología:
El sombreado - El acumulador - La pila - La teoría de la electricidad - El abastecimiento energético
La fuente de tensión continua - La resistencia interna - La corriente de cortocircuito - La
resistencia de carga - La tensión en vacío - La curva de medición - La conexión en paralelo - La
conexión en serie - La tensión de conexión (del diodo) - El motor solar - La célula solar - La caída
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de tensión - El circuito eléctrico - La curva de tensión e intensidad U-I - La manipulación de
aparatos de medición - La interconexión de módulos solares - La resistencia
Conocimientos a adquirir
Los alumnos aprenden a...
describir cómo funciona una célula solar.
investigar los factores que influyen en el rendimiento de una célula solar siguiendo un plan.
preparar y realizar experimentos con células solares siguiendo un plan.
explicar los conceptos de cortocircuito y tensión en vacío.
describir y comparar entre sí la conexión en serie y en paralelo de células solares y su
efecto.
evaluar la conexión en serie y en paralelo de células solares respecto a su importancia en
la práctica.
describir la importancia de la resistencia interna de una célula solar para las aplicaciones
prácticas.
El experimento en el contexto explicativo
Las células solares transforman la energía de la radiación del Sol en energía eléctrica. Esto se
manifiesta por medio de la tensión que se forma en la célula solar, que en el caso de las células
solares aquí utilizadas alcanza un valor máximo de aprox. 1 V (tensión en vacío). Si se
cortocircuita la célula solar, fluye una intensidad máxima de aprox. 0,08 A (intensidad de
cortocircuito). (¡Una pila alcalina de manganeso tiene, en cambio, una corriente de cortocircuito a
corto plazo de hasta 80 A!) A diferencia de lo que conocen los alumnos al manipular las pilas
alcalinas de manganeso, la tensión de las células solares baja en forma considerable cuando se
integra una carga en el circuito eléctrico (p. ej., un foco o un motor solar).
La diferencia se debe a la resistencia interna de la célula solar, que en comparación con la
resistencia de esas cargas es relativamente alta. A diferencia de lo que sucede con pilas
recargadas, la resistencia interna de las células solares no es constante, sino que depende de la
intensidad de la iluminación.
Este hecho hace que sea fácil la interconexión de células solares, mientras que no se integre una
carga en el circuito eléctrico. Sin embargo, las relaciones son mucho menos visibles cuando hay
una carga en juego y si las condiciones de luz no son óptimas. Para entender la aplicación
concreta de las células solares en la práctica hay que tener en cuenta estas relaciones complejas.
Si el objetivo principal consiste en analizar las células solares como componentes electrónicos e
integrarlas en el contexto de la teoría de la electricidad tradicional, entonces es importante realizar
experimentos teóricos en células solares no sometidas a carga. Los experimentos parciales tienen
en cuenta ambos objetivos de igual manera y tienden un puente entre las dos perspectivas
diferentes.
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Experimento parcial 1: Conocimientos básicos de una célula solar
Este experimento aporta una primera base para los demás experimentos. El objetivo consiste en
quitar a los alumnos el miedo a manipular material de experimentación. Por esta razón se integró
el estudio del efecto de los diferentes materiales transparentes que sirven para cubrir las células
solares a modo de componente lúdico y de exploración. También se pueden estudiar otros
factores de influencia.
Como indicador sirve aquí el motor solar, que si bien no permite obtener resultados muy precisos,
refuerza el carácter lúdico del experimento.
El material disponible en la caja permite que trabajen ocho (8) grupos de alumnos en forma
simultánea. La lámpara halógena debe compartirse entre los grupos o disponer de equipos
adicionales.
Importante: Si se emplea una lámpara como fuente de luz, hay que procurar que la distancia de
dicha fuente de luz a la célula solar se mantenga constante con ayuda de una regla.
En la primera parte se trata, además, de reconocer que una célula solar, al igual que una pila, es
una fuente de tensión continua, cuya polaridad es fácil de determinar. De forma complementaria al
experimento parcial 1 podría resultar interesante llevar a cabo una medición cuantitativa de la
intensidad y la tensión cambiando el ángulo de incidencia de la luz. Sin embargo, con las células
solares relativamente pequeñas es difícil de lograr. A este respecto es conveniente construir
dispositivos que faciliten la sujeción de la célula solar en ángulos definidos.
La transferencia de conocimientos
Respecto a la pregunta de si es recomendable instalar células solares sobre el tejado de una casa
es fundamental conocer la orientación del tejado respecto al Sol.
Una capa de suciedad sobre las células solares reduce su efectividad. Por esta razón hay que
limpiar las células solares.
Experimento parcial 2: La intensidad de un cortocircuito y la tensión en
vacío al colocar la lámpara a diferentes distancias
El núcleo de este experimento es estudiar cómo cambian la intensidad y la tensión al modificar la
distancia de la lámpara. Este experimento introduce así, una descripción cuantitativa de las
células solares y de los términos: tensión en vacío y corriente de cortocircuito. El principio básico
de medición se vuelve a utilizar en el experimento parcial 4.
Las curvas de medición dejan claro que la intensidad depende mucho más de la iluminación que
la tensión. Las figuras 1 y 2 sirven de orientación respecto a los resultados de medición previsibles
y la precisión. Además, sirven para entender a qué distancia respecto de la lámpara halógena se
pueden realizar convenientemente las mediciones (véase las figuras 1 y 2).
El material disponible en la caja permite que trabajen ocho (8) grupos de alumnos en forma
simultánea. El multímetro y la lámpara halógena deben compartirse entre los grupos o disponer de
equipos adicionales.
La transferencia de conocimientos
Los cambios en la distancia a la lámpara son equivalentes a una radiación de diferente intensidad.
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El resultado se puede transferir al primer experimento. Al quedar la luz en la sombra cae
drásticamente sobre todo la intensidad. El docente debería indicar los principios subyacentes a la
“caída de la intensidad de la iluminación con la distancia al cuadrado (véase la fig. 1).
Experimento parcial 3: ¿Qué sucede al conectar las células solares en serie
o en paralelo?
Este experimento aborda la cuestión de cómo hay que interconectar las células solares para
mejorar la potencia de un aparato conectado (aquí con el ejemplo del motor solar).
El resultado del experimento depende de forma decisiva de, a qué distancia se encuentra la
lámpara. Si está a una distancia relativamente pequeña de la lámpara la conexión en paralelo
suministra un número muy superior de revoluciones del motor, a una distancia mayor es más
conveniente una conexión en serie. En la variante que se sugiere aquí los alumnos realicen las
mediciones bastante cerca de la lámpara. La célula solar trabaja entonces cerca de su gama de
potencia óptima. Esto corresponde aproximadamente a las mismas condiciones que bajo la
radicación solar. El experimento muestra que en estas condiciones y con este motor solar como
carga, la conexión en paralelo es mucho más conveniente que una conexión en serie. Porque a
menor intensidad de iluminación disminuye la electricidad a partir de la energía solar y la
resistencia interna de la célula solar aumenta. (En el experimento con el foco halógeno baja la
intensidad de la iluminación con la distancia al cuadrado respecto a la fuente de luz). Esto se
contradice con las experiencias típicas adquiridas al interconectar las pilas.
Sólo cuando se construye un modelo de célula solar como fuente de tensión con una resistencia
interna se comprende lo observado: en una conexión en serie se duplica la resistencia interna,
mientras que en una conexión en paralelo se divide a la mitad. La resistencia interna de una célula
solar es, sin embargo, superior a 20 Ω y así tiene una dimensión que equivale a la mitad de la
resistencia del motor. En comparación con ello, las pilas alcalinas de manganeso, p.ej., tienen una
resistencia interna muy baja, del orden de 0,1 Ω, algo que casi no se nota en comparación con la
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resistencia de carga de los consumidores comunes como, p. ej., los juguetes o los aparatos
musicales.
La conexión en serie de dos pilas (no sobrecargadas) tiene el doble de tensión y de potencia.
El material disponible en la caja permite que trabajen cuatro (4) grupos de alumnos en forma
simultánea. El multímetro y la lámpara halógena deben compartirse entre los grupos o disponer de
equipos adicionales.
La transferencia de conocimientos
La conexión en paralelo de células solares sirve para poner a disposición suficiente intensidad. En
la interconexión técnica de células solares se aprovecha esta posibilidad. La conexión en serie
ofrece en comparación con ello la posibilidad de poner a disposición con ciertas finalidades la
tensión mínima necesaria (p. ej., para cargar un acumulador se necesitan aprox. 2 V). Además, la
conexión en paralelo ofrece la posibilidad de compensar el sombreado de células individuales
dentro de los módulos (véase el experimento parcial 5).
En la interconexión técnica de las células solares formando módulos solares se utilizan dentro de
los módulos los dos tipos de conexión. En caso de que se suministre energía a juguetes solares
con varias células solares, según el motor de que se trate es conveniente una conexión en
paralelo o una combinación de conexión en paralelo y en serie.
Experimento parcial 4: La intensidad y la tensión en la conexión en serie y
en paralelo de células solares
Este experimento estudia la conexión en serie y en paralelo de células solares en condiciones
idóneas en las que no hay una carga. En estas condiciones la situación es relativamente sencilla.
La conexión en serie suministra el doble de tensión en vacío, mientras que una conexión en
paralelo duplica la intensidad de cortocircuito. El producto de la intensidad de cortocircuito y la
tensión en vacío no debe interpretarse como potencia.
Dado que en el cortocircuito y la tensión en vacío se trata de mediciones en condiciones
básicamente diferentes.
El material disponible en la caja permite que trabajen cuatro (4) grupos de alumnos en forma
simultánea. El multímetro y la lámpara halógena deben compartirse entre los grupos o disponer de
equipos adicionales.
La transferencia de conocimientos
En la interconexión de las células solares formando grandes módulos solares al hacer diferentes
combinaciones de conexiones en serie y en paralelo se pueden obtener diferentes intensidades y
tensiones.
De este modo, un módulo integral de 24 V y 100 W se compone de aprox. 1.008 células
elementales de 0,5V/200mA.
Experimento parcial 5: ¿Cómo se comportan las células solares conectadas
en serie o en paralelo al quedar en la sombra?
Este experimento estudia la pregunta de: cómo incide el sombreado parcial de las células solares
en la intensidad y la tensión de las diferentes conexiones de dos células solares. Para ello se
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realiza la sombra tapando la mitad de las dos células solares o bien tapando una de las dos
células por completo. La tabla muestra valores a modo de ejemplo:
conexión en paralelo conexión en serie
tensión [V] I [mA] tensión [V]
I [mA]
No tapada 0,52 38 1,03 19
Ambas tapadas a la mitad 0,49 23 0,97 12,5
Una célula tapada por completo 0,49 23 0,93 3,8
El material disponible en la caja permite que trabajen cuatro (4) grupos de alumnos en forma
simultánea. El multímetro y la lámpara halógena deben compartirse entre los grupos o disponer de
equipos adicionales.
La transferencia de conocimientos
Para construir módulos solares se conectan células solares en serie y las series a su vez en
paralelo. De esta forma se puede compensar el sombreado dispar y la pérdida de células
individuales. El docente debería indicar, sin embargo, que en los grandes módulos solares la
conexión en serie para casos de sombreado o fallo de células también implica ciertos peligros. Es
que si una célula individual de una serie grande se queda a la sombra no solo no produce
electricidad, sino que representa una resistencia y hace que caiga toda la tensión de la serie. Esto
puede causar que se funda la célula solar. Las células individuales llevan por ese motivo por lo
general diodos puente para evitarlo. Estos son, diodos de conexión muy normales que se
conectan en paralelo a la célula de forma que; cuando hay luz permanecen inactivos (debido a
que está por debajo de la tensión de conexión). Pero en caso de que se quede la célula a la
sombra o si se avería se conecta y, la corriente que viene de la otra célula de la serie puede fluir a
través del diodo.
Variantes de ejecución
Todos los experimentos parciales excepto el experimento parcial 2 se pueden realizar también a
la luz del Sol. Sin embargo, en ese caso las condiciones de iluminación tienen que ser constantes
y buenas. Los experimentos parciales presentados se encadenan de forma lógica. Pero sin
problema alguno se puede omitir algunos experimentos parciales. Es posible cambiar el orden de
ejecución de los experimentos 3 y 4. La cantidad de alumnos por grupo no debería ser demasiado
grande (como máximo tres por grupo), dado que de otro modo no todos los miembros del grupo
pueden experimentar de forma activa.
Informaciones adicionales sobre el experimento
Para preparar y/o profundizar este experimento encontrará información complementaria en el
portal de medios de la Fundación Siemens:
https://medienportal.siemens-stiftung.org/
Además, el paquete de medios titulado “La Energía Solar y la Fotovoltaica – Fuentes de energía
con futuro” aborda en profundidad las bases y las aplicaciones técnicas del experimento.
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Observaciones sobre la realización del experimento
Lugar en el que se realiza el experimento
Los alumnos pueden realizar los experimentos utilizando varias lámparas de mesa en cualquier
aula. La luz solar entrante puede incidir en forma considerable en las mediciones.
Con excepción del experimento parcial 2 las mediciones también se pueden llevar a cabo a la luz
del Sol.
Tiempo necesario
Los tiempos que se indican a continuación son únicamente orientativos.
El tiempo requerido para la evaluación y para responder las preguntas incluye también una breve
conversación con el profesor.
Preparación y Realización Evaluación, Preguntas
Experimento parcial 1 15 min. 15 min.
Experimento parcial 2 20 min. 20 min.
Experimento parcial 3 15 min. 20 min.
Experimento parcial 4 20 min. 20 min.
Experimento parcial 5 20 min. 30 min.
Advertencias de seguridad
Los experimentos sólo pueden ser realizados bajo la vigilancia del docente .
Hay que advertir a los alumnos que los materiales suministrados sólo se deben utilizar siguiendo
las instrucciones correspondientes.
Aparatos y materiales
A adquirir o preparar de manera previa:
Reglas (30 cm)
Materiales de diferente transparencia (p. ej., láminas o filminas, papel transparente)
Incluido en el suministro:
El cableado y la utilización correctoa del multímetro y el motor es algo que debería aclarar el
docente de antemano en función de los conocimientos de los alumnos, si hace falta haciendo una
demostración.
Para un grupo de alumnos se requieren los siguientes materiales de la caja:
Material Cantidad
Multímetro digital 1x
Bandas elásticas (para fijar las células solares) 2x
Juego de cable de medición 1x
Cartulinas negras 1x
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Hélice chica 1x
Tijera 1x
Broche plástico 2x
Motor solar pequeño 1x
Células solares 2x
Cable con pinza de cocodrilo 6x
Lámpara halógena, 42W 1x
Tablitas baja lengua 1x
Poner orden, eliminar residuos, reciclar
Todos los aparatos y casi todos los materiales suministrados en la caja se pueden reutilizar. Por
ello debería asegurarse de que al concluir cada experimento coloquen todo nuevamente en la caja
correspondiente. Así estará seguro de que Ud. encuentre todo rápidamente cuando lo quiera
volver a utilizar. Los aparatos que se hayan ensuciado al realizar los experimentos, como, p.ej.,
vasos, recipientes, cucharas, tubos de ensayo, deberían ser limpiados antes de colocarlos en las
cajas.
Lo más fácil es que los alumnos se ocupen de hacerlo al finalizar el experimento. Además,
asegúrese de que los aparatos estén listos para ser utilizados en la próxima ocasión. Por ejemplo,
hay que poner a cargar las pilas usadas. (También es recomendable cuando no se han usado las
pilas desde hace tiempo).
Los materiales no reutilizables como, p.ej., las barritas de medición del valor pH o el papel de
filtro, deben ser tirados a la basura correcta. Los residuos resultantes que este experimento se
pueden tirar a la basura normal o por el desagüe.
Para los alumnos
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1) Conocimientos básicos de una la célula solar
Aparatos y materiales
1 lámpara halógena de 42 W*
1 regla
1 cartulina negra
1 motor solar pequeño
1 célula solar
Láminas o filminas de diferentes transparencias
1 cartulina negra
1 hélice chica
4 cables con pinza de cocodrilo
1 tijera
*¡El experimento también se puede realizar con luz del sol directa!
Atención: Al acabar el experimento, los materiales deben ser devueltos o eliminados siguiendo
las instrucciones del profesor.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Las lámparas halógenas levantan temperatura, se recomienda no tocarlas.
Realización del experimento
En caso de que no se haya utilizado antes la célula solar retirar
el plástico protector.
Insertar la hélice al motor solar.
Conectar la célula solar al motor con ayuda de los cables con
pinza cocodrilo. Procurar que no se toquen las pinzas porque
de otro modo se producirá un cortocircuito. (Fig. 1)
Colocar o sostener la célula solar a la fuente de luz
de tal manera que la luz caiga verticalmente sobre
ella.
Determinar con la regla la distancia a la fuente de
luz (tratándose de una lámpara halógena de 42W
por lo general 10 cm), en la que el motor eléctrico
marcha bien.
Conservar esta distancia para los demás
experimentos.
Comprobar cómo tiene que ser la conexión para
que la hélice se mueva en el sentido de las agujas
del reloj.
Fig. 1: Esquema de conexión.
Fig. 2: La configuración del experimento
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Cambiar las condiciones de iluminación tapando poco a
poco la superficie de la célula solar con papel negro. (Fig. 3)
Estudiar la dependencia de la velocidad de giro del motor
del ángulo de incidencia de la luz, haciendo girar la célula
solar a la luz (sin taparla con el papel negro).
Sostener otros materiales claros o transparentes delante de
la célula solar y verificar la influencia en la velocidad de giro
del motor.
Fig. 3: Sombreado de la célula
solar con papel negro.
Observación
Comentar lo observado con sus compañeros y registrar de forma resumida.
Evaluación
Enumerar los factores que inciden en la potencia de una célula solar.
Preguntas
Explicar cómo se tienen que instalar las células solares en las casas a fin de que sean lo más
efectivas posible.
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Fig. 4: Esquema de conexión. La medición con un multímetro
cambiando el intervalo de medición de la tensión (V) a la
intensidad (A).
