CENTRALES EJEMPLOS DE CUESTIONES-GUIA DE LOS CONTENIDOS REFERENTES CONCEPTUALES CLASICOS

¿Qué interac- ciones electro- magnéticas se producen entre los sistemas físicos?

¿Cómo está realizada la instalación eléctrica en tu casa?

Circuito eléctrico. Elementos de un circuito. Representación simbólica. Conexión de elementos.

¿Cómo es una bombilla? ¿Y un interrup- tor? ¿Y un portalámparas? ¿Y una pila?

Bombillas. Interruptores. Generado- res. Conductores y aislantes.

¿Cómo pueden estudiarse

¿Por qué si accionamos un interruptor se enciende una bombilla?

Carga eléctrica. Corriente eléctrica. Luminosidad. Principio de conserva- ción.

los circuitos eléctricos?

¿Cómo se mide la corriente eléctrica? _{Intensidad de corriente. Diferencia} de potencial. Ley de Ohm. Resisten- cia eléctrica. Ley de Joule. Potencia. ¿Podemos

¿predecir cómo funciona

¿Cómo se produce corriente eléctrica? Pila. Inducción eléctrica. Dinamo.

un circuito eléctrico si conocemos sus componentes?

¿Qué efectos produce la corriente eléctrica?

Magnetismo. Electroimán. Fenó- menos eléctricos y magnéticos. Motor. Fenómenos eléctricos y me- cánicos.

¿Cómo son los aparatos eléctricos que usamos (secador de pelo, plancha, teléfono)?

Aparatos eléctricos.

¿Qué información necesitamos para montar un aparato eléctrico? ¿Qué normas de sequridad debemos cum- plir?

Diferencia de potencial e intensidad máxima. Resistencia. Potencia máxi- ma. Impedancia entrada/salida.

¿Cuánto gastamos en electricidad? _{Energía eléctrica. Consumo. Bombi-} llas de bajo consumo.

¿Quiénes fueron Ampere, Volta, Ohm y Edison? ¿Qué aportaron a la ciencia y a la sociedad?

Historia y repercusión social de la física.

Esta propuesta mantiene, de forma flexible, la secuencia genérica que sugieren Sánchez y Valcárcel (1993). Comenzamos con la identificación de objetos, hechos y fe - nómenos; después introducimos conceptos físicos (especialmente el de corriente eléc - trica) que permiten el estudio y la interpretación de los circuitos desde una perspectiva más científica; y, posteriormente completamos los conocimientos con cuestiones de aplicación (¿cómo se produce la corriente?, ¿qué efectos produce?, ¿qué normas de se - guridad debemos tener en cuenta?, ¿cuánto nos cuesta?...). Los contenidos están siem- pre contextualizados en situaciones próximas a la vida cotidiana de los ciudadanos.

Vamos a comentar brevemente algunos aspectos específicos que deben tenerse en cuenta en relación con las cuestiones-guía de los contenidos.

¿Cómo está realizada la instalación eléctrica en tu casa?

El alumnado tiene un conocimiento experiencial respecto a fenómenos y apa - ratos eléctricos que hay que aprovechar, pero también es preciso clarificar el signifi - cado de algunos términos que no siempre coincide con el deseable desde la física escolar. Por ello, en primer lugar, habría que clarificar qué entendemos por circuito eléctrico y revisar algunas ideas allegadas (circuito abierto, cerrado, cortocircuito...).

Otro aspecto importante tiene que ver con que al estudiar los circuitos se uti- lizan esquemas y diagramas, y debemos acostumbrar a los alumnos a trabajar con este sistema de comunicación. El hecho de que habitualmente observen cables pega-

dos y que, en clase, aparezcan unos independientes añade una dificultad a las de cualquier representación simbólica. Cabe insistir en que hay que enseñar este proce - dimiento porque no siempre se hace.