2) La intensidad de un cortocircuito y la tensión en vacío al colocar la
lámpara a diferentes distancias
Este experimento funciona solo con una lámpara y no a la luz del sol.
Aparatos y materiales
1 multímetro digital
1 juego de cable de medición
1 célula solar
1 lámpara halógena de 42 W
1 regla
4 cables con pinza de cocodrilo
Atención: Al acabar el experimento, los materiales deben ser guardados en la caja o depositados
en los cestos correspondientes, según las instrucciones del docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Las lámparas halógenas levantan temperatura y por ello no deben tocarlas.
Realización del experimento
Conectar el multímetro a la célula solar. Utilizar para medir la tensión el intervalo de 2.000 mV y
para medir la intensidad el intervalo de 200 mA y simplemente cambien el conmutador entre
tensión y corriente en el aparato de medición. (Fig. 4)
Cambiar con la regla la distancia de la célula solar a la lámpara en pasos de 5 cm. Comenzar
con una distancia de 5 cm. (Fig. 5)
Medir para cada distancia la tensión (tensión en vacío) y la intensidad en la célula solar
(intensidad de cortocircuito). Apuntar en cada caso el valor obtenido con una distancia dada.
Fig. 5: La medición de la
tensión a diferentes distancias.
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Observación
Introducir los valores de medición en un diagrama (distancia-intensidad y distancia-tensión).
Evaluación
Describir cómo influye la distancia y así la intensidad de la iluminación en la intensidad y la tensión
medidas.
Nombrar lo que cambia más al modificar la condición de luz: La intensidad o la tensión.
Preguntas
Se puede utilizar una célula solar para medir las condiciones de iluminación en un lugar.
¿Qué magnitud es mejor para lograrlo, la intensidad o la tensión? Explicar.
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3) ¿Qué sucede al conectar las células solares en serie o en paralelo?
Aparatos y materiales
bandas elásticas
1 lámpara halógena de 42W*
1 hélice chica
1 motor solar pequeño
2 células solares
1 tablita baja lengua
2 broches plásticos
1 tijera
6 cables con pinza de cocodrilo
*¡El experimento también se puede realizar con luz del Sol directa!
Importante: Al finalizar los experimentos, los materiales deben ser guardados en la caja
correspondiente o depositados en los cestos correspondientes según las indicaciones del
docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Las lámparas halógenas levantan temperatura, por ello evitar tocarlas.
Realización del experimento
Colocar encima de la tablita baja lengua dos células solares, una junto a la otra. Las células
solares deben sobresalir un poco en la parte de arriba y abajo, para que las puedan montar con
ayuda de las bandas elásticas (fig. 6). (El objetivo es tener igual ángulo y luminosidad para las dos
células durante la medición).
Conectar una de las dos células solares con el motor solar pequeño (con la hélice insertada).
Fijar la distancia a la lámpara de manera tal que el motor gire correctamente.
Ahora conectar la segunda célula solar en paralelo (fig. 7) y verificar la velocidad de giro.
Fig. 6: Montaje de las células
solares.
Fig. 7: Esquema de conexión para el cableado en paralelo.
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Ahora conectar las células solares en serie (Fig.8, 9 y 10) y comparen nuevamente la velocidad de
giro.
Fig. 8: Esquema de conexión para el cableado en serie.
Fig. 9: Cableado con conexión en
serie.
Fig. 10: Accionamiento del motor en
conexión en serie.
Observación
Escribir las observaciones de forma resumida.
Evaluación
Si se utilizan dos células solares se genera el doble de energía eléctrica a partir de la luz. En
realidad podría esperarse que el motor solar con dos células solares girara mucho más rápido que
con una sola, al margen de la interconexión realizada. Explicar a qué podría deberse que, según
la conexión, llegue una mayor o menor parte de la energía al motor. (Un consejo: la resistencia
interior de la célula solar).
Preguntas
Explicar por qué la potencia de la célula solar es diferente tratándose de una conexión en paralelo
o en serie.
¿Cómo se comportan en comparación con las células solares dos pilas alcalinas de tipo “mignon”
que se conectan en paralelo o en serie?
Para los alumnos
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4) La intensidad y la tensión en la conexión en serie y en paralelo de células
solares
Este experimento es la continuación del experimento 3, ahora, sin embargo, se mide la intensidad
y la tensión.
Aparatos y materiales
1 multímetro digital
1 juego de cables de medición
1 tablita baja lengua
2 broches plásticos
bandas elásticas
1 lámpara halógena de 42 W*
2 células solares
6 cables con pinza de cocodrilo
*¡El experimento se puede realizar en forma directa con la luz del Sol.!
Atención: Al acabar el experimento, los materiales deber ser guardados en la caja
correspondiente o depositados en los cestos correspondientes según indicaciones del docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Las lámparas halógenas levantan temperatura, evitar tocarla.
Realización del experimento
Poner la célula solar a una distancia de 10 cm de la
lámpara (o a una luz solar intensa).
Medir la intensidad de cortocircuito y la tensión en vacío de
la célula solar.
Ahora conectar dos células solares en paralelo.
Medir la intensidad de cortocircuito y la tensión en vacío de
la conexión en paralelo.
Repetir la medición para una conexión en serie de dos
células solares.
Fig. 12: Esquemas de la conexión en serie
(a la izq.) y paralela (a la der.).
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Observación
Elaborar una tabla según el ejemplo y apuntar los valores de medición:
Tensión [V] Intensidad [A]
Célula Individual
2 Células en Paralelo
2 Células en Serie
Describir el comportamiento de la intensidad y la tensión en la conexión en paralelo y en serie, en
comparación con una célula individual.
Evaluación
Comparar el resultado de este experimento con los obtenidos en el experimento parcial 3
¿Qué pasa si se conectan las células solares en serie o en paralelo? Explicar.
Preguntas
Explicar por qué el producto de la intensidad de cortocircuito y la tensión en vacío no dan la
potencia verdadera de la célula solar.
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5) ¿Cómo se comportan las células solares conectadas en serie o en
paralelo al quedar en la sombra?
Se vuelven a utilizar las células solares montadas sobre la tablita baja lengua como en los
experimentos parciales 3 y 4.
Aparatos y materiales
1 multímetro digital
bandas elásticas
1 lámpara halógena de 42 W*
1 juego de cable de medición
1 cartulina negra
1 tablita baja lengua
2 broches plásticos
2 células solares
6 cables con pinza de cocodrilo
*¡El experimento puede ser utilizado con luz solar en forma directa!
Atención: Al finalizar la experiencia los materiales deben ser guardados en la caja ó eliminados
en los cestos correspondientes, según la indicación del docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Las lámparas halógenas generan mucha temperatura; por ello se recomienda no tocarlas.
Realización del experimento
Conectar dos células solares en paralelo. Ponerlas a una
distancia de aprox. 10 cm de la lámpara.
Medir la intensidad de cortocircuito y la tensión en vacío de
la conexión en paralelo.
Tapar las dos células solares con la cartulina negra poco a
poco de forma que la mitad de sus superficies queden
cubiertas (Fig. 13 y 14)
Fig. 13: Sombreado parcial de una de las
dos células solares.
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Ahora cubrir una de las dos células solares por completo (Fig. 15). Comparar los resultados
obtenidos.
Repetir la medición para una conexión en serie de dos células solares.
Observación
Elaboren una tabla según el ejemplo siguiente y apunten los valores de medición:
Evaluación
Calcular en cada caso el producto de la intensidad de cortocircuito y la tensión en vacío.
Preguntas
Explicar por qué para la fabricación de módulos solares se conectan las células solares en serie y
por qué estas series a su vez son conectadas en paralelo.
En una página en internet sobre la tecnología solar figura la afirmación: “En la conexión en serie el
módulo más débil determina la potencia total”. Explicar lo que significa. Formular una frase para la
conexión en paralelo.
Tina quiere participar en el concurso sobre la tecnología solar. Para ello, tiene que construir un
bote accionado por un ventilador. Cómo máximo puede utilizar 4 células solares (0,5 V, 100 mA).
El motor tiene una tensión de arranque de 0,6 V y una corriente de arranque de 25 mA. ¿Qué
conexión recomendar para que el bote alcance la máxima velocidad? Fundamentar.
Conexión en paralelo Conexión en serie
Tensión [V] I [mA] Tensión [V] I [mA]
No Tapada
Ambas tapadas a la mitad
Una célula tapada por completo
Fig. 14: Sombreado parcial de ambas
células solares.
Fig. 15: Sombreado total de una de las
células solares.
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Actividad 3: Construimos una central solar térmica – Con una lupa y un
espejo
Los dos experimentos parciales para concentrar la radiación solar con una lente y un espejo
sirven muy bien para explicar algunas leyes físicas básicas relativas a la óptica geométrica y la
teoría del calor en base a un tema de gran actualidad. Asimismo, como para verificar lo que ya se
ha aprendido.
Estos experimentos, pueden ser utilizados como actividades dentro de una propuesta de Energías
Renovables y/o Cambio Climático; enmarcados en un cambio de política energética.
Pregunta central
¿Cómo se puede aprovechar la enorme cantidad de energía que irradia el Sol sobre la Tierra? Ya
que, por día recibe más de lo consumido por todo el mundo durante un año? ¿Qué posibilidades
hay de explotar esta fuente de energía renovable?
Mediante estos experimentos, los alumnos podrán arribar a conclusiones o hipotetizar sobre estas
temáticas. Si bien es cierto que “de la lupa a la Central Solar” hay un largo trecho, los alumnos
aprenden de esta forma y mediante experimentos en grupos de trabajo; el principio fundamental y
las dificultades que se dan en la práctica con la generación de energía a partir de fuentes
regenerativas.
Integrar el experimento en el contexto educativo
Base científica
Es recomendable que los alumnos cuenten con los siguientes conocimientos previos, aunque no
es indispensable:
De Óptica: la luz como radiación electromagnética (el espectro); las lentes ópticas y los
espejos como instrumentos para cambiar la dirección de la radiación; ases de luz
convergentes para crear puntos focales
Sobre Calor: la radiación térmica como transporte de energía sin materia; (energía de
radiación) la medición de la temperatura con un termómetro resistivo eléctrico.
Relevancia en el diseño curricular
En el área de Física del secundario, están planteados los conocimientos básicos sobre Óptica:
Ases de luz – Paralelos y Convergentes; La radiación de luz como haz concentrado de luz
idealizado, estrecho y paralelo – Las lentes ópticas esféricas (lente convexa como lente
concentradora – el punto focal) – La entrada de ases en el espejo curvo o hueco.
En la energía térmica, hay mención a los siguientes temas:
Medición de Temperatura.
Calentamiento de un cuerpo mediante la absorción de energía por radiación.
Capacidades térmicas específicas.
Transporte de energía sin materia (radiación térmica)
El Sol como fuente de radiación térmica y la constante solar.
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Temas y terminología:
La lente – El punto focal – La radiación electromagnética – La densidad energética – Generación
de energía – Las energías renovables – El espejo curvo – La teoría del calor – Cóncavo –
Convexo – El haz de luz – La radiación de luz – La lupa – La óptica – El espejo parabólico – La
lente concentradora – La central solar – La Luz del Sol – La lente esférica – La entrada de ases –
La fuente de radiación térmica – El termómetro
Conocimientos a aprender por los alumnos:
Conocer la concentración de ases de luz de forma divergente hasta paralela de una
linterna.
Aprender, a partir de experiencias prácticas se puede captar la luz solar y modificar su
dirección.
Aprender sobre la capacidad de concentración de la radiación solar mediante la
manipulación de instrumentos óptico. Esto conlleva a una densidad energética mayor, que
en el corto tiempo puede lograr encender fuego en un papel, entre otras cosas.
Esto se puede mostrar y demostrar a los alumnos con experimentos fáciles y sobre todo,
con pocos recursos.
Reflexionar sobre cómo y de qué manera se puede aprovechar la “Generación
Energética”, partir de los resultados obtenidos en los experimentos.
Comprender la importancia del abastecimiento de energía sostenible en el futuro (las
centrales solares, p.ej.el proyecto Desertec) y que esto despierte su interés por el tema.
Adquirir y sostener un planteo consciente y responsable respecto a la gestión del Medio
Ambiente y los recursos naturales.
Experimento parcial 1: Prender fuego a un pedazo de papel con la lupa como
lente de aumento
Aquí se trata de obtener altas
temperaturas usando la lupa como
lente de aumento. La tarea de los
alumnos consiste en descubrir
experimentando cómo se debe
posicionar (del lado del objeto) la lente
de aumento como lente concentradora
de doble convexidad (luz paralela) y a
qué distancia en el lado de la imagen,
a fin de obtener una potenciación
máxima de la energía en el punto focal.
La densidad energética que se puede obtener depende,
sobre todo, de la superficie irradiada en la superficie
efectiva de la lente.
Con una lente de 250 mm de superficie la energía entrante se concentra en el punto focal en
aprox. una centésima parte de la superficie (aprox. 2,5 mm).
Punto focal Fig. 1: El punto focal de una
lente concentradora. La luz que se origina a
gran distancia y, por lo tanto, paralela, se
junta en un punto (“se concentra”).
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Una reducción adicional del punto focal incidiría enormemente en la temperatura. Hay que tener
en cuenta que la temperatura máxima sólo se consigue al fijar el objeto a calentar en el punto
focal. Dado que el Sol modifica su posición, es necesario volver a ajustar la lupa; sin embargo,
como la duración del experimento parcial 1 es muy corta esto no constituye un gran problema. Los
alumnos observan rápidamente cómo se forma humo y se enciende el pedazo de papel.
Uno de los requisitos para que prendan fuego sustancias sólidas como el papel es que se
desarrollen gases combustibles al desintegrarse la celulosa.
Al prender con una lupa papel seco se alcanza una temperatura de 233ºC (451º Fahrenheit),
aunque un papel oscuro facilita mucho el proceso de encendido por el mayor efecto de absorción.
El material incluido en la caja permite armar un (1) grupo de trabajo.
Experimento parcial 2: Calentamos agua con el Sol
El objetivo del experimento es: calentar una pequeña cantidad de agua concentrando la radiación
del Sol, en principio se trataría de la construcción de un “hervidor solar”. Para ello, se utiliza un
espejo cóncavo.
El punto focal con la lente de aumento utilizado se encuentra teniendo una radiación vertical de
aprox. 10 cm por encima del fondo del espejo.
Un efecto óptimo de calentamiento sólo se garantiza en este caso cuando la luz del Sol cae en
forma vertical, lo que depende de la latitud que se encuentre requiere de una inclinación más ó
menos pronunciada del espejo.
Dado que para determinar el punto focal hay que mirar en forma constante en el espejo, es
obligatorio ponerse gafas de Sol de alta potencialidad.
La óptica geométrica del espejo cóncavo
sería comparable a la de una lente
convexa, sólo que el punto focal está del
lado del Sol.
Dado que en este experimento se calienta,
en un primer momento el agua contenida
en un tubo de ensayo (con elevada
capacidad térmica específica) y debido a la
duración del experimento, es necesario
reajustar el espejo y el tubo de ensayo.
Hay que tener cierta habilidad para fijar el
“foco de ases” siempre en el punto a
calentar.
(La solución técnica de este problema
consiste en reajustar los espejos mediante
un motor eléctrico).
El aumento del espejo parabólico consigue, al
igual que al usar la lupa como lente de
aumento, una densidad energética muy superior.
Fig. 2: El punto focal de un espejo curvo. La luz
que se origina a gran distancia y, por lo tanto,
paralela, se junta en un punto (“se concentra”).
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Es posible llegar a temperaturas de hasta 400ºC, por lo que puede generarse corriente eléctrica
con una potencia superior a los 50 MW por bloque en la central térmica.
Esta potencia se alcanza en las centrales térmicas solares modernas, p.ej. en el sur de España
(Andasol), Marruecos o en California.
El material incluido en la caja permite armar un (1) grupo de trabajo.
Variantes de ejecución
Los alumnos pueden trabajar en el experimento parcial 1 de a dos (2), mientras que en el
experimento parcial 2, un poco más complicado, pueden hacerlo en grupos de hasta (4) cuatro
integrantes. La preparación y experimentación la hacen de a dos, los otros dos integrantes del
equipo realizan las mediciones y la evaluación.
En caso de que se lleve a cabo el experimento parcial 2 al aire libre procurar proteger el tubo de
ensayo del viento, ya que no hay que subestimar aquí el efecto de enfriamiento. Se recomienda
hacer el experimento al medio día debido a la posición más alta del Sol.
Ambos experimentos pueden ser realizados en paralelo de forma que los equipos individuales
puedan aprovechar la hora restante de la clase para comunicar, comparar y someter a debate con
el resto los conocimientos específicos obtenidos en virtud de los experimentos.
Todas las experiencias pueden ser realizadas por todos los alumnos de acuerdo a la planificación
del docente y la necesidad de profundización de los contenidos seleccionados.
Información Complementaria sobre el experimento
Para preparar y/o profundizar este experimento encontrará información adicional en el portal de
medios de la Fundación Siemens: https://medienportal.siemens-stiftung.org/
Sobre el tema “El calor solar y la energía fotovoltaica – las fuentes de energía con futuro” hay un
paquete de material adicional en el portal de medios.
Optativo: Otros posibles experimentos
Para determinar el funcionamiento de lentes convexas y cóncavas, se puede trabajar en la
introducción con una cuchara.
Los alumnos pueden mirar y describir su imagen reflejada en el interior y exterior de la cuchara.
Observaciones sobre la realización del experimento
Lugar en el que se realiza el experimento
Los experimentos sólo pueden realizarse en días soleados, con exposición directa a la luz solar
intensa, lo mejor es hacerlos junto a una ventana abierta o al aire libre. No debería soplar el viento
y la temperatura ambiental debería ser de al menos 20ºC, también se puede realizar en invierno.
Pero si se deja la ventana cerrada la radiación solar baja en forma considerable y al aire libre se
perdería demasiado calor debido al aire frío. De igual forma, se puede utilizar un potente foco
fotográfico o de video, con haz de luz paralela y potencias a partir de los 500 W.
Las lámparas más económicas con focos halógenos de alta potencia (que se consiguen, p.ej., en
una ferretería) se deben probar primero, dado que la luz puede no ser lo suficientemente paralela
como se requiere.
Para el profesor
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Tiempo necesario
Preparación Realización Evaluación Debate
Experimento parcial 1 5 min. 10 min. 10 min. 10 min.
Experimento parcial 2 10 min. 30 min. 10 min. 5 min.
Advertencias de seguridad
Los experimentos sólo pueden ser realizados bajo la vigilancia del docente, recordar a los
alumnos que los materiales suministrados para la realización de las experiencias se deben utilizar
siguiendo las instrucciones pertinentes.
En estos experimentos tenga en cuenta los siguientes peligros y llame la atención de los alumnos
y alumnas a este respecto:
Hay que controlar el uso del punto focal de la lupa al exponerlo a los rayos del sol, ¡no
dirigirlo nunca a los ojos!
Debido al peligro de encandilamiento de los ojos con la lupa y el espejo cóncavo, al menos
el alumno o la alumna, que esté enfocando el espejo debe ponerse gafas de sol y estar
bajo la vigilancia del profesor o profesora.
¡Al calentar el agua no hay que mirar el espejo!
Hay peligro de quemaduras y de incendio al trabajar con fuego.
Procure que los materiales y aparatos no se dañen a causa del agua.
¡Tengan a mano unos baldes de agua para apagar el fuego!
Aparatos y materiales
A adquirir o preparar de manera previa:
Agua
Un trípode con gancho (como alternativa se pueden utilizar un pincho con broche)
Papel blanco
Gafas de sol
Fósforos
Reloj
Incluido en el suministro:
Los materiales y aparatos importantes para la seguridad deben ser controlados antes de
entregárselos a los alumnos para comprobar que funcionen correctamente.
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Para un grupo de alumnos se requieren los siguientes materiales de la caja:
Material Cantidad
Cinta adhesiva 1x
Cuchara metálica 1x
Espejo cóncavo 1x
Broche plástico (sujeta motores) 1x
Pincho de madera 1x
Lupa 1x
Cartulina negra 1x
Tubo de ensayo 1x
Recipiente contenedor 1 x
Velita 1x
Poner orden, eliminar residuos, reciclar
Es importante destacar que los aparatos y mucho de los materiales provistos en la caja de
experimentación tienen capacidad de reutilización. Para ello, es necesario que al concluir la
experiencia, los insumos sean guardados en la caja o depositados en los cestos correspondientes
de acuerdo a las indicaciones del docente. De esta manera, podrán ser utilizados nuevamente con
fácil acceso. Los aparatos que se hayan ensuciado al realizar los experimentos, como, p.ej.,
vasos, recipientes, cucharas, tubos de ensayo, tienen que ser higienizados antes de colocarlos en
las cajas. Se sugiere que esta actividad esté a cargo de los alumnos.
Además, corroborar que los aparatos estén en óptimas condiciones para ser utilizados en la
próxima ocasión.
Por ejemplo, hay que poner a cargar las pilas usadas. (También es recomendable cuando no se
han usado las pilas desde hace tiempo).
Los materiales no reutilizables deben ser depositados en el cesto correspondiente.
Para los alumnos
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1) Prender fuego a un pedazo de papel con la lupa como lente de aumento
A partir de una lupa y un espejo cóncavo expuestos a la luz del Sol se obtendrá una temperatura
tan elevada en el punto focal que podrán incluso prender fuego a un papel o hacer que el agua se
caliente hasta llegar casi al punto de ebullición.
En todos los experimentos se puede trabajar en equipo, en el experimento 1 de a dos, en el
experimento 2 de a cuatro o según cómo los reparta el docente.
Antes de empezar, preparar todos los materiales necesarios para los experimentos.
Además, será necesaria una hoja para el registro de ensayo, a fin de apuntar sus observaciones y
los resultados de los experimentos.
Aparatos y materiales
1 recipiente contenedor
Agua
1 lupa
1 cartulina negra
Gafas de sol para al menos un alumno
1 reloj
Atención: Al acabar el experimento, los materiales deben ser guardados en la caja de
experimentación y/o en caso contrario depositados en el cesto correspondiente según las
indicaciones del docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
¡Hay que controlar el punto focal de la lupa expuesto a los rayos del Sol! – Evitar las quemaduras
y posibles incendios.
¡No dirigir el punto focal hacia los ojos!
¡Preparar un recipiente contenedor con agua para apagar el fuego del papel!
En el puesto de trabajo no debe haber materiales que puedan dañarse con agua.
Para los alumnos
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Fig. 1: La lente concentradora como lente de
aumento
Realización del experimento
Primero hacer una prueba con la lupa, dejando que caiga
sobre ella la luz del Sol. Colocar la mano detrás de la
lupa y alejarla de donde vienen los rayos, aparecerá un
punto cada vez más pequeño, llamado Punto Focal. (Fig.
1)
Intentar enfocar la luz en un punto lo más pequeño
posible, cambiando la distancia entre la lupa y la mano.
Al concentrar la luz en la parte interior de la mano, se
percibirá en forma rápida cómo se calienta ese punto de
la mano. ¡Atención! Retirar la mano cuando se siente
calor, no dejar la mano expuesta.
En el experimento en vez de utilizar la palma de la mano
colocar una cartulina negra.
Con el reloj medir el tiempo y los cambios en el papel
(humo, perforación del papel, llama, etc.)
Sumergir a continuación el papel en el agua (por motivos de seguridad).
Registrar las observaciones.
El papel humedecido se coloca en el cesto de residuos no reciclables.
Observación
Describir las sensaciones en la palma de la mano cuando aparece el punto focal.
Apuntar lo que sucede cuando se concentra el punto focal sobre la cartulina.
Evaluación
a) Realizar un esquema para determinar la distancia focal de la lupa utilizada.
b) Calcular la multiplicación de energía, si la lente de aumento tiene un diámetro de 6 cm y el
punto focal tiene una superficie de 6 mm.
Preguntas
a) ¿De qué depende la temperatura de encendido de los materiales sólidos e inflamables?
b) En caso de contar con conexión a Internet, navegar para encontrar el significado del punto de
temperatura “Fahrenheit 451”. (Un consejo: La novela de Ray Bradbury y la película causaron
furor en los años 50 y 60 del siglo pasado).
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2) Calentamos agua con el sol
Aparatos y materiales
Fósforos
1 espejo cóncavo
1 trípode o soporte con gancho.
Alternativamente un pincho con
broche
1 velita
1 tubo de ensayo
1 broche plástico
1 pincho de madera
Gafas de sol para al menos un
alumno
Agua
Cinta adhesiva
Papel borrador blanco
Atención: Al finalizar el experimento, los materiales deben ser guardados en la caja
correspondiente, sino depositados en los cestos según corresponda.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Cuidado al trabajar con fuego, ¡hay peligro de quemaduras y de incendio!
En el puesto de trabajo no debe haber materiales que puedan dañarse con agua.
¡Hay que controlar el punto focal del espejo expuesto a los rayos del Sol! De ninguna manera
miren durante el experimento en el espejo cóncavo sin llevar una protección ocular adecuada
(gafas de sol o un cristal oscurecido).
El reflejo del sol puede dañar la vista.
Al calentar el agua no hay que mirar el espejo cóncavo.
Tengan cuidado para no quemarse al manipular el agua caliente.
Realización del experimento
Salir con el espejo cóncavo al patio o colocarse junto a una ventana abierta. Dirigir el espejo en
dirección al Sol.
Si es necesario deberá inclinar el espejo para lograrlo. La posición inclinada se puede fijar
mediante un poco de plastilina, un cuaderno, una goma u otro elemento similar y/o parecido.
Intentar encontrar el punto focal del espejo. Se encuentra aprox. a 10 cm por encima del centro
del espejo. Para ello, mantener una tira fina de papel blanco a diferentes alturas por encima del
espejo. Si encuentran el punto focal, es porque se puede visualizar pequeña manchita clara sobre
el papel.
Pintar de negro la parte inferior del tubo de ensayo con la llama de la velita o directamente con un
fósforo encendido. Ahora verter en el tubo de ensayo aprox. 3 cm de agua. Fijar el tubo de ensayo
a algún soporte.
Cuando se haya determinado la posición del punto focal se puede fijar el tubo de ensayo en el
trípode. Otra posibilidad es fijar el tubo a un pincho de madera con ayuda de un broche, asimismo
pegarlo con cinta adhesiva a un vaso o frasco grande y estable.
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Volver a regular el espejo, de forma que el extremo inferior del tubo quede exactamente en el
punto focal. Comprobar a los 5 (cinco) y 10 (diez) minutos por medio del tacto si se percibe un
calentamiento. Pasado ese lapso de tiempo el agua puede estar muy caliente y quemar, hasta
puede llegar a hervir.
Observación
Escribir las observaciones en forma sintética.
Evaluación
a) Cómo pueden justificar o fundamentar el aumento de la temperatura cuando la luz del Sol
calienta el agua?
b) Escribir la unidad de tiempo hasta que el agua entra en ebullición? Fundamentar.
Preguntas
a) La concentración de la energía solar se produce según las leyes físicas de la Óptica.
¿Cómo se tendría que construir una central solar a gran escala? Elaborar un mapa conceptual o
cuadro de síntesis.
b) Explicar el porqué de pintar con la llama el tubo de ensayo.
c) En caso de contar con conexión a Internet:
1 - Dónde se encuentran las centrales solares más grandes del mundo y explicar por qué están
ubicadas allí.
2- ¿Cuál es el concepto subyacente del llamado “proyecto Desertec”?
3 - Investigar cuán grande es la constante solar. Calcular con ello la superficie espejada de una
central solar para generar una potencia de 20 MW con un rendimiento del 80 %.
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Actividad 4: Las energías renovables – El sol, el agua y el viento
La serie de experimentos parciales sobre la energía fotovoltaica, hidroeléctrica y eólica se prestan
muy bien para abordar el tema de las energías renovables. Sin embargo, su alcance en el tiempo
y respecto al contenido es relativamente amplio. Por ello, estos experimentos sirven, para realizar
proyectos dedicados al tema de la transición energética. Debido a su amplio alcance es casi
imposible que los alumnos aborden las bases científicas en los experimentos. En cambio,
partiendo de que disponen de ciertos conocimientos fundamentales, estos experimentos se
pueden aprovechar muy bien para verificar los conocimientos previos de Física y Química. Otra
posibilidad consiste en utilizar los experimentos parciales de forma individual para abordar uno de
los temas científicos con el ejemplo de una aplicación técnica conocida de la vida cotidiana.
Pregunta central
La escasez de recursos naturales como la hulla, el petróleo y el gas natural-combustibles fósiles
extraíbles a un precio pagable- la energía atómica y el enorme riesgo que supone su explotación,
el Cambio Climático y la creciente toma de conciencia respecto al medio ambiente son factores
que han hecho imperativo que se introduzcan rápidamente energías renovables adecuadas.
Las energías renovables o regenerativas son sostenibles, porque a diferencia de los combustibles
fósiles (el carbón, el gas natural y el petróleo) y gracias al aprovechamiento de la energía solar
son prácticamente fuentes de energía inagotables.
Algunos ejemplos conocidos de energías renovables son la energía solar transformada
directamente (la energía solar térmica y la fotovoltaica), la biomasa (p.ej., la madera, el Biogas o
el Bioetanol), la Energía Eólica, la energía hidroeléctrica y la geotérmica.
Con excepción de la biomasa sólo hay que pagar los costos de las instalaciones, puesto que las
fuentes de energía en sí no cuestan nada.
Los alumnos tienen en esta unidad de experimentación la posibilidad de introducirse en la
problemática del abastecimiento energético actual y, de la utilización alternativa de energías
renovables como una posible solución.
La idea es que comprender la amplitud del término energía, con hincapié los cuatro (4) conceptos
centrales: La Transformación - El Transporte - La conservación y la degradación de la energía.
De manera experimental, se abordan las diferentes formas de la energía renovable en base a
algunos ejemplos escogidos (sobre Energía Solar, hidráulica y Eólica).
Integrar el experimento en el contexto educativo
Base científica
Los contenidos comprendidos en el área de Energía no solo son desarrollados dentro del
curriculum de Ciencias Naturales. Ya que en la amplitud de los conocimientos se estudian los
procesos biológicos y físicos; así como las reacciones químicas que implican siempre una
transformación energética.
En nuestra vida cotidiana al momento de realizar nuestras acciones no nos detenemos a pensar
en la disponibilidad del acceso a las fuentes de energía no renovables (como puede ser: la
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electricidad, los combustibles, los alimentos, etc.) Entonces, es necesario reflexionar sobre la
finitud de esas reservas.
Frente a este interrogante; es necesario fortalecer la reflexión con los alumnos sobre el aumento
en el uso de energías renovables, a todas las escalas (local – regional – nacional – global) con el
fin de sopesar la pérdida de combustibles fósiles y propiciar el consumo energético responsable y
respetuoso del medio ambiente.
Relevancia en el diseño curricular
El objetivo planificado para los alumnos de 2° y 3° año de la secundaria es propiciarles el
conocimiento general sobre los combustibles fósiles y las fuentes de energía renovables utilizadas
en la vida diaria y en la vida técnica; como así también las distintas fuentes de energía (p. ej.,
energía eléctrica – térmica – cinética – o química). Es necesario comprender que la energía
primaria utilizada, puede ser transformada en otras formas de energía; aunque hay que tener en
cuenta que se produce una determinada “pérdida de energía” (la degradación energética).
La energía no se pierde en estas transformaciones, sino que se transforma cierta cantidad en otra
forma de energía diferente a la que se aspira (ejemplo: en un foco eléctrico sólo aprox. un 5% de
la energía eléctrica se transforma en energía luminosa y un 95% en energía térmica).
En el grupo de edad a partir de los 16 años la idea es abordar aparte del aspecto cualitativo
también el cuantitativo de la transformación de energía.
De esta forma se puede calcular la potencia de las células solares o de combustible, así como la
de los generadores.
Temas y terminología
El trabajo, la definición del concepto energía (“la energía es la capacidad de un sistema para
efectuar un trabajo” o “energía es un trabajo almacenado”), el modelo de niveles de energía, la
transformación de la energía, el consumo energético, el abastecimiento energético, la geotermia
profunda, la altura de caída del agua, las turbinas de gas, las centrales de energía maremotriz, la
carga, la potencia, el metano, la sostenibilidad, la carga útil, la conexión paralela, la energía
fotovoltaica, la conexión en serie, la energía solar térmica, las células solares, la tensión, los picos
de demanda de electricidad, la corriente eléctrica, la energía hidroeléctrica, el molino de agua, la
turbina de agua, la energía eólica, el molino de viento.
Conocimientos a adquirir
Los alumnos, luego de experimentar con la caja adquirirán los siguientes conocimientos:
Conocimiento y uso de las células solares de silicio.
Comprenderán cómo y de qué manera influyen las conexiones en serie y paralelas de las
células solares sobre la tensión y la intensidad.
Incorporarán los conocimientos necesarios para entender cómo influye la intensidad del
viento sobre la potencia de una turbina eólica.
Podrán calcular la potencia de las turbinas hidroeléctricas y eólicas e intercambiaran los
resultados obtenidos entre todos para su análisis
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El experimento en el contexto explicativo
La Física define : “La energía es la capacidad de un sistema de efectuar un trabajo” o “la energía
es el trabajo almacenado”.
Una descripción comprensible para la educación escolar sería: “Un sistema tiene energía cuando
puede hacer que algo se levante, se mueva, se caliente o ilumine”.
Al tratar este tema, las diferentes formas de energía: La transformación - El transporte - El
almacenamiento y la degradación energéticas que desempeñan un papel fundamental.
El ser humano, los animales y las plantas necesitan energía para vivir y en la técnica nada
funciona sin energía.
La unidad de medida acordada a nivel internacional es el Joule (J).
En los cálculos hay que tener en cuenta lo siguiente:
1 Joule = 1 J = 1 Newtonmeter = 1 Nm = 1 vatiosegundo = 1 Ws = 0,239 kilocalorías (kcal).
Un Joule equivale a la energía que se necesita para...
levantar una masa de 100 g a una altura (aprox.) de un metro.
Epot = m⋅ g⋅ Δh = 0,1kg⋅ 9,81 N/kg⋅1m= 0,981 J
conseguir durante un segundo la potencia de un vatio (p.ej., hacer que un corazón lata una
vez).
E = P ⋅ t = 1W ⋅ 1s = 1 Ws = 1 J
calentar un gramo de agua (a 15ºC) en 0,239ºC.
E = c⋅ m⋅ ΔT= 4,18 J / (g.°C) ⋅ 1g⋅ 0,239 °C= 1 J
A través del consumo diario de energía o el contenido energético de los alimentos, los alumnos
pueden pensar sobre la demanda energética en el ámbito de la técnica. El consumo energético
diario de un joven de aprox. 10.000 kilojoule (kJ) corresponde a la energía necesaria para:
hacer que un aparato de 1.000 vatios esté prendido durante 2,8 horas.
calentar 30 litros de agua de 20ºC a 100ºC.
Atención: Aún cuando los términos generación y consumo energéticos sean utilizados en forma
permanente en un contexto económico, los alumnos han de saber que desde el punto de vista
físico y técnico son incorrectos. La energía no se puede generar ni se puede consumir, sino que
sólo se puede transformar de una forma a otra.
En el experimento parcial 1 se transforma la energía de radiación en energía eléctrica y luego en
energía mecánica (motor).
En el experimento parcial 2 de energía mecánica se transforma en eléctrica.
En el experimento parcial 3 de energía mecánica en eléctrica y luego nuevamente en energía
mecánica y energía lumínica.
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Experimento parcial 1: La energía eléctrica a partir de la energía de radiación
de la luz
En las células solares se miden la tensión y la corriente. La potencia P se calcula a partir de los
valores de medición de la tensión U y la intensidad I.