Tras identificar los elementos de las instalaciones domésticas y trabajar con sus representaciones, se debe describir, analizar y predecir qué ocurre en una serie de cir - cuitos eléctricos. Para ello, dado que estamos al comienzo del tema, se debe usar una propiedad visible de sus elementos que no precise de un aparato de medida. Así, para analizar las ventajas e inconvenientes de las asociaciones, para abrir o cerrar circui - tos o para provocar cortocircuitos, se pueden utilizar bombillas -de las mismas ca- racterísticas- que son dispositivos conocidos por el alumnado y nos permiten razonar en términos de mayor o menor brillo.

¿Cómo es una bombilla? ¿Y un interruptor? ¿Y un portalámparas? ¿Y una pila?

Una necesidad de muchos estudiantes es conocer cómo son por dentro los ele- mentos de un circuito, curiosidad que debemos aprovechar. Aunque hemos elegido cuatro (bombilla, interruptor, portalámparas y pila), implícitamente hay más (cables, conexiones...) e, incluso, se podrían incluir otros (diodos, diodos LED). La finalidad sería conocer qué son, cómo están hechos, cómo pueden construirse, cómo se co - nectan en un circuito, para qué sirven y cómo funcionan.

En cuanto a los elementos seleccionados se debe tener en cuenta que las expe-

riencias reales pueden llevar consigo algunas limitaciones (por ejemplo, el efecto luminoso para estudiar una bombilla no se aprecia en cualquier hilo metálico; la in- tensidad o duración de un generador hecho con limones, no enciende todas las bom - billas) o aspectos singulares (por ejemplo, existe una gran variedad de puntos de conexión en los portalámparas convencionales) que es preciso controlar previamente.

No se debe olvidar que este tipo de resultados no deseados -al comienzo del tema

y, por tanto, sin muchos apoyos conceptuales y procedimentales - suelen trasmitir una cierta sensación de inseguridad en el alumnado.

Por último, se pueden clasificar los objetos según una propiedad: cerrar o no un circuito y, en consecuencia, encender o no una bombilla. De esta forma podríamos incidir en qué elementos son conductores y aislantes en algunos circuitos conocidos.

¿Por qué si accionamos un interruptor se enciende una bombilla?

Un momento clave en el desarrollo del tema es la clarificación del concepto de corriente eléctrica. Una vez aclarado que la corriente supone un movimiento de par - tículas cargadas eléctricamente, resulta prioritario cuestionar los modelos usados por los estudiantes. Las concepciones unipolar, concurrente, de atenuación y de re - parto o la confusión interruptor-fuente están muy asentadas y, para ponerlas en conflicto, es preciso el uso de experiencias de cátedra que no sólo aporten una al - ternativa teórica sino unos hechos reales en los que se apoyen las nuevas ideas.

Tras haber trabajado con aspectos perceptivos (la luminosidad), se puede seguir con bombillas convencionales (de corriente alterna), dado que la manipulación de los montajes sólo la realiza el profesor o la profesora. Hay que advertir que, a pesar de que implícitamente se haya establecido un isomorfismo (más brillo, más corriente), esto no siempre es así (por ejemplo, si se conecta en serie una de 40 w y una de 60 w) y, por ello, se debe trabajar con bombillas de las mismas características.

La exclusión de la electrostática no resulta contradictoria con la inclusión del concepto de carga eléctrica; lo que sugerimos es que, en lugar de contextualizarlo en la clásica experiencia de los papelitosse introduzca directamente en los circuitos (para justificar por qué se enciende una bombilla cuando accionamos un interrup - tor). No obstante, el modelo de cuerpos cargados eléctrica mente requiere algunas justificaciones: por qué se produce un movimiento de partículas, por qué se mueven sólo los electrones... Esto no supone un obstáculo insalvable pero exige una acomo - dación de las explicaciones habituales. Hay que señalar que el alu mnado de estas edades no relaciona el concepto de carga de la experiencia de la bola de saúco con la carga que justificaba el encendido y apagado de una lámpara.