Potencia P = Tensión U Intensidad I
Los posibles valores de medición en este experimento son:
Cantidad de células
Conexión Tensión [V] Intensidad [A] Potencia [W]
1 - 0,5 0,2 0,1
2 conexión en
serie 1,0 0,2 0,2
2 conexión paralela
0,5 0,4 0,2
Atención: Si bien la potencia calculada en base a la tensión en circuito abierto y la corriente de
cortocircuito constituyen parámetros típicos para la célula solar, no corresponde, sin embargo, a la
potencia efectiva bajo carga, es decir, si se conecta un consumidor. También, el motor solar
utilizado no es adecuado para determinar la potencia máxima posible de la célula solar. Para
determinarlo tendría que variar la resistencia a la carga y la medición de los valores de la corriente
y tensión. Es conveniente indicárselo a los alumnos para que no haya malentendidos.
Las mediciones muestran en forma clara que la tensión máxima se produce en una conexión en
serie; esto es comparable con la conexión en serie de pilas, para poner a disposición una mayor
tensión.
La intensidad máxima se consigue con una conexión paralela.
En esta medición la potencia obtenida cada vez con, p.ej., dos células, es igual, dado que el
cambio de la intensidad y la tensión prácticamente se compensan entre sí.
El motor solar empieza a girar cuando se alcanza una tensión de aprox. 0,4 V y una intensidad de
aprox. 0,014 A.
Estos valores se pueden alcanzar en función de la intensidad luminosa entre una a tres células
solares (conexión en serie).
Un consejo: Como ampliación del experimento se podría utilizar un espejo cóncavo para potenciar
la luz o para concentrar la luz que incide en la célula solar.
El material disponible en la caja permite que trabajen cuatro (4) grupos de alumnos en forma
simultánea. El multímetro y la lámpara halógena deben compartirse entre los grupos o disponer de
equipos adicionales.
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Experimento parcial 2: La energía eléctrica a partir de la fuerza del agua
En este experimento se transforma la energía potencial del agua en energía eléctrica, por tanto se
esperan como valores de medición de, p.ej., 0,07 V y 0,0025 A para una duración de 8 seg.
La energía eléctrica transformada se calcula a partir de la potencia P y el tiempo t:
Energía E = Potencia P
tensión [V] intensidad [A] potencia [W] tiempo [t] energía [Ws]
0,07 0,005 0,00035 8 0.028
Atención: La potencia calculada en base a la tensión en circuito abierto y la corriente de
cortocircuito no corresponde a la potencia efectiva bajo carga, es decir, si se conecta una carga.
Para determinarla se debería hacer las mediciones de corriente y tensión con una carga incluida
en el circuito.
Los alumnos reconocerán que a mayor altura de caída de agua, aumenta la tensión e intensidad;
y con ellas la potencia eléctrica.
Porque a mayor altura de caída del agua y creciente caudal aumenta la energía potencial del agua
y con ello también la energía eléctrica resultante.
Asimismo, describirán el principio de una central eléctrica de almacenamiento; cuando hay
energía excedente se bombea agua hacia arriba, cuando se necesita energía se deja que fluya
por las turbinas, transformando la energía potencial en energía eléctrica.
El material disponible en la caja permite que trabaje un (1) grupo de alumnos por vez.
Experimento parcial 3: La energía eléctrica a partir de la energía eólica
El viento hace girar la hélice de un motor eléctrico que hace las veces de generador.
Los posibles resultados de este experimento son:
Tensión [V] Intensidad [A] Potencia [W]
3,1 0,030 0,093
Se puede ver cómo el diodo luminoso que se utiliza aquí como carga se enciende a partir de una
tensión de 1,8 V.
Los alumnos han de entender que la potencia de una turbina eólica depende de la forma, la
superficie de la hélice y la intensidad del viento.
El material disponible en la caja permite que trabaje un (1) grupo de alumnos por vez.
Variantes de ejecución
Lo importante es el debate y la comparación de los resultados de los grupos entre sí.
Si los alumnos tienen problemas para realizar los cálculos, sólo debería pedirles que describan el
fenómeno.
Informaciones adicionales sobre el experimento
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Para preparar y/o profundizar este experimento encontrará información complementaria en el
portal de medios de la Fundación Siemens: https://medienportal.siemens-stiftung.org/
Por lo demás, en el portal de medios hay disponibles los siguientes paquetes informativos que se
pueden utilizar para abordar los diferentes aspectos de las energías renovables:
Las energías renovables – ¡El Sol, la clave del futuro!
El agua y la energía eólica – volver a descubrir fuentes de energía tradicionales
La energía solar térmica y fotovoltaica – energías con futuro.
El hidrógeno – ¿la fuente de energía del futuro?
Observaciones sobre la realización del experimento
Lugar en el que se realiza el experimento
No se requiere un lugar especial para realizar los experimentos.
Tiempo necesario
Advertencias de seguridad
Los experimentos sólo pueden ser realizados bajo la vigilancia del docente.
Hay que advertir a los alumnos que los materiales suministrados sólo se deben utilizar siguiendo
las instrucciones correspondientes.
Aparatos y materiales
A adquirir o preparar de manera previa:
Agua
Regla
Reloj
Fósforos
Si se realiza el experimento parcial 2 por primera vez, llevar de la caja de experimentación
también una velita y fósforos a fin de que la hélice grande se pueda doblar para que cumpla la
función de molino de agua.
Incluido en el suministro:
El cableado y la utilización correcta del multímetro, los LED y el motor es algo que debería aclarar
el docente de antemano en función de los conocimientos de los alumnos, si hace falta haciendo
una demostración.
Los materiales y aparatos importantes para la seguridad deben ser controlados antes de
entregárselos a los alumnos para comprobar que funcionen en forma correcta.
Para los experimentos parciales 1-3, se requieren para 1 grupo de alumnos los siguientes
materiales de la caja:
Preparación y realización, evaluación,
preguntas
Todos los experimentos parciales en bloque Hasta 180 min.
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Material Cantidad
Bandas elásticas 2x
Cables con pinzas de cocodrilo 6x
Células solares 2x
Cinta adhesiva 1x
Broche plástico 2x
Hélice grande 1x
Hélice chica 3x
Jeringa 60 ml 1x
Juego de cables de medición 1x
LED rojo (casquillo transparente) 1x
Motor solar pequeño 1x
Motor grande 1x
Multímetro digital 1x
Tijera 1x
Velita 1x
Recipiente contenedor 1x
Tablitas baja lengua 1x
Lámpara halógena 42 W 1x
Poner orden, eliminar residuos, reciclar
Todos los aparatos y casi todos los materiales suministrados en la caja se pueden reutilizar.
Por ello debería asegurarse de que al concluir cada experimento coloquen todo nuevamente en la
caja correspondiente. De esta manera, puedan ser encontrados en forma rápida y segura.
Los aparatos que se hayan ensuciado al realizar los experimentos, como, p.ej., vasos, recipientes,
cucharas, tubos de ensayo, deberían ser limpiados antes de colocarlos en las cajas. Los alumnos
deberán higienizarlos una vez concluida la experiencia.
Por ejemplo, hay que poner a cargar las pilas usadas. (También es recomendable cuando no se
han usado las pilas desde hace tiempo).
Los materiales no reciclables como, p.ej., los palitos de medición del valor pH o el papel de filtro,
deben ser tirados a la basura correcta.
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Fig. 1: La medición con una célula
solar.
1) La energía eléctrica a partir de la energía de radiación de la luz
Aparatos y materiales
• 1 multímetro digital
• 1 juego de cable de medición
• 1 motor solar pequeño
• 1 hélice chica
• 2 células solares
• 8 cables con pinzas de cocodrilo
• 1 lámpara halógena 42 W (si hace falta)
• 1 Tablita baja lengua
• Bandas elásticas
Atención: Al finaliza la experiencia depositar los residuos en los cestos correspondientes, y/o
guardar en la caja de experimentación según indique el docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Realización del experimento
Conectar la célula solar con los cables de medición al multímetro
(¡atención al polo positivo y el negativo!) y dirigirla hacia la fuente de
luz (la luz del sol o el foco de luz), de forma tal que se pueda
determinar la máxima tensión (en mV) y la máxima corriente (en mA)
posibles para medir. (Fig. 1 y 2)
Conectar las dos células solares disponibles de forma que logren la
máxima tensión o la máxima intensidad. Tener en cuenta que en la
conexión en serie el polo positivo de una célula solar esté conectado
al polo negativo de la otra célula solar y si se trata de una conexión
paralela estén conectados el polo positivo con el positivo y el negativo
con el negativo. (Fig. 5, 6 y 7)
A fin de que las dos células solares reciban la misma luz deberán
estar montadas una junto a la otra sobre una tablita, tal como está
dibujado (Fig. 4).
Ahora conectar, según la luz que haya, primero una célula solar al motor
solar. Si todavía no se empieza a mover, entonces conectar dos células
solares una detrás de la otra.
Cuando el motor se empiece a mover medir los valores relativos a la tensión y la intensidad. (Fig.
3)
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Fig. 2: Diagrama eléctrico para
medir en una célula solar con un
multímetro cambiando el campo
de medición de la tensión (V) a
la intensidad (A).
Fig. 3: Funcionamiento del motor solar
conectado a una célula solar.
Fig. 4: Montaje de las células
solares en una tablita.
Fig. 5: Cableado en la
célula solar con
conexión en serie.
Fig. 6: Diagrama eléctrico de la conexión
en serie (a la izq.) y paralela (a la der.).
Fig. 7: Cableado con conexión
paralela. La segunda célula
solar no se debe conectar
directamente en la primera,
¡hay peligro de contacto flojo y
cortocircuito! En vez de eso
conectar el cable a través del
punto de cruce.
Para los alumnos
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Observación
Determinar los mayores valores de la tensión y la corriente, respectivamente, calcular dichos
valores en voltios (V) y amperios (A) y apúntenlos en una tabla.
Evaluación
La potencia P se calcula a partir de los valores de medición de la tensión U y la intensidad I.
Potencia P = Tensión U Intensidad I
Ejemplo para 0,3 V y 0,05 A ⇒ P = 0,3 V ⋅ 0,05 A = 0,015 W
Calcular a partir de los valores medidos la potencia:
Cantidad de células
Conexión Tensión [V] Intensidad [A] Potencia [W]
1 -
2 conexión en
serie
2 conexión paralela
Preguntas
a) Nombrar la conexión más indicada para obtener la tensión máxima o la intensidad máxima.
b) Comparar la potencia calculada con igual cantidad de células pero con diferente tipo de
conexión (conexión en serie o paralela) y explíquenlo.
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2) La energía eléctrica a partir de la fuerza del agua
Aparatos y materiales
1 multímetro digital
1 juego de cables de medición
4 cables con pinzas cocodrilo
1 motor grande
1 hélice grande (con las aspas
modificadas a 90°)
1 recipiente contenedor
Cinta adhesiva
1 regla
1 jeringa, 60 ml
1 reloj
Si hace falta, una velita
Agua
Atención: Al finalizar los experimentos depositar los residuos en el cesto correspondiente o
guardarlos en su caja según las indicaciones del docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Realización del experimento
Si el experimento es la primera vez que se realiza, deberá armar y doblar la hélice para convertirla
en un molino de agua.
Mantener el punto medio de cada aspa de la hélice durante unos 10 segundos sobre la llama de
una velita. El ala que debe doblarse debería estar aprox. 3 cm por encima de la llama. Esperar
que el plástico se ablande y doblar el ala caliente de 15 grados a 90 grados. Repetir este
procedimiento hasta que las tres aspas tengan un ángulo de 90 grados.
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Fig. 1: El molino de agua se mueve debajo del chorro de
agua.
Fig. 2: Diagrama eléctrico para
medir la electricidad y la tensión
Primero tapar con la cinta adhesiva las aperturas del motor grande de tal manera que sea
hermético y no pueda entrar el agua de eventuales salpicaduras.
Colocar la hélice grande en el motor grande formando un molino de agua, que ahora funcionará
como generador y conéctenlo con el multímetro.
Sacar de la jeringa de 60 ml el émbolo, llenarla con 60 ml de agua y cerrar el orificio con un dedo.
Colocar el generador con el molino de agua, encima de un recipiente colector.
Hacer que corra el agua sobre el molino de agua desde una altura de aprox. 30 cm.
No se olviden: ¡La distancia del molino de agua a la jeringa deben medirla con exactitud al
principio del experimento y todo el tiempo tiene que ser constante! (Fig. 1)
Medir con el reloj durante cuánto tiempo está en funcionamiento el motor. Repetir el experimento
con diferentes alturas, hasta que hayan determinado cuáles son los valores máximos para la
tensión (en mV), la intensidad (en mA) y el tiempo de funcionamiento del motor (en segundos).
(Fig. 2)
Se puede complementar la actividad con dos trípodes para fijar el motor y la jeringa y regular el
chorro de agua sobre el molino de agua.
Observación
Apuntar los valores máximos para la tensión (en mV), la intensidad (en mA) y el tiempo de
funcionamiento del motor (en segundos).
Calcular los valores obtenidos en voltios (V) y amperios (A) y colocar los valores en una tabla
siguiendo el siguiente ejemplo:
Para los alumnos
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altura [cm] tensión [V] intensidad [A] tiempo [s] potencia [W] energía [Ws]
Evaluación
La energía eléctrica transformada se calcula a partir de la potencia P y el tiempo t:
Energía E = Potencia P ⋅ Tiempo t
Ejemplo para 0,03 W y 5,5 s ⇒ E = 0,03 W ⋅ 5,5 s = 0,165 Ws = 0,165 J
a) Explicar cómo influye la altura de caída del agua en la energía del agua y, por tanto, la potencia
del molino de agua.
b) Calcular la potencia y la energía a partir de los valores medidos y apúntenlas en una tabla.
c) Explicar cómo configurarían el experimento para obtener un máximo de energía eléctrica con el
molino de agua.
Preguntas
Las centrales hidroeléctricas generan por la noche más energía de la necesaria, que se desea
almacenar para el consumo durante el día. Desarrollar una instalación técnica utilizando turbinas
de agua para construir un sistema de almacenamiento que funcione bien.
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Para los alumnos
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Fig. 2: Configuración del experimento para
accionar el motor pequeño lo mejor es fijarlo
con el broche plástico.
Fig. 1: Motor grande
con dos hélices.
3) La energía eléctrica a partir de la energía eólica
Aparatos y materiales
1 multímetro digital
1 juego de cables de medición
3 hélices chicas
1 LED rojo (con casquillo transparente)
1 broche plástico
1 motor solar pequeño
1 motor grande
6 cables con pinza de cocodrilo
Atención: Al concluir la experiencia depositar los residuos en el cesto según corresponda o
guardar en la caja, de acuerdo a las indicaciones del docente.
Advertencias de seguridad
Los materiales sólo pueden utilizarse según las instrucciones del experimento o las del docente.
Realización del experimento
Preparar el motor solar pequeño con una hélice chica y el motor grande
con dos hélices chicas en forma de cruz. (Fig. 1)
Conectar el motor más grande al motor solar pequeño, más sensible, y
soplar sobre la hélice doble del motor grande intentando que arranque el
motor solar pequeño. (Fig. 2)
Ahora conectar un LED al motor solar grande (prestar atención a los polos: ¡la patita larga del LED
es el polo positivo!). Soplar con fuerza hasta que se prenda en forma leve el LED.
Medir la tensión con el multímetro, conectar las pinzas de cocodrilo a las patitas del LED.
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Fig. 3: Diagrama eléctrico para medir la electricidad y la
tensión.
Determinar la tensión máxima (en mV) y la intensidad máxima (en mA) que puede alcanzar
soplando sobre la hélice doble. (Fig. 3)
Repetir el experimento haciendo que todos soplen.
Observación
Registrar la tensión (en mV) y la intensidad (en mA) máximas observadas.
Calcular los valores obtenidos en voltios (V) y amperios (A) y registrar los valores en una tabla,
según el siguiente ejemplo:
Reflexionar sobre cuán elevada debe ser la tensión (en mV) para que se prenda visiblemente el
LED.
Evaluación
a) Calcular las potencias alcanzadas por la turbina de viento.
b) Explicar la influencia de la intensidad del viento, es decir, la intensidad del soplido sobre
la potencia de la turbina de viento.
Preguntas
a) Explicar qué cambios tendrían que hacerse en la turbina de viento para aumentar la
potencia.
Medición Tensión [V] Intensidad [A] Potencia [W]
1
2
3
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Anexo 1: Experimentos complementarios
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A1 Circuito eléctrico sencillo
Experimento parcial A1.1 ¡Hagan que se prenda la lámpara!
Experimento parcial A1.2 Esquemas de conexión
Experimento parcial A1.3 Conexión y desconexión
Experimento parcial A1.4 Interrogatorio eléctrico
Pregunta a investigar
¿Cómo deben combinarse cables, pilas, interruptores y otros componentes eléctricos para que se
encienda un foco o un motror funcione?
Los alumnos descubren cómo cerrar o abrir (interrumpir) correctamente un circuito eléctrico y
dibujan diagramas de sus circuitos.
Información general
Relevancia en el diseño curricular
El objetivo es sensibilizar a los niños respecto a los diferentes tipos de transformación de la
energía en situaciones cotidianas. Para ello, los alumnos identifican aparatos que consumen
corriente eléctrica conocidos del día a día, y forman categorías funcionales sobre el uso de la
energía eléctrica. Así también conocen diferentes formas de energía. (¡La energía es algo con lo
que se puede generar luz, calor o movimiento!)
Al adquirir primeras experiencias construyendo circuitos eléctricos se desarrolla una comprensión
básica de que el flujo de la corriente eléctrica permite transportar la energía de una fuente a los
distintos aparatos y que éstos, a su vez, consumen la energía de diferentes formas.
El tema de la energía ofrece múltiples referencias cruzadas al tema del reciclaje y de la eficiencia
energética (por ejemplo, la generación de electricidad y calor en las plantas de reciclaje de basura
orgánica, el aprovechamiento de la energía térmica en el reciclaje de botellas de plástico).
Partiendo de las propias construcciones se destacan otras referencias al tema (construcción de un
interruptor, soluciones técnicas para evitar falsos contactos). La referencia a las matemáticas
surge del empleo de símbolos (de conexión) como signos acordados mundialmente. Antes de
iniciar la serie de experimentos deben considerarse las normas de seguridad relevantes sobre el
trabajo con la corriente eléctrica.
Temas y terminología
Circuito eléctrico - flujo de corriente eléctrica - componente - energía - fuente de energía -
conductores eléctricos - falso contacto
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Conocimientos a adquirir
Los alumnos ...
entienden el concepto de un circuito eléctrico. Conocen diferentes variantes de
componentes convencionales y saben emplearlos correctamente,
encuentran posibles soluciones técnicas para interruptores sencillos,
son capaces de identificar errores o fallas en un circuito eléctrico sencillo,
dibujan diagramas sencillos de los circuitos eléctricos que ellos mismos han construido y
comprenden el significado de los símbolos empleados.
Aspectos organizativos
Lugar en el que se realiza el experimento
Todos los experimentos pueden llevarse a cabo sobre una simple mesa en el aula de clase.
También pueden realizarse sin una vigilancia especial.
Tiempo necesario
Cada experimento parcial equivale a una clase de aprox. 45 min.
Aparatos y materiales
A adquirir previamente:
Clips
Cartón o cartulina
Papel, pegamento, lápices de colores
Incluido en la caja de experimentación:
8 cables con pinzas de cocodrilo.
2 portafoquitos
2 foquitos 2.5v
1 portapilas
2 pilas AA
10 ganchos mariposa
1 chapa de cobre
1 chapa de hojalata
1 tijera
1 broche plástico
1 cinta adhesiva
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Variantes de ejecución
La mejor forma de realizar los experimentos parciales es en grupo. Tamaño de grupo
recomendado: 3-4 alumnos. También existe la posibilidad de realizar los experimentos
individualmente.
Realización
Experimento parcial A1.1 ¡Hagan que se prenda la lámpara!
Los alumnos construyen un circuito eléctrico sencillo. Por una parte, conocen fuentes de error
característico y su eliminación, y, por otra, aprenden que sólo un circuito eléctrico cerrado
funciona correctamente.
El material disponible en la caja permite que trabajen cuatro (4) grupos de alumnos en forma
simultánea.
Información técnica
La corriente eléctrica se genera cuando los electrones se ponen en movimiento. Los electrones
son partículas con carga negativa, presentes en los elementos más pequeños de todas las
sustancias que nos rodean: los átomos.
La estructura de un átomo:
De manera análoga al agua impulsada por una bomba dentro de un circuito de agua, la corriente
eléctrica únicamente puede fluir a través de un circuito cerrado: de la pila al foco y de vuelta a la
pila. Siguiendo la analogía, la pila asume la función de la bomba de agua, pero en lugar de
bombear agua, bombea electrones. Si de la pila sólo conduce un cable al foco, faltando el cable
de vuelta a la pila, entonces el circuito eléctrico no está cerrado. La corriente eléctrica deja de fluir.
La energía es necesaria cada vez que se desea, por ejemplo, acelerar un cuerpo, calentar una
sustancia o hacer que fluya corriente eléctrica. La energía es por tanto algo así como trabajo
almacenado. La energía no puede crearse de la nada, como por arte de magia, ni tampoco puede
desaparecer. Pero diferentes formas de energía pueden transformarse una en otra. Un foco, por
ejemplo, transforma la energía eléctrica proporcionada por una pila en energía lumínica. Al
Para el profesor
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moverse los electrones por el estrecho filamento incandescente la fricción que se produce entre
ellos hace que generen tanto calor que se produce la incandescencia del filamento y se enciende
el foco.
¡Esto no significa que la energía se consuma, sino que se transforma! A pesar de ello, en la
electrotecnia se ha generalizado el uso del término “consumo de energía” para referirse al
funcionamiento de aparatos electrónicos y sus componentes; sin embargo, en los documentos
evitamos el use de del concepto “consumo de energía”.
Conocimientos previos
Una idea muy extendida entre los alumnos es que la corriente únicamente fluye hasta el foco,
donde es consumida, es decir, que un único cable como “conductor de ida” es suficiente. Pero en
realidad la corriente eléctrica no es consumida, sino que más bien transporta la energía de la pila
al foco. La corriente únicamente puede fluir si retorna de nuevo a la fuente de energía, para lo cual
es necesario un segundo conductor eléctrico.
Experimentar
Los alumnos construyen un circuito eléctrico sencillo. En la hoja “¿Necesitan ayuda?” se
describen errores típicos en el diseño de un circuito eléctrico y su posible solución.
Observar
Los alumnos aprenderán que no siempre sale todo bien en el armado del primer circuito eléctrico
o que deja de funcionar ante la menor sacudida. La identificación de los errores y su eliminación
sin ayuda del profesor es un desafío esencial del experimento y de las oportunidades de
aprendizaje que se propone.
Reflexionar
Los alumnos adquieren una noción clara de las dificultades y fuentes de error típicas a partir de un
circuito eléctrico sencillo. Esta experiencia les será útil a la hora de construir circuitos eléctricos
más complejos.
Información complementaria
Los grupos pueden comparar sus circuitos eléctricos y deliberar sobre las diferencias de
construcción. Presten atención a los consejos que figuran en la hoja anexa al documento de
orientación para los alumnos A1.1 titulada “¿Necesitan ayuda?”.
Experimento parcial A1.2 Esquemas de conexión
Los alumnos dibujan un esquema de conexión de su circuito eléctrico sencillo con los símbolos
gráficos comunes.
El material disponible en la caja permite que trabajen cuatro (4) grupos de alumnos en forma
simultánea.
Información técnica
Los esquemas de conexión son una herramienta importante de la ingeniería eléctrica. Para ello,
se emplean símbolos internacionales estandarizados (símbolos gráficos) para cada uno de los
Para el profesor
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diferentes componentes de un circuito eléctrico. Con ayuda de este tipo de esquemas de conexión
resulta más fácil planificar, construir y verificar circuitos eléctricos.
Ejemplos de símbolos eléctricos con el correspondiente esquema de conexión sencillo:
Conocimientos previos
El diseño de un esquema de conexión ayuda a los alumnos a comprender el concepto científico
de que la corriente fluye en un circuito cerrado. El uso de símbolos gráficos estandarizados les
ayuda, además, a abstraerse de las diferentes variantes de los componentes reales (por ejemplo,
diferentes cables) y a concentrarse en su auténtica función (por ejemplo, la conducción de la
corriente eléctrica). Los alumnos deberían disponer en sus primeras experiencias con un circuito
eléctrico de fabricación propia.
Experimentar
Los alumnos dibujan el esquema de conexión del circuito eléctrico sencillo. La experiencia nos
dice que algunos no se limitarán a los símbolos de conexión abstractos, sino que completarán el
esquema de conexión con detalles de los componentes reales. En ese caso el profesor debe
advertir sobre la necesidad de utilizar exclusivamente los símbolos indicados.
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También es posible que algunos alumnos no dibujen un circuito eléctrico cerrado. El profesor
puede entonces ayudar a los alumnos a corregir su esquema y hablar con ellos sobre la
necesidad de que los circuitos deben estar cerrados para que funcionen adecuadamente.
Observar
A los alumnos les resultará más fácil reconocer a partir de un esquema de conexión correcto que
los conductores eléctricos o cables forman un circuito cerrado “fuente de energía - foco - fuente de
energía”.
Reflexionar
Los alumnos, mientras reflexionan, comparan el esquema de conexión con su circuito eléctrico
real y su construcción. Eso les ayuda a comprender la función de los componentes como una
característica esencial, así como a abstraerse de su forma, color, etc.
Información complementaria
Para profundizar en el tema, el profesor puede escoger un esquema de conexión y plantear al
resto de grupos que modifiquen sus propios circuitos eléctricos de manera que presenten la
misma disposición de componentes. A continuación, los alumnos pueden debatir si ello ha
supuesto algún cambio en el funcionamiento de los circuitos eléctricos.
Otra alternativa sería encargar a cada grupo que dibuje un esquema de conexión, que a su vez
deberá ser reconstruido por otro grupo. Después puede tener lugar un debate sobre la ventaja de
utilizar esquemas de conexión.
Los símbolos estandarizados que se utilizan en los circuitos eléctricos brindan algunas ventajas
técnicas: Al haber acordado la utilización de los mismos símbolos a nivel internacional es posible
construir los circuitos eléctricos en poco tiempo y sin tener que hacer preguntas adicionales.
Además, los expertos pueden detectar sobre la base de un circuito eléctrico eventuales errores y
pueden buscar alternativas sin haber tenido que construir primero el circuito.
Experimento parcial A1.3 Conexión y desconexión
Los alumnos integran un interruptor en su circuito eléctrico. Construyen su propio interruptor a
partir de materiales cotidianos.
El material disponible en la caja permite que trabajen cuatro (4) grupos de alumnos en forma
simultánea.
Información técnica
Un interruptor abre y cierra un circuito eléctrico. Para ello posee un elemento conductor móvil,
cuya posición determina si el flujo de corriente está interrumpido (interruptor abierto) o si la
corriente eléctrica puede fluir (interruptor cerrado). Si se utilizara el ciclo del agua como modelo
para el circuito eléctrico (véase A1 “Circuito eléctrico sencillo”), un interruptor sería algo así como
una llave de agua. Si se cierra la llave de agua integrada en el ciclo de agua, el agua ya no podrá
seguir fluyendo. Si se abre un interruptor en un circuito eléctrico, ya no podrán circular los
electrones y se apagaría el foco.
Conocimientos previos
Para el profesor
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Al principio, los alumnos tendrán ideas bastante vagas y discrepantes sobre, a) el modo en que un
interruptor funciona mecánicamente, y b) cuál debe ser su ubicación exacta dentro del circuito
eléctrico sencillo. Los diagramas y las fotografías les ayudan a debatir sobre sus ideas
preconcebidas y a llegar posteriormente a una respuesta a través de su propia actuación.
Los alumnos deben conocer un circuito eléctrico sencillo y de ser posible estar familiarizados con
su respectivo esquema de conexión.
Experimentar
Los alumnos construyen un interruptor a partir de materiales cotidianos y lo integran en el circuito
eléctrico. Parte del ejercicio consiste en descubrir dónde debe colocarse el interruptor.
En el documento de orientación para los alumnos figuran a modo de inspiración gráficos de
diferentes interruptores de fabricación casera.
Observar
Los alumnos observan que el interruptor sólo cumple su función cuando se monta en cualquiera
de los conductores eléctricos entre la pila y el foco. Durante la construcción de su propio
interruptor comprobarán que la precisión en el trabajo y lograr conexiones firmes son muy
importantes para el buen funcionamiento. A través de la comparación con los otros grupos
aprenden nuevas ideas para construir interruptores con materiales cotidianos. Estas experiencias
les serán muy valiosas para posteriores tareas más complejas.
Reflexionar
Durante la reflexión, los alumnos describen con sus propias palabras dónde se debe montar el
interruptor y por qué esa solución conduce al resultado deseado. Además describen el modo de
funcionamiento de un interruptor. Ambas cuestiones les ayudan a consolidar el concepto de la
necesidad de construir circuitos eléctricos cerrados.
Experimento parcial A1.4 Interrogatorio eléctrico
Los alumnos construyen un interrogatorio eléctrico simple con aprox. 3 ó 4 parejas de imágenes o
palabras.
El material disponible en la caja permite que trabajen cuatro (4) grupos de alumnos en forma
simultánea.
Información técnica
Un “interrogatorio eléctrico” guarda una gran similitud con un probador de continuidad: un
probador de continuidad contiene un circuito eléctrico abierto con una pila y un transmisor de
señal (por lo general es un foco o un zumbador).
Esquema de conexión de un probador de continuidad:
En realidad un probador de continuidad es un tipo de interruptor.
El transmisor de señal indica si ese circuito eléctrico abierto ha
sido cerrado, por ejemplo, al conectar a través de un cable las
conexiones del probador de continuidad. En circuitos complejos o
caóticos, el probador de continuidad sirve para comprobar
Para el profesor
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fácilmente si dos puntos de un circuito están conectados eléctricamente.
Conocimientos previos
Muchos alumnos ya conocen, por lo menos de vista, circuitos reales, placas de circuitos impresos
o esquemas de conexión complejos. Su apariencia resulta generalmente impenetrable, por lo que
contar con aparato verificador de continuidad resulta de gran utilidad. Los alumnos deben conocer
ya un circuito eléctrico sencillo y su respectivo esquema de conexión.
Experimentar
Aparte de sus habilidades manuales, los alumnos desarrollan aquí también su creatividad, al
configurar el interrogatorio eléctrico según sus propias ideas. Profundizan en el concepto de
“circuito eléctrico cerrado” a través de la ejecución compleja del circuito.
Observar
Durante este experimento se presentan por lo general errores típicos de los circuitos eléctricos; se
continúa practicando la identificación y eliminación de fallas. Los alumnos experimentan que un
circuito con un cableado complejo no resulta tan fácil de comprender y donde es más difícil
encontrar las fallas.
Reflexionar
Los alumnos reflexionan sobre el modo más claro y ordenado de tender los cables. Los cables
suelen disponerse también de forma ordenada en los circuitos profesionales o comerciales, a fin
de garantizar la claridad a la hora de hacer reparaciones o trabajos de mantenimiento.
Para los alumnos
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Anexo 1: Experimentos complementarios
A1 Circuito eléctrico sencillo
A1.1. ¡Hagan que se prenda la lámpara!
Muchas de las cosas cotidianas necesitan electricidad, como lámparas, televisores, heladeras y
otros aparatos. Estos aparatos transforman la energía eléctrica, por ejemplo, en luz, calor o
movimiento.
Para que la energía pueda llegar allí donde se necesita, se precisan cables, también llamados
conductores eléctricos. La combinación de fuente de energía, cables y aparatos eléctricos recibe
el nombre de “circuito eléctrico”.
¿Cómo se imaginan un circuito eléctrico en el que la corriente eléctrica
circule por el mismo?
Lista de materiales
1 foquito 2.5v
1 portafoquito
1 portapila
2 pilas AA
2 cables con pinza cocodrilo
En todas partes encontrarán circuitos eléctricos.
¡Construyan un circuito eléctrico y hagan que se prenda el foco!
Coloquen primero las pilas en el portapilas. Coloquen el foco en el portafoquito.
Encuentren las conexiones en el portapilas y en el portafoquito. Utilicen dos cables para conectar
el portapilas con el portafoquito: conecten cada una de las conexiones del portapilas con una
conexión del portafoquito.
¡Si se prende el foco, es que han hecho todo correctamente!
Si todavía no funciona, en la hoja “¿Necesitan ayuda?” podrán encontrar algunos consejos útiles.
Describan las dificultades que tuvieron hasta conseguir que por fin se encendiera el foco. ¿Qué es
lo que más problemas les ha ocasionado y cómo lo han resuelto?
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¿Necesitan ayuda?
Conductores eléctricos
Los cables con pinzas de cocodrilo pueden ser usados
directamente como conductor eléctrico.
Conexiones
Cada componente (foco, motor, pila,…) de estos experimentos
tiene dos conexiones.
Pilas: las conexiones de las pilas se llaman polos. Una pila AA
tiene el polo positivo arriba y el polo positivo abajo. Los polos
de la caja portapilas son las lengüetas o tornillos metálicos que
sobresalen.
Focos: Los focos se usan con un portafoquito. Las
conexiones de los portafoquito pueden ser, por ejemplo, dos
tornillos o dos lengüetas metálicas.
Problemas típicos en los circuitos eléctricos:
Falso contacto:
Uno de los cables no está bien fijado. Solución: comprobar la buena fijación de todos los
cables a sus conexiones.
Cortocircuito:
Si los extremos desnudos de dos cables se tocan o si un extremo de cable pelado toca al
mismo tiempo dos conexiones, entonces la corriente puede tomar un “atajo” y no fluye por la
trayectoria que debiera. Solución: comprobar que todos los extremos de cable y todas las
conexiones estén conectados en el lugar correcto.
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A1.2 Esquemas de conexión
Un esquema puede ser de gran ayuda a la hora de planificar y diseñar conexiones eléctricas. Por
medio de un “esquema de conexión” es más fácil reconocer si todo está bien interconectado.
Esto es importante sobre todo cuando se emplean muchos componentes diferentes. Para dibujar
un esquema de conexión se usan símbolos específicos, por ejemplo:
Para el portafoquito no se emplea, por lo general, ningún símbolo ya que, por así decir, va incluido
en el símbolo del foco.
¿Qué ventajas tiene el hecho de emplear, para los componentes eléctricos, símbolos sencillos e
internacionalmente conocidos?
Lista de materiales
1 foquito 2.5v
1 portafoquito
1 portapila
2 pilas AA
2 cables con pinza de cocodrilo
1 hoja de papel
1 lápiz
Símbolos de los componentes
¡Dibujen con los símbolos indicados un esquema de conexión de su circuito eléctrico!
Para los alumnos
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Lo más importante en un esquema de conexión es poder reconocer rápidamente lo que produce
la conexión. Por ello, el esquema debe ser lo más sencillo posible:
Dibujen los cables sólo con líneas rectas y ángulos rectos. Es decir, no hace falta dibujar cada
curva del cable “real”.
No es necesario que dibujen el modo en que han fijado los cables a las conexiones. Este tipo de
detalles no se representan en un esquema de conexión.
Tampoco dibujen ningún otro detalle que no sea estrictamente necesario para el funcionamiento
del circuito eléctrico. Así, por ejemplo, no es necesario que dibujen la forma del portafoquito, el
color del cable o el nombre que figura sobre la pila.
Esquema dibujado a mano Esquema de conexión
Comparen el símbolo de la pila con el portapilas de verdad: ¿encuentran también el signo de
positivo y negativo en los polos de las pilas?
Visualicen el recorrido de la corriente eléctrica trazando con el dedo su trayectoria: tanto en el
esquema de conexión como en el circuito eléctrico que han construido.
Recuerden: la corriente únicamente fluye dentro de un circuito cerrado y retorna de nuevo a la
pila.
¿Qué podrían modificar en su circuito eléctrico real sin tener que dibujar un nuevo esquema de
conexión? Por ejemplo, podrían cambiar el portafoquito por otro – el esquema de conexión no se
vería afectado por ello.
¿Qué otra cosa se les ocurre? Comparen para ello también los esquemas de conexión y los
circuitos eléctricos reales de los otros grupos.