Un aspecto que muchas veces no se explica ni se justifica es el principio de con - servación de la carga. Creemos que este aspecto es una de las reglas de juego clave para entender el modelo de corriente eléctrica y que es necesario introducirlo para evitar confusiones posteriores (concepto de resistencia, de transformación de energía...).

¿Cómo se puede medir la corriente eléctrica?

La medida de la corriente eléctrica se ha apreciado en función de la mayor

0 menor iluminación de un testigo (bombilla). Para justificar la necesidad de mag - nitudes como la intensidad de corriente o la diferencia de potencial (ddp), es pre- ciso usar elementos que no produzcan efectos luminosos (por ejemplo, resistencias lineales).

No obstante, para la medición cuantitativa de la corriente, se plantea una dico - tomía: ¿empezamos por la intensidad de corriente o por la ddp? Si hemos trabajado el modelo de corriente en la cuestión anterior lo más inmediato parece que es conti -

nuar con la intensidad. Es una concepción más intuitiva pero no debe olvidarse que, para los estudiantes, el uso del amperímetro es más complicado que el del voltímetro. Por otro lado, empezar por la ddp -y, por lo tanto, con el voltímetro- puede ser más cómodo desde la perspectiva de la medición pero el concepto implicado es más com - plejo. Sugerimos la primera opción por la mayor facilidad de los alumnos y alumnas para aprender las destrezas técnicas frente a los procesos de conceptualización.

Otro problema que se presenta es el siguiente: ¿por qué usamos dos conceptos (intensidad y ddp) y dos aparatos (amperímetro y voltímetro) para medir lo mismo (la corriente eléctrica)? Sea cual sea el concepto por el que empecemos, es necesario buscar situaciones en las que sea insuficiente el uso de un solo aparato. Si, por ejem - plo, queremos medir la corriente eléctrica de un generador y ponemos un amperí - metro entre sus bornes, no podemos medir la corriente (cortocircuitamos el circuito y la aguja del amperímetro se sale de escala); análogamente si ponemos un voltíme - tro entre dos puntos de un corto, veremos que marca cero y, sin embargo, puede haber corriente (una bombilla, puesta a continuación, se enciende).

Realizada esta distinción, se procedería a estudiar la relación entre la intensi - dad y la ddp en los elementos. En particular, mediante el estudio en resistencias lineales, es conveniente deducir empíricamente la ley de Ohm y el valor de la resis - tencia eléctrica (hay que aprovechar este proceso para diferenciar resistencia como elemento y como magnitud). Se puede plante ar también si esta relación es inde- pendiente no sólo de los valores de las dos magnitudes sino si depende de la ubica - ción del elemento en un circuito o de cómo está asociado. De esta manera se puede iniciar al alumnado en un contenido procedimental interesante pero complicado de enseñar: el control de variables.

A diferencia de la ley de Ohm, la ley de Joule no se puede deducir empírica - mente. Como la mayor parte de los conceptos energéticos, es fácil de aplicar pero re - sulta difícil de justificar. En este caso, podemos aprovechar la implantación de algunos términos en nuestras vidas (de hecho, resulta familiar hablar de la potencia de una bombilla, de un secador, de un lector de CD, de un horno eléctrico... y no de su resistencia) pero, si no se entra en las especificaciones de los aparatos eléctricos o en el consumo, como haremos más adelante, los valores que se obtienen de la po - tencia o de la energía en los ejercicios o en los experimentos carecen de significación para el alumnado.

¿Cómo se puede producir corriente eléctrica?

Se había estudiado un generador de corriente: una pila. Dado que se han tra - bajado los aspectos descriptivos (identificación de las partes, observación de cómo era por dentro y construcción de una), se debe incidir en los int erpretativos (uso del modelo de corriente eléctrica para justificar su comportamiento y su origen quími - co). Ahora ya se pueden apreciar los valores de la intensidad y ddp mediante el uso del amperímetro y del voltímetro.