Para los alumnos
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A1.3 Conexión y desconexión
La mayoría de aparatos eléctricos pueden ser conectados y desconectados, como lámparas,
radios, lavadoras, etc. Para que no haya que soltar un cable o desenroscar la lámpara cada vez
que se quiera apagar el aparato, se emplea un componente adicional: un interruptor.
Un interruptor es un aparato muy sencillo que sirve para abrir y cerrar un circuito. El símbolo del
interruptor en el esquema de conexión tiene este aspecto:
Símbolo del interruptor Esquema de conexión de un circuito eléctrico con
interruptor
¿Dónde creen que debe colocarse el interruptor en su circuito eléctrico para poder prender y
apagar el foco?
a) ¿Entre la pila y la lámpara?
b) ¿Sólo en la pila?
c) ¿Sólo en la lámpara?
Lista de materiales
1 foquito 2.5v
1 portafoquito
1 portapila
2 pilas AA
4 cables con pinza de cocodrilo
Chapa de aluminio
Chapa de cobre
Papel de aluminio
Tijera
Broches plásticos
Cinta adhesiva
Ganchos mariposa
Cartulinas y cartones
Otros materiales para fabricar un interruptor
Para los alumnos
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¡Coloquen un interruptor en su circuito eléctrico!
Construyan un circuito eléctrico sencillo.
Construyan su propio interruptor con materiales corrientes y úsenlo en el circuito eléctrico .
Para ello, observen las imágenes de los diferentes interruptores de fabricación casera.
Reconstruyan uno de ellos o busquen por su cuenta una solución.
Usen para el interruptor, por ejemplo:
Una pequeña base (un trozo de cartón, corcho u otro material no conductor)
Un material conductor al que se puedan fijar los extremos del cable (por ejemplo, ganchos
mariposa)
Un material conductor móvil, para poder abrir y cerrar circuito eléctrico (por ejemplo, un
alambre, un clip o un trozo de papel de aluminio)
Comparen su solución con las soluciones de los otros grupos.
¿En qué lugar del circuito eléctrico debe estar colocado el interruptor para que pueda cumplir su
función?
¿Qué ocurre cuando el interruptor está abierto? ¿Y qué pasa cuando está cerrado? Descríbanlo
con frases del estilo:
“La corriente fluye de la pila a ……………………….……….,desde allí a
……………………….………., y de allí a ……………………….………”.
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A1.4 Interrogatorio eléctrico
¿Han visto alguna vez un interrogatorio eléctrico?
Un interrogatorio eléctrico es un juego en el que hay que encontrar parejas de imágenes
relacionadas entre sí. Podrán comprobar si las imágenes forman una pareja utilizando dos cables
que van unidos a un foco. Si tienen razón se prenderá el foco.
¿Cómo funciona el interrogatorio eléctrico?
Los dos cables, el foco y una pila forman una especie de aparato
verificador. El foco únicamente se ilumina cuando puede fluir la
corriente eléctrica entre ambos cables.
Un aparato de ese tipo se llama “probador de continuidad”. Sirve
para comprobar si entre dos puntos determinados hay una
conexión eléctrica y puede fluir la corriente eléctrica.
El secreto está en la conexión de las parejas de
imágenes. Ellas están conectadas entre sí a través de
un cable tendido por el lado oculto del juego. Al aplicar
los dos cables del probador de continuidad sobre una
pareja de imágenes seleccionadas correctamente, ¡la
corriente puede fluir y se prende el foco!
En la vida cotidiana también se utilizan comprobadores
muy similares. Por ejemplo, para comprobar circuitos
difíciles de inspeccionar o muy complejos. ¿Han visto
alguna vez un circuito realmente complicado?
Lista de materiales
1 portapila
2 pilas AA
8 cables con pinza de cocodrilo
1 foquito 2.5v
1 portafoquito
Papel de aluminio
1 trozo de cartón o cartulina tamaño
A4
10 ganchos mariposa
lápices de colores
1 tijera
1 pegamento
Los circuitos eléctricos pueden ser muy
complicados.
Esquema de conexión de un
probador de continuidad:
Para los alumnos
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¡Construyan un interrogatorio eléctrico!
Primero tienen que construir un probador de continuidad. Para ello pueden mirar el esquema de la
página anterior.
Armen un circuito sencillo, una vez que verifiquen que funciona correctamente agreguen un cable
adicional y dejen el circuito abierto.
Comprueben que al unir los extremos de los cables sueltos la lámpara se enciende.
¡Felicitaciones!, armaron un probador de continuidad.
Para la base:
Escriban palabras o pinten imágenes sobre pequeños trozos de papel, de manera que formen
parejas.
Sobre una cartulina peguen las imágenes cuidado de que las parejas no estén juntas y que la
distancia entre ambas no sea mayor al largo de los cables con cocodrilo.
Coloquen un mínimo de tres parejas, aunque también pueden ser más.
Hagan un agujero en el cartón junto a cada imagen (o palabra) e introduzcan en cada agujero un
gancho mariposa. Estos serán las conexiones para los cables.
Por el lado posterior del cartón, conecten los ganchos mariposa de cada pareja con 1 cable con
cocodrilo.
¡Prueben su interrogatorio eléctrico! ¿Funciona?
Si tienen algún problema, consulten la hoja “¿Necesitan ayuda?”.
Observen detenidamente el cableado al dorso del interrogatorio eléctrico e intenten identificar qué
cables están conectados con qué conexiones.
Los circuitos eléctricos contienen a menudo muchos cables. Para no perderse entre tantos cables,
procuren tender los cables uno junto a otro, es decir, evitando que se crucen.
¿Cómo podrían colocar los cables en el lado posterior del interrogatorio eléctrico de forma de
disponerlos uno junto a otro sin cruzarse? (No vale cambiar de lugar a las parejas de
imágenes/palabras).
Para el profesor
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A2 Conductores y aisladores
Experimento parcial A2.1 ¿Qué son conductores y aisladores?
El material disponible en la caja permite que trabajen cuatro (4) grupos de alumnos en forma
simultánea.
Pregunta a investigar
Los alumnos equipados con los probadores de continuidad construidos en A1.4 se convierten en
detectives a la búsqueda de materiales conductores de electricidad.
¿Con qué objetos o materiales se prende la lámpara de comprobación? En este proceso de
búsqueda aprenden que los aisladores juegan un papel importante en la construcción de aparatos
eléctricos.
Información general
Relevancia en el diseño curricular
Los conocimientos sobre la conductividad de los materiales forman parte de los conocimientos
básicos sobre la corriente y la electricidad, y son esenciales para aplicaciones técnicas. Los
métodos empleados permiten que los alumnos encuentren sus propias soluciones. Se trata no
sólo de proporcionar conocimientos de física, sino también de que los alumnos se familiarice con
métodos científicos/experimentales: constatación de los conocimientos previos, formulación de
suposiciones e hipótesis, reflexión sobre el diseño del experimento, realización y documentación
del experimento y, por último, reflexión sobre los resultados. Si los alumnos ya disponen de
conocimientos básicos sobre el interruptor, puede producirse una transferencia de conocimientos
a los experimentos A1.1-A1.4: “Circuitos eléctricos sencillos”.
Temas y terminología
Conductor, aislador/no conductor, metales, no metales
Conocimientos a adquirir
Los alumnos ...
son capaces de distinguir objetos y materiales conductores o no conductores,
son capaces de evaluar para qué componentes de un aparato electrónico es necesario
material conductor o bien material aislante,
son capaces de transferir sus conocimientos encontrando soluciones para un problema
técnico.
Aspectos organizativos
Lugar en el que se realiza el experimento
Todos los experimentos pueden llevarse a cabo sobre una simple mesa en el aula de clase.
Todos los experimentos parciales pueden realizarse también sin una vigilancia especial.
Tiempo necesario
Cada experimento parcial dura una clase de aprox. 45 min.
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Aparatos y materiales
A adquirir previamente:
Materiales diversos, objetos cotidianos (cuchara de plástico, cuchara de metal, lápiz, restos de
tela, etc.)
Incluido en la caja de experimentación:
1 portapila
2 pilas AA recargables
1 foquitos 2.5v
1 portafoquito
4 cables con pinza de cocodrilo
Variantes de ejecución
La mejor forma de realizar los experimentos es en grupo (tamaño de grupo recomendado: 3-4
alumnos). También existe la posibilidad de realizar los experimentos individualmente.
Experimento parcial A2.1 ¿Qué son conductores y a isladores?
Los alumnos investigan el carácter conductor/aislante de diferentes objetos cotidianos y de
diferentes materiales.
Información técnica
Para la realización de circuitos eléctricos no sólo se requieren materiales conductores, sino
también no conductores (aislantes). Los electrones de conducción pueden moverse fácilmente a
través de materiales conductores, como, por ejemplo, los metales, debido a que apenas son
atraídos por los núcleos de los átomos.
Para el profesor
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Los metales son por lo tanto buenos conductores de electricidad. En los llamados materiales
aislantes como, por ejemplo, el plástico, los electrones no tienen tanta movilidad, razón por la cual
los aislantes no conducen fácilmente la corriente eléctrica. El recubrimiento de plástico de los
cables eléctricos evita que la corriente eléctrica fluya a través de nuestro cuerpo al tocar un cable.
La corriente eléctrica no es conducida a través de nuestro cuerpo, sino que continúa fluyendo por
el cable. Por eso, el conocimiento de la conductividad de diferentes materiales y sus componentes
forma parte de los conocimientos fundamentales sobre los circuitos eléctricos.
Un ciclo de agua compuesto por una bomba (“pila”), tubos (“conexiones”), una rueda hidráulica
(“foco”) puede servir de modelo para entender lo que ocurre en un circuito eléctrico.
El agua sólo fluye en círculo y acciona la rueda hidráulica cuando los tubos están conectados
herméticamente. El flujo de agua puede pasar por cualquier tubo (esto corresponde a las
conexiones en un circuito eléctrico), pero no puede pasar a través de las paredes de los tubos
(“aisladores”). Al igual que existen objetos por los que puede o no pasar el agua, hay también
materiales que permiten (“conductores”) o impiden (“aisladores”) el paso de los electrones.
Conocimientos previos
La mayoría de alumnos ya tienen una noción de que los metales conducen la electricidad y que
otros materiales no lo hacen. En este experimento parcial conocerán la conductividad de los más
diversos materiales cotidianos. Los alumnos deben conocer ya lo que es un circuito eléctrico
sencillo.
Experimentar
Los alumnos construyen un circuito eléctrico abierto a modo de aparato verificador (idéntico al
probador de continuidad de A1.4) y comprueban con él las propiedades conductoras de
electricidad de diferentes objetos.
Observar
Los alumnos clasifican los objetos seleccionados (cuchara, corcho,…) en función de su suposición
de sus cualidades como conductor/aislante. Estos objetos les son familiares y apenas tendrán
problemas para identificar de antemano las propiedades del material.
Reflexionar
Los alumnos realizan a continuación una abstracción y deducen qué materiales (metal, madera,
plástico…) son buenos conductores o malos conductores. Esto les ayuda a la hora de transferir
sus conocimientos a cuestiones como qué materiales son adecuados para la construcción de
componentes eléctricos.
Información complementaria
El grafito no es un metal, pero conduce la electricidad y a menudo se emplea como material para
componentes electrónicos. La importancia de este material desde el punto de vista electrotécnico
y su propiedad como conductor de electricidad son aspectos que convendría comentar con los
alumnos.
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La conductividad del grafito puede comprobarse muy fácilmente, por ejemplo, con ayuda del
aparato verificador de fabricación propia y un lápiz afilado por ambas puntas o la mina de un lápiz
portaminas.
Para los alumnos
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A2.1 ¿Qué son conductores y aisladores?
Puede que ya hayan escuchado alguna vez las palabras “conductor” y “aislante”.
Se llama conductores a los materiales capaces de conducir la corriente eléctrica, se utilizan por
ejemplo, para los cables y las conexiones en los componentes eléctricos.
Aisladores o aislantes son los materiales que apenas conducen la electricidad o no lo hacen en
absoluto. Se usan, por ejemplo, en lugares donde no debe fluir corriente eléctrica.
Por esa razón, los cables están hechos por dentro de alambre (un conductor) y envueltos por
fuera de plástico (un material aislante). Eso permite que dos cables puedan estar apoyados uno
encima de otro sin que fluya corriente de uno a otro.
Los aisladores también son importantes para proteger a las personas de electrocutarse: si
tocáramos directamente un cable sin aislamiento por el que fluye corriente eléctrica, ésta podría
fluir a través del cuerpo y llegar incluso a matarnos si la fuente de energía fuera lo suficientemente
intensa.
¿Tienen ya alguna idea de qué materiales conducen la corriente elé ctrica y
cuáles no?
Lista de materiales
1 foquito 2.5v
1 portafoquito
1 portapilas
2 pilas AA
4 cables con pinza de cocodrilo
Objetos para analizar
¡Si bien tienen la misma forma, son de diferentes materiales!
Para los alumnos
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¡Descubran qué conduce la electricidad y qué no!
Para ello necesitan un aparato que les permita verificar conductividad compuesto por una pila, un
foco y cables, así como materiales para experimentar. Como aparato verificador pueden utilizar el
probador de continuidad que quizás conozcan del interrogatorio eléctrico.
Para construir el aparato verificador, conecten la pila y el foco (con portafoquito) con un único
cable. En la conexión libre de la pila y en la conexión libre del portafoquito conecten dos cables
adicionales.
Con los dos extremos de cable
sueltos del aparato verificador
comprueben en diferentes objetos
y materiales si conducen o no
corriente eléctrica: si el foco se
ilumina, es que el material
conduce corriente eléctrica; en
caso contrario, el foco
permanecerá apagado por que no
circula corriente eléctrica.
Experimenten con tantos objetos diferentes como sea posible, por ejemplo, cuchara de plástico,
cuchara de metal, tijera, lápiz, vidrio, regla (madera o plástico), clavos, papel de aluminio, lámina
de plástico, papel, etc.
Registren en una tabla sus observaciones:
¿Qué objetos conducen corriente eléctrica y cuáles no? Por ejemplo: un sorbete de plástico, un
trozo de papel de aluminio, una cuchara…
Agrupen los resultados en categorías:
a) ¿De qué materiales están hechos los objetos que conducen la electricidad?
b) ¿De qué materiales están hechos los objetos que no conducen la electricidad? (Ejemplos:
plástico, madera, metal, cerámica, vidrio, papel, tela, corcho…).
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A3 Circuitos eléctricos complejos
Experimento parcial A3.1 Conexión en serie
Experimento parcial A3.2 Conexión en paralelo
Pregunta a investigar
¡Queremos generar más luz!
¿Qué ocurre al colocar varios focos en un circuito eléctrico?
¿Cómo deben conectarse los focos para que todas brillen con la misma intensidad?
¿Cuántos focos pueden ser alimentados por una pila?
Información general
Relevancia en el diseño curricular
Los experimentos sobre circuitos eléctricos más complejos se basan en las experiencias previas
que los alumnos han realizado al experimentar con circuitos eléctricos más sencillos. Obtienen
una comprensión más profunda sobre la importancia de los diferentes componentes en el circuito
eléctrico. Amplían sus conocimientos sobre las relaciones de los componentes en un circuito
eléctrico. Por ejemplo, la conexión en forma correcta de varias pilas aumenta la luminosidad de un
foco, en cambio, varios focos conectados en serie brillan con menos intensidad que un único foco.
El tema de la utilización de la energía se aborda a partir de la conexión en paralelo: varios focos
conectados en paralelo brillan con la misma intensidad. Necesitan más energía y la pila se gasta
más rápido.
Los alumnos avanzados obtienen la oportunidad de transferir sus conocimientos. Aplican los
conocimientos adquiridos a partir de los circuitos simples y los transfieren a los circuitos
combinados de conexiones en serie y en paralelo.
Temas y terminología
Conexión en serie, conexión en paralelo, relación mutua de los componentes de un circuito
eléctrico, circuitos complejos, esquemas de conexión
Conocimientos a adquirir
Los alumnos ...
diferencian entre conexión en serie y conexión en paralelo en cuanto a su estructura y su
relevancia para las propiedades del circuito en su conjunto,
saben cómo influyen mutuamente los diferentes componentes dentro de una conexión en
serie y de una conexión en paralelo,
saben que la velocidad a la que una pila se consume en un circuito eléctrico varía en
función del número de focos y del tipo de conexión, y comprenden por qué es importante
hacer un uso racional y responsable de la energía.
Para el profesor
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Aspectos organizativos
Lugar en el que se realizan los experimentos
Todos los experimentos pueden llevarse a cabo sobre una simple mesa en el aula de clase.
Todos los experimentos parciales pueden realizarse también sin una vigilancia especial.
Tiempo necesario
Cada experimento parcial dura una clase de aprox. 45 min.
Aparatos y materiales
Incluido en la caja de experimentación:
Para un grupo de alumnos se requieren los siguientes materiales de la caja:
2 portapilas
4 pilas AA
8 cable con pinza de cocodrilo
3 foquitos 2.5v
3 portafoquitos
Variantes de ejecución
La mejor forma de realizar los experimentos parciales es en grupo (tamaño de grupo
recomendado: 3-4 alumnos y alumnas). También existe la posibilidad de realizar los experimentos
individualmente.
De modo alternativo, el experimento puede realizarse también de forma que los grupos sólo
construyan la conexión en serie y/o conexión en paralelo, y que el circuito eléctrico de
comparación (con un único foco) sólo se construya una vez para ser expuesto a la vista de todos.
Hay que prestar atención a emplear únicamente focos con la misma especificación, o mejor, de
construcción idéntica, así como pilas de la misma intensidad.
Realización
Experimento parcial A3.1 Conexión en serie
Los alumnos conectan dos focos en serie.
El material disponible en la caja permite que trabajen dos (2) grupos de alumnos en forma
simultánea.
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Información técnica
En las conexiones en serie todos los componentes están conectados uno a continuación del otro:
Un foco Dos focos conectados en serie
La corriente eléctrica pasa en la conexión en serie por ambos componentes, uno a continuación
del otro.
Los electrones deben atravesar uno tras otro los estrechos filamentos de los dos focos. Eso hace
que el flujo de electrones sea menor y ambas lamparitas se enciendan con menos intensidad.
Conocimientos previos
Los alumnos a menudo ya intuyen que dos focos conectados a una pila brillan menos que uno
solo. Los alumnos ya deberían tener experiencia con circuitos eléctricos sencillos.
Experimentar
Los alumnos conectan dos lámparas en serie.
Observar
Los alumnos observan que ambas lámparas brillan menos que una sola, y que al desconectar una
lámpara se apagan todas las demás.
Reflexionar
A partir de la interdependencia de los focos, los alumnos adquieren un conocimiento más
profundo del concepto “circuito eléctrico cerrado”, por una parte en relación a la energía disponible
(luminosidad) y, por otra, en relación a la conexión y desconexión.
Información complementaria
Desde un punto de vista técnico, la conexión en serie se utiliza con frecuencia para la iluminación
de los árboles de navidad. Esto puede dar pie a una reflexión sobre las ventajas e inconvenientes
de las conexiones en serie y en paralelo (véase el próximo capítulo).
Experimento parcial A3.2 Conexión en paralelo
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Los alumnos conectan dos focos en paralelo. Así aprenden las primeras características de la
conexión en paralelo y las diferencias respecto a la conexión en serie.
El material disponible en la caja permite que trabajen dos (2) grupos de alumnos en forma
simultánea.
Información técnica
En las conexiones en paralelo todos los componentes están conectados en paralelo uno respecto
a otro, al tiempo que cada componente dispone de su propia rama o circuito eléctrico:
Un foco Dos focos conectados en paralelo
Si se interrumpe el flujo de corriente hacia uno de los componentes, eso no tiene ningún efecto
sobre el resto de componentes.
A diferencia de la conexión en serie, en una conexión en paralelo los electrones no fluyen uno
detrás del otro por los filamentos del foco. Se separan en el desvío y sólo fluyen por uno de los
alambres del foco. De esta forma, los dos focos se iluminan en el circuito eléctrico con la misma
intensidad que un único foco.
Conocimientos previos
Las conexiones en paralelo son algo muy común en la vida cotidiana (por ejemplo, un alargador
del tipo zapatilla), pero es posible que sean más difícil de comprender que una conexión en serie.
Por eso conviene que en un principio sólo hagan experimentos sencillos. Los alumnos y alumnas
deberían conocer ya circuitos eléctricos sencillos y la conexión en serie.
Experimentar
Los alumnos conectan dos focos en paralelo.
Observar
Los alumnos observan que los focos de una conexión en paralelo se comportan de manera
diferente que en una conexión en serie: en una conexión en paralelo la luminosidad no varía en
absoluto (en comparación con un único foco en el circuito eléctrico). También es posible
desenroscar por separado uno o más focos sin que por ello se vea afectado el otro.
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Reflexionar
La reflexión reafirma la observación de que los focos en una conexión en paralelo forman parte de
circuitos eléctricos individuales, profundizando en lo que constituye un circuito eléctrico.
La reflexión incluye como ejercicio de profundización la construcción de un circuito combinado de
conexiones en serie y en paralelo, así como la realización de pronósticos sobre la luminosidad de
los focos. A través de este ejercicio se consolidan aún más las diferencias entre una conexión en
serie y una conexión en paralelo.
Información complementaria
La conexión en paralelo se utiliza por ejemplo en los enchufes múltiples (alargadores tipo
zapatillas). Esto tiene sentido, dado que los artefactos conectados son independientes los unos de
los otros, al igual que los focos conectados en paralelo del ejemplo arriba mencionado.
Un aspecto importante es el consumo de electricidad. La pila en la conexión en paralelo debe
abastecer dos circuitos eléctricos en forma simultánea y por lo tanto la energía acumulada se
transforma más deprisa en luz y calor. En cambio, en la conexión en serie los dos focos tienen
menos luminosidad y la pila aguanta más tiempo.
Nota: la construcción y la comprensión de una conexión en paralelo constituye a menudo un gran
desafío para los alumnos. Por ello se aconseja – para redondear el tema “Conexión en serie y
conexión en paralelo” – reflexionar con toda la clase sobre las diferencias observadas, incidiendo
especialmente en los siguientes puntos:
En una conexión en paralelo cada componente posee su propio circuito eléctrico y puede ser
alimentado con la misma cantidad de energía que si fuera el único componente conectado a la
pila. Por esta razón, los focos de A3.2 brillan con la misma intensidad que si sólo estuviera
conectado uno a la pila, pero la pila también se gasta antes.
En una conexión en serie la corriente eléctrica fluye por los dos componentes, primero por uno y
luego por el otro. Los electrones deben pasar uno detrás del otro por los componentes
conectados. Eso hace menor el flujo de electrones e incide también en la función de los
componentes. Los motores van a girar más lentamente y los focos conectados en serie brillan con
menos intensidad, como se puede ver en el experimento A3.1. Sin embargo, la pila dura más
tiempo que con un único foco.
En una conexión en paralelo existen varias opciones de conexión de los cables. En la primera
variante cada componente se conecta directamente a los contactos de la pila. Esta variante
permite comprender más fácilmente el principio subyacente de que “cada foco posee su propio
circuito eléctrico”. En la otra variante, los conductores eléctricos o cables se tienden a modo de
peldaños de un componente al siguiente. Esta disposición está más extendida. ¡Los circuitos
tienen exactamente el mismo efecto a pesar de la diferencia de aspecto!
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Para los alumnos
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A3.1 Conexión en serie
En muchos aparatos eléctricos es habitual que varios componentes funcionen con la misma
fuente de energía, como ocurre en una guirnalda luminosa de los árboles de navidad con muchos
focos. En el más sencillo de los casos, todos los componentes se conectan uno detrás de otro.
Este tipo de conexión se denomina “conexión en serie”.
¿Cómo creen que se iluminarían los focos si colocaran más focos en la
misma guirnalda luminosa?
Lista de materiales
3 foquitos
3 portafoquitos
2 portapilas
4 pilas
6 cables con pinza de cocodrilo
¡Conecten dos focos en serie!
Construyan dos circuitos eléctricos:
1. Circuito eléctrico 1 con un foco
2. Circuito eléctrico 2 con dos focos conectados en serie
Asegúrense de que los focos y las pilas sean iguales
desde el punto de vista constructivo y que presenten los
mismos datos. De esa forma podrán después comparar
mejor la luminosidad de los focos.
Una guirnalda de luces se compone de muchos focos conectados en serie.
1 foco 2 focos conectados en serie
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Observen atentamente si todos los focos brillan con la misma intensidad. Observen lo que ocurre
al desenroscar uno de los focos de la conexión en serie.
Si dos focos en serie brillan menos que uno solo, ¿qué creen que ocurrirá al conectar 10
focos? ¿ó 50? ¿Se les ocurre alguna idea de lo que se podría hacer para que todos los
focos vuelvan a brillar más?
¿Por qué creen que se apagan los dos focos al desenroscar uno de ellos? ¿Existe alguna
diferencia según qué foco se desenrosque? Investiguen a partir del esquema de conexión
dónde se interrumpe el circuito eléctrico al desenroscar uno de los focos.
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A3.2 Conexión en paralelo
En una “conexión en paralelo”, varios aparatos son alimentados conjuntamente por una misma
fuente de energía. Pero, a diferencia de la “conexión en serie”, en la “conexión en paralelo” cada
aparato recibe la cantidad de energía que también recibiría si fuera el único aparato conectado en
el circuito eléctrico.
Un ejemplo de ello sería un enchufe múltiple: lámpara, televisor, plancha u otros aparatos
completamente distintos pueden conectarse aquí al mismo tiempo. A pesar de ello, cada aparato
debe funcionar tan bien como si fuera el único conectado al enchufe; ¡eso es importante!
¿Para qué se usan los enchufes múltiples en sus casas o en el colegio?
Lista de materiales
3 foquitos
3 portafoquitos
2 portapilas
4 pilas
6 cables con pinza de cocodrilo
¡Los enchufes múltiples son prácticos!
Para los alumnos
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¡Conecten dos focos en paralelo!
Construyan dos circuitos eléctricos:
1. Circuito eléctrico 1 con un foco
2. Circuito eléctrico 2 con dos focos conectados en paralelo
Asegúrense de que los focos y las pilas sean iguales desde el punto de vista constructivo para
que puedan comparar la luminosidad.
1 foco 2 focos conectados en paralelo
Observen si todos los focos brillan con la misma intensidad.
Observen también lo que ocurre al desenroscar uno de los focos.
Si dos focos en paralelo brillan con la misma intensidad que uno solo, ¿cuánto tiempo creen que
tardará en agotarse la pila? ¿El mismo tiempo que con un solo foco? ¿Menos tiempo? ¿Más
tiempo?
¿Por qué creen que el otro foco continúa encendido al desenroscar uno de ellos? Para
averiguarlo, investiguen qué camino recorre la corriente eléctrica de la pila al primer foco y de
vuelta a la pila. ¿Se interrumpe ese circuito si se desenrosca el segundo foco? ¿Y al revés?
Ejercicio de profundización:
¡Prueben qué ocurre si junto a los dos focos conectados en paralelo añaden otro conectado en
serie! ¿Cómo creen que se iluminarán?
¿Qué ocurre al desenroscar por separado cada uno de los focos?
Sugerencia 1 Sugerencia 2
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A4 Las energías renovables
Experimento parcial A4.1 El calor del sol
Experimento parcial A4.2 La energía solar
Experimento parcial A4.3 El aprovechamiento de la energía del agua
Experimento parcial A4.4 La energía eólica
Pregunta a investigar
Los alumnos crecen en una época en la que los problemas del medio ambiente de alcance
mundial, en especial el cambio climático, son un tema recurrente de debate.
Lo importante es que los alumnos no sólo comprendan los problemas, sino que también conozcan
las posibles soluciones (por ejemplo, las fuentes de energía renovable). Los siguientes
experimentos tienen como objetivo que los alumnos conozcan y experimenten con las energías
renovables (el sol, el agua y el viento como fuentes de energía).
Información general
Relevancia en el diseño curricular
El tema de la energía cobra en nuestros días una gran importancia en relación con la protección
del medio ambiente. La “escasez de recursos naturales” y las “energías renovables” son temas
que cada vez adquieren más importancia.
Para acercarnos mejor a este tema, es importante que los alumnos conozcan las diferentes
formas de transformación de la energía. Los cuatro experimentos parciales vienen a fortalecer
este conocimiento.
Temas y terminología
Las energías renovables, la energía solar, la energía eólica, la energía hidráulica, la central solar,
los combustibles fósiles.
Conocimientos a adquirir
Los alumnos comprenden que el sol, el viento y el agua son fuentes de energía muy importantes
para el suministro sostenible de energía. Analizan qué factores influyen en el aprovechamiento de
esas fuentes de energía.
Aspectos organizativos
Advertencias de seguridad
En los experimentos parciales A4.1 y A4.2 el profesor o profesora debe prestar atención para
evitar que los alumnos sufran lesiones a causa de la luz del sol (deslumbramiento de los ojos,
quemaduras con objetos calientes).
Lugar en que se realizan los experimentos
Los experimentos parciales A4.1 y A4.2 se llevarán a cabo al aire libre puesto que requieren
radiación solar directa.
Los experimentos parciales A4.3 y A4.4 pueden realizarse también en el interior.
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Para el experimento parcial A4.3 se requiere una toma de agua y debe poder realizarse en algún
lugar que pueda mojarse.
Tiempo necesario
Cada experimento parcial equivale a una clase.
Los experimentos parciales A4.1 y A4.2 deberían realizarse preferiblemente de manera
consecutiva. En función de la intensidad de la radiación solar, puede que ambos experimentos no
arrojen resultados realmente satisfactorios hasta después de transcurrida una hora de clase.
Por ello, sería conveniente disponer de una cierta flexibilidad en los horarios.
Aparatos y materiales
A adquirir previamente:
Agua
Tubo de cartón 1 por grupo
Bolsita de té, si hace falta 1 por grupo
Papeles o cartulinas blancas y de colores
Reloj o cronómetro
Incluido en la caja de experimentación:
Antes de hacer entrega a los alumnos de materiales y aparatos peligrosos en términos de
seguridad, deberá comprobarse su correcto funcionamiento.
Para un grupo de alumnos se requieren los siguientes materiales de la caja:
A4.1 El calor del sol
Cartulina negra 1
Cinta adhesiva 1
Frasco 100 ml. 2
Termómetro 1
Un día soleado
A4.2 La energía solar
Espejos planos 8
Termómetro 1
Papel de aluminio 1
Plastilina 1
Recipiente contenedor 1
2 frascos de 100 ml.
Papel de aluminio
Un día soleado
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A4.3 El aprovechamiento de la energía del agua
Sorbete 1
Cartulina 1
Cinta adhesiva 1
Recipiente contenedor 2
Pinza sujeta papel 2
Tijera 1
Saquito de té
A4.4 La energía eólica
Cartulina de colores o plantilla de molino
1 Clavo
Cinta adhesiva 1
Sorbete 1
Pincho de madera 1
Recipiente contenedor 1
Tijera 1
Variantes de ejecución
El trabajo práctico con los modelos sobre las energías renovables puede ser un muy buen inicio
para comenzar con el tema. Por ejemplo, proporcionando información acerca del enorme
potencial que tienen las centrales eléctricas reales.
Sería provechoso organizar una visita a instalaciones reales (parques eólicos, centrales
hidroeléctricas o plantas termosolares).
Realización
Experimento parcial A4.1 El calor de la energía solar
Los alumnos descubren a partir de papel de diferentes colores qué color es el que más radiación
solar absorbe. Aplican el conocimiento adquirido para calentar el agua con luz solar y comparan
los resultados obtenidos bajo diferentes condiciones.
El material disponible en la caja permite que trabajen cuatro (4) grupos de alumnos en forma
simultánea.
Información técnica
Las energías renovables son portadores de energía o fuentes de energía que se renuevan o que
crecen constantemente. Las energías renovables son, entre otras: la energía solar, la biomasa, la
energía hidráulica, la energía eólica, la geotermia (el calor del interior de la tierra) y la energía
mareomotriz.
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La fuente a la que pueden atribuirse todas las formas de energía renovable (con excepción de la
geotermia) es el sol. Las mediciones realizadas fuera de nuestra atmósfera demuestran que el sol
irradia sobre la tierra 1,36 kilovatios por metro cuadrado (1,36 kW/m2). A la superficie de la Tierra
llega (al incidir verticalmente) aproximadamente 1 kW/m2, es decir, la mayor parte de esa energía.
Si tomamos como referencia el número de horas al año (8760 h/a), constatamos que el sol
suministra una cantidad de energía de aprox. 8760 kWh por metro cuadrado y año.
El sol, naturalmente, no brilla las 24 horas del día siempre sobre el mismo lugar, y la mayor parte
de la superficie terrestre tampoco es apta para el aprovechamiento de la energía solar. Aun así,
las superficies útiles disponibles serían suficientes para cubrir fácilmente una gran parte de
nuestra demanda de energía.
Un hogar medio integrado por 4 personas consume en Alemania unos 3.500 kWh de energía
eléctrica al año, es decir, menos de la mitad de lo que el sol irradia sobre cada metro cuadrado.
El siguiente experimento permite a los alumnos adquirir unas primeras experiencias
fundamentales en el campo de la energía solar. El ejemplo de las superficies negras les enseña
que las superficies oscuras apenas reflejan los rayos del sol, sino que más bien los absorben,
principio que aprovechan las plantas termosolares. Absorber significa aquí la captación de una
gran parte de la energía irradiada y su transformación en calor. En este contexto los alumnos
conocen una primera forma de acumular energía.
Conocimientos previos
Los alumnos pueden relatar dónde han encontrado en su vida cotidiana superficies calentadas por
el sol. Comentan cuál es la sensación que produce la ropa de diferentes colores en verano.
Experimentar
Los alumnos descubren qué colores se calientan más, para lo cual exponen al sol láminas de
papel de diferentes colores. Luego envuelven una botella con la hoja que más se haya calentado y
otra con el papel más “frío”.
Observar
Los alumnos constatan que existen diferencias muy grandes entre los diferentes colores. El negro
es el color que más energía absorbe, por lo que también es el que más se calienta. El blanco es el
que menos se calienta ya que también es el que más radiación solar refleja. Con un termómetro
comprueban las temperaturas del agua en las botellas, confirmando sus conclusiones extraídas
por comparación.
Reflexionar
Los alumnos experimentan que para el aprovechamiento de la energía solar no sólo es importante
la captación de la radiación solar, sino también la transferencia de esa energía al medio en
cuestión (aquí: agua). Eso significa que primero debe transformarse en calor la mayor cantidad
posible de la energía irradiada y que luego esa energía térmica debe ser transferida a su vez al
medio agua. Cuanto más directo sea el contacto entre la cubierta calentada y el interior de la
botella (agua), mejor será el proceso de calentamiento del agua. Al final, los alumnos pueden
debatir sobre dónde se aplica ese principio en la vida cotidiana y hasta qué punto puede ser de
utilidad.
Para el profesor
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Información complementaria
En este experimento los alumnos aprenden cómo funciona una central eléctrica. Hable con los
niños sobre la construcción y reflexionen conjuntamente sobre si hay otros materiales que puedan
absorber más rápidamente el calor del sol. Ponga a prueba las ideas de los alumnos y alumnas y
todos juntos intenten mejorar los elementos de la construcción. Si los niños se refieren al vidrio
como “captador de calor”, preste atención a la seguridad, para que no se produzca ninguna lesión
o quemadura.
Experimento parcial A4.2 La energía solar
Los alumnos calientan agua con la luz solar y construyen una central solar con la ayuda de
espejos. Experimentan cómo se puede “capturar” más energía solar y de un modo más rápido.
El material disponible en la caja permite que trabaje un (1) grupo de alumnos a la vez.
Información técnica
Las grandes centrales eléctricas termosolares generan corriente eléctrica de manera indirecta con
ayuda del sol. Para ello utilizan muchos espejos que concentran los rayos del sol en una
superficie muy pequeña. Esta energía solar calienta un líquido, por ejemplo, el agua, hasta el
punto de poder impulsar un generador eléctrico con el vapor de agua generado.
En los últimos años, esta forma de obtención de energía ha ido mejorando cada vez más e
incrementando su eficiencia. Pero, lamentablemente, la generación de electricidad mediante
centrales solares todavía no alcanza ni de lejos los niveles de las centrales eléctricas
convencionales.
Conocimientos previos
Es posible que los alumnos ya se hayan dado cuenta de que dependiendo del color que tenga la
ropa que usan transpiran más que con ropa de otros colores.
Puede que también hayan observado alguna vez reflejarse la luz del sol en un espejo y sepan que
ese reflejo, dirigido hacia un punto, puede llegar a provocar una llama. Si disponen de ese
conocimiento previo, también podrán deducir que muchos espejos dirigidos hacia un punto
calientan más que un solo espejo.
Experimentar
Los alumnos preparan dos botellas del mismo modo. Preparan un lugar en el que los espejos
concentren la luz del sol en un punto en el que pueda colocarse una de las dos botellas.
Finalmente se exponen ambas botellas a la radiación solar, una de ellas en el entorno con los
espejos. Los alumnos comprobarán seguramente que conforme aumenta el número de espejos,
estos se estorban mutuamente. Por eso conviene colocar la botella a una cierta altura. Pero
tampoco es bueno que el campo de espejos esté a demasiada altura, ya que entonces no recibiría
suficiente radiación reflejada. Como profesor o profesora, proporcióneles el impulso necesario con
el fin de evitar la frustración entre los alumnos y alumnas.
Observar
Los alumnos constatan en primer lugar que no es tan sencillo orientar los espejos de forma que la
radiación solar incida de manera óptima sobre la botella.
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Reflexionar
El sol se desplaza a lo largo del día, lo que exige reorientar continuamente los espejos. Ese es un
aspecto muy importante a tener en cuenta al ahora de diseñar el experimento. Cuanto mejores
sean los espejos, mejor será la orientación y la concentración de la energía solar.
Información complementaria
Una variante modificada del experimento consistiría en forrar una fuente (o un objeto similar) con
papel de aluminio y situar en su centro el objeto que se desee calentar. De esta manera cambia
considerablemente la construcción del experimento. Después del ensayo, hable con los alumnos y
alumnas sobre cuál es la forma de construcción que ha funcionado mejor y haga referencia a las
ventajas de la primera, en caso de que no se les ocurra a ellos mismos. La primera forma de
construir el experimento es óptima para el objetivo que se persigue, porque se adapta mejor al
recorrido del sol. Además, se puede guardar fácilmente y puede volver a ser utilizada.
Experimento parcial A4.3 El aprovechamiento de la energía del agua
Los alumnos construyen una pequeña rueda hidráulica. La rueda es impulsada por agua, que
fluye desde recipientes situados a diferentes alturas. Variando el tamaño de los recipientes y la
altura de los mismos por encima de la rueda hidráulica los alumnos y alumnas constatan qué
influencia tienen la altura de salto y la cantidad de agua.
El material disponible en la caja permite que trabaje un (1) grupo de alumnos por vez.
Información técnica
La energía hidráulica, que se obtiene a partir del agua corriente con ayuda de ruedas o turbinas
hidráulicas, es una fuente de energía natural. Esta forma de energía se aprovecha allí donde
exista una corriente permanente de agua suficientemente caudalosa.
Los alumnos pueden comprender a partir del experimento parcial que cuanto mayor sea la altura
de salto del agua (y con ello la energía potencial), tanto mayor será la potencia generada por la
rueda hidráulica. La cantidad de agua determina el período de funcionamiento de la rueda
hidráulica.
La explotación de la energía hidráulica va aparejada en la actualidad con obras de gran
envergadura, por ejemplo, embalses, diques y canales de circunvalación. Por desgracia, esas
obras traen consigo las intervenciones correspondientes en el paisaje y el ecosistema.
Conocimientos previos
Cuanto más rápido fluya el agua y mayor sea su cantidad, tanto mayor parecerá su fuerza. Seguro
que a algunos alumnos ya les ha ocurrido alguna vez que al llenar un recipiente con agua en una
llave de agua el agua ha salpicado por encima del borde del recipiente por haber abierto
demasiado la llave.
Experimentar
Los alumnos deberían trabajar como mínimo por parejas. Un alumno o alumna sostiene la rueda
hidráulica y el otro u otra sostiene en lo alto el recipiente con agua y dirige el tubo hacia la rueda
hidráulica, variando de vez en cuando la altura. También se puede variar el tamaño de los
recipientes.
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Observar
Los alumnos observan si se eleva, y en qué medida lo hace, el peso que han colgado de un hilo
fijado al eje de la rueda hidráulica. Experimentan con diferentes condiciones, en las que varían el
tamaño de los recipientes de agua y la altura entre el recipiente de agua y la rueda hidráulica.
Reflexionar
Los alumnos debaten sobre las diferencias observadas y reflexionan sobre qué peso pudo ser
elevado bajo qué condiciones. Deberían llegar a la conclusión de que la fuerza transmitida por el
chorro de agua aumenta a medida que se incrementa la altura de salto.
Información complementaria
Reflexione conjuntamente con los alumnos sobre cómo se puede construir una rueda hidráulica
que funcione mejor y repitan todos juntos la serie de experimentación. Una rueda hidráulica
también se puede construir con piezas de plástico, por ejemplo, vasos de yogur y pegamento a
prueba de agua.
Reflexione conjuntamente con los alumnos sobre otros modelos de ruedas hidráulicas que
funcionen mejor. Agrupe las ideas elaborando juntos esquemas y construyendo y poniendo a
prueba las ruedas hidráulicas.
Para observar más detenidamente la construcción en sí, diga a los alumnos que presten atención
a la altura de salto del chorro de agua e incíteles a cambiar este parámetro.
Que el chorro de agua adquiere “más fuerza” a medida que aumenta la altura de salto es algo que
también se puede investigar sistemáticamente sin una rueda hidráulica. Para ello debe fijarse el
extremo inferior del tubo, de forma que el chorro de agua mantenga siempre exactamente la
misma orientación. Si ahora se procede a variar la altura de salto, la curva del chorro de agua
varía en la medida correspondiente.
De esta manera abordará al mismo tiempo aspectos técnicos a la vez que plantea temas relativos
al trato respetuoso con los recursos de nuestra Tierra así como el reciclaje.
Experimento parcial A4.4 La energía eólica
Los alumnos construyen un molino de viento para experimentar, el molino se mueve soplando.
El material disponible en la caja permite que trabaje un (1) grupo de alumnos por vez.
Información técnica
Una gran molino de viento para generar energía funciona de manera similar a un molinito de
viento de papel situado en el manubrio de la bicicleta de un niño o niña. El viento incide sobre las
palas planas ligeramente inclinadas del molino de viento y pone así en movimiento todo el molino
de viento. El movimiento circular de la rueda hace girar el cubo de la rueda, que a su vez
transfiere ese movimiento giratorio a través de un eje central a un vástago situado en el interior de
la carcasa. En la llamada góndola (la caja situada detrás de las palas del aerogenerador) el
movimiento giratorio del eje central se transmite a una bobina. La bobina constituye el
componente más importante de un molino de viento, ya que la bobina forma parte de un
generador y está envuelta en hilo de cobre. La bobina misma está rodeada por un imán e induce
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una corriente eléctrica al girar. A través de un transformador puede ahora transmitirse la corriente
directamente a la red eléctrica.
Conocimientos previos
Los alumnos no necesitan tener conocimientos previos especiales. Pero seguro que algunos
alumnos ya conocen los molinos de viento, ya sea de verlos en el campo en forma de rueda eólica
o como juguete en forma de molinito de viento.
Experimentar
Los alumnos recortan la plantilla o el modelo del modo descrito y construyen su propio molino de
viento. Impulsan el molino de viento soplando, a la vez que varían la fuerza de soplado.
Observar
Los alumnos observan cómo se eleva el peso según la fuerza de soplado.
En cuanto se deja de soplar, el peso vuelve a descender e impulsa el molino de viento en el
sentido opuesto. Prueban diferentes pesos y ensayan así la capacidad de rendimiento del molino
de viento.
Reflexionar
Los alumnos reflexionan sobre qué peso se elevó mejor. Extraen conclusiones sobre la fuerza de
soplado (energía eólica) y el tamaño del peso. Pero sobre todo se dan cuenta de que el tamaño
del molino de viento juega un papel importante.
Cuanto más grande es el molino de viento, más viento puede “captar” y tanto más potente es la
fuerza de elevación. Los molinos de viento modernos generan grandes cantidades de corriente
eléctrica y constituyen una forma importante de la generación de energías alternativas. La energía
eólica es una de las fuentes de energía renovable más importantes.
Información complementaria
Tras haber estudiado con los alumnos los detalles individuales del molino de viento, vale la pena
abordar el tema de forma más libre. Los alumnos saben ahora cuál es la función del molino de
viento y qué piezas se necesitan para construirlo.
Aliénteles a reflexionar sobre sus propios modelos de molino de viento. Deje que los niños
elaboren primero con toda tranquilidad sus esquemas de construcción y, a continuación,
reflexionen todos juntos sobre los materiales que hacen falta. Luego, sobre la base de los
esquemas, construyan conjuntamente los molinos de viento. Incite a los niños a intercambiar
ideas entre sí sobre sus respectivos molinos de viento y las ideas subyacentes a ellos.
Instrucciones de construcción del rotor de un molino de viento
Recortar el círculo exterior de la siguiente figura y practicar cortes a lo largo de las líneas gruesas
de trazo continuo
Doblar hacia arriba una mitad de cada una de las aspas del rotor, tal como está marcado por la
línea punteada
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Para los alumnos
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A4 Las energías renovables
A4.1 El calor del sol
El sol irradia todos los días luz y calor a la Tierra. Notamos esa energía cuando los días son muy
soleados, porque entonces sentimos calor.
Si durante esos días muy calurosos nos ponemos además ropa de determinados colores,
entonces transpiramos aún más.
A diferencia de otras energías convencionales, la energía solar es unaenergía muy ecológica. El
siguiente experimento muestra cómo los seres humanos podemos acumular el calor del sol.
¿Qué color resulta el más eficaz para calentar agua?
Lista de materiales
Papel negro, de color y blanco
2 frasco 100 ml. con tapa
Cinta adhesiva
Termómetro
Luz solar directa
Reloj
Reflexionen sobre qué colores absorben más rápidamente el calor y qué colores lo hacen menos.
Coloquen los colores por orden. ¡Empiecen ahora!
¡Construyan un calentador de agua ecológico!
1. Primero expongan al sol las hojas de papel o cartulina de diferentes colores.
2. Al cabo de unos minutos, comparen al tacto cuánto se han calentado las diferentes hojas de
papel de colores.
3. Ahora llenen dos frascos con agua, tápenlos y fórrenlos con las hojas de papel de color. Forren
uno de los frascos con la hoja de papel “más caliente” y el otro, para comparar, con la hoja de
papel “menos caliente”.
4. Pongan ahora los dos frascos al sol y comprueben de vez en cuando al tacto si se percibe un
calentamiento.
Observen qué agua se ha calentado más rápido. Para ello, midan cada cierto tiempo la
temperatura con un termómetro y compárenlas.
Para los alumnos
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¿Cuán caliente está el agua en el frasco?
Reflexionen sobre qué otros factores – aparte del color del papel – podrían influir también en la
temperatura del agua.
¿Necesitan ayuda?
Comprueben que el papel esté bien pegado al frasco, sino se perderá el calor.
Cuanta menor sea la cantidad de agua que se deba calentar, tanto antes notarán el
calentamiento.
Para los alumnos
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A4.2 La energía solar
Puede que ya hayan escuchado alguna vez que en las plantas fotovoltaicas se genera
electricidad. Estas plantas fotovoltaicas acumulan y “capturan” una gran cantidad de energía solar,
es decir, la luz y calor del sol.
En el siguiente experimento vamos a descubrir cómo funciona.
¿Cómo se puede capturar la energía solar?
Lista de materiales
2 frascos 100 ml.
1 plastilina
1 tira de 10 cm. de papel de aluminio
1 recipiente contenedor
8 espejos planos
1 termómetro
Luz solar
En las centrales solares se utilizan muchas superficies parecidas a espejos para captar la luz y el
calor.
¡Construyan su propia planta fotovoltaica!
Llenen dos frascos hasta la mitad con agua.
Construyan un campo compuesto por muchos espejos pequeños dispuestos alrededor de uno de
los frascos, para mayor comodidad pueden apoyar el frasco sobre un recipiente contenedor
puesto boca abajo.
Intenten orientar sus espejos de forma que dirijan los rayos del sol directamente hacia el frasco
elevado. Peguen un pedazo de plastilina en el lado posterior de los espejos para poder
orientarlos.
Piensen de qué forma el papel de aluminio puede contribuir a dirigir rayos del sol hacia el frasco.
Para comparar, coloquen el otro frasco al sol.
¡Midan la temperatura en ambos frascos y comparen los resultados entre ustedes!
¿Cuántos espejos emplearon? ¿Mejorarían los resultados empleando más espejos? ¡Hagan la
prueba!
Advertencias de seguridad
Tengan cuidado con sus ojos. Presten atención para no verse encandilados por la luz del sol. Si
es posible utilicen lentes de sol oscuros.
Atención: peligro de quemadura. Los objetos que se dirigen al sol pueden estar muy calientes.
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A4.3 El aprovechamiento de la energía del agua
Hay represas en las que con la ayuda del agua y su fuerza se genera electricidad. Aquí también
se aprovecha la energía del sol. Porque el sol hace que se evapore el agua sobre la superficie
terrestre. A partir del agua evaporada se forman las nubes. Cuando esas nubes se desplazan y se
descargan en forma de lluvia sobre las montañas, el agua de lluvia fluye hacia el valle, donde, por
ejemplo, puede ser utilizada en una represa para la generación de energía eléctrica.
¿Cómo se puede aprovechar la energía del agua?
Lista de materiales
1 sorbete
2 pinzas sujeta papel
1 cartulina
1 saquito de té
2 recipientes contenedores
Cinta adhesiva
Agua
Tijera
¡Construyan una rueda hidráulica!
1. Corten 6 tiras de cartón de 2 cm de ancho y 6 cm de largo. Doblen cada tira por la mitad en un
ángulo de aproximadamente 60°. Procedan a pegar las tiras (ver foto 1) una con otra de manera
que formen una estrella.
2. Tomen un sorbete y péguenlo en el centro de la estrella de cartón. Para que la rueda no se
ablande demasiado pronto, cubran bien con cinta aislante el cartón y todas las juntas.
3. Agreguen a un recipiente contenedor dos ganchos sujeta papel que funcionarán como soporte
de la rueda hidráulica (ver foto 1)
3. Peguen ahora un hilo al sorbete y aten al hilo un pequeño peso, por ejemplo, una pequeña
piedra, un pedazo pequeño de madera o simplemente un saquito de té.
4. Llenen el otro recipiente contenedor con agua.
5. Ahora trabajarán por parejas. Uno de ustedes sostiene la rueda hidráulica sobre un recipiente
colector o en el exterior. El otro sostiene el recipiente en lo alto y dirige sobre la rueda un chorro
delgado de agua.
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¡Dirijan el chorro de agua sobre la rueda y observen lo
que ocurre!
¿Qué ocurre si utilizan un recipiente más chico?
¿Qué ocurre cuando modifican la altura del chorro de
agua?
¿Qué observan cuando el chorro de agua deja de fluir?
¿Necesitan ayuda?
Si el peso no se eleva, puede que sea muy pesado.
¡Intenten encontrar otro peso!
Foto 1
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Fig.3: Unión de tubo de
cartón al recipiente Fig.1: Esquema de
rueda hidráulica
A4.4 La energía eólica
El viento también contiene energía del sol, ya que el sol se encarga de que se muevan las masas
de aire. Esto sucede del siguiente modo: los rayos del sol calientan la superficie terrestre. La
superficie terrestre calienta a su vez las capas de aire situadas encima. El aire caliente se
expande y fluye hacia arriba. Y como la superficie terrestre no se calienta por igual en todas
partes, también son diferentes las corrientes de aire hacia arriba.
¿Cómo funciona un molino de viento?
Lista de materiales
1 tubo de cartón (no incluido)
1 pedazo de cartulina (aprox. 15x15 cm) para planitilla de molino
1 pincho de madera
1 bolsita de té (o un poco de hilo con un peso cualquiera)
1 clavo de hierro
1 cinta adhesiva
1 recipiente contenedor
1 tijera
¡Construyan su propio molino de viento!
1. Hagan varios cortes en uno de los extremos del tubo de cartón. Doblen hacia afuera las tiras y
peguen el tubo sobre un pedazo de cartón. (Fig. 3)
2. Hagan dos agujeros uno frente al otro en la parte superior del tubo.
Para ello usen el clavo o un lápiz afilado. Comprueben que ambos agujeros se encuentren a la
misma altura. (Fig.1)
3. Metan ahora un sorbete a través de los dos agujeros. Ya está lista la estructura básica.
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4. Recorten las “alas” o aspas del molino de viento partir de una cartulina fina siguiendo la
plantilla. Para formar cada aspa hay que practicar un corte y doblarlo. Así obtendrán el llamado
rotor del molino de viento.
5. En el centro del rotor (plantilla de las aspas) hay que hacer un agujero pequeño. Pero antes
peguen un pedazo de cinta adhesiva delante y detrás del punto donde vayan a hacer el agujero
para estabilizar y mejorar la resistencia del rotor.
6. Claven el rotor en el pincho de madera. El pincho sirve de eje. Pasen ahora el pincho de
madera por dentro del sorbete.
7. Fijen del lado sin rotor en el pincho de madera un pequeño peso. Puede ser una bolsita de té u
otro peso suspendido de un hilo.
¡Soplen en dirección del molino de viento y observen cuánto peso pueden levantar con él!
¿Qué ocurre cuando dejan de soplar?, ¿se puede acumular o almacenar esa energía?