También debe mostrarse cómo se produce la corriente eléctrica a partir de un fenómeno de inducción y apreciar el valor de la misma. Se podrían estudiar algunas relaciones cualitativas entre variables (por ejemplo, la influencia de la ve - locidad del movimiento del imán).

Análogamente se debe incidir en el proceso de generar corriente eléctrica a partir de alguna acción de tipo mecánico. Un ejemplo clásico y muy cercano es el es - tudio de la dinamo de las bicicletas; se puede jugar con la velocidad de la rueda y su influencia en la luminosidad de la bombilla, o contrastar los efectos de dos dinamos y buscar la causa de las diferencias.

También se pueden recordar algunos procesos de obtención de corriente eléc - trica estudiados en la unidad didáctica de la energía (molino, noria, presa, etc.). En particular, puede ser interesante realizar alguna experiencia que utilice la luz para producirla (en el mercado hay coches de juguete que se mueven gracias a unos pe - queños paneles o receptores de luz) ya que se ha usado el efecto contrario.

En todos los casos, es crucial que los estudiantes sepan qué están haciendo, qué están buscando y por qué lo hacen de ese modo. En caso contrario se puede trans - formar en una actividad sin utilidad forma tiva o en la cual el único motivo de las ac- ciones es que los demás lo hacen así. La experiencia nos indica que es probable que se planteen interrogantes no previstos por el profesorado y que, a pesar de las limi - taciones de tiempo, deben ser atendidos.

¿Qué efectos produce la corriente eléctrica?

Se han visualizado y trabajado algunos efectos del paso de corriente (sobre todo, los luminosos); se trata de contemplar otros que también son útiles en la vida cotidiana. Aunque nos centremos en los magnéticos y mecánicos, se pueden incluir más sin olvidar el objetivo de las actividades propuestas.

La intención de esta cuestión guía no es abrir un nuevo campo en el estudio de las interacciones (en particular, el magnetismo). Sus diferencias con la gravitatoria y la eléc- trica (el campo magnético no es conservativo) hacen complicado ir más allá de los as - pectos fenomenológicos. Pero no resulta insalvable trabajar, a nivel cualitativo, sobre los efectos magnéticos de la corriente eléctrica y, en particular, el es tudio de los electroima- nes. Para facilitar una interpretación más completa de su comportamiento, se puede in - cluir la experiencia de Oersted o comparar su funcionamiento con el de un imán natural.

Siguiendo con el objetivo de visualizar efectos de la corriente eléctrica y estu- diarlos a nivel cualitativo, se iniciaría el estudio de los motores, como consecuencia de tipo mecánico. Además de la estructura, la utilidad o el funcionamiento de cada uno se puede pedir que realicen diferentes montajes y asoc iaciones con una finali- dad preestablecida. También se podría incluir el estudio de los factores que influyen en la optimización de los efectos mecánicos del motor.

¿Cómo son los aparatos eléctricos que usamos?

Creemos que no se debe terminar un tema como éste, incluido en la formación básica como ciudadanos, sin hacer alusión a cómo están construidos algunos apara - tos cotidianos (secador de pelo, plancha, calefactor, cafetera eléctrica, batidora, etc.) o algunos juguetes eléctricos (juegos en los que cua ndo se acierta se enciende una luz o suena un zumbido; móviles con pequeños motores, etc.) que tienen, en gene - ral, estructuras bastante sencillas. Hemos mencionado algunos pero se pueden incluir otros; los únicos requisitos son la simplicidad de los mont ajes y la presencia de los elementos estudiados anteriormente.

Además de conocer cuál es el esquema básico que lo representa se trataría de justificar el funcionamiento a partir de la representación. En la siguiente cuestión, al usar las especificaciones y las magnitudes estudiadas para realizar cálculos, analizar y discutir qué pasaría si cambiaran estas características, etc., completaremos lo que en ésta se ha iniciado.

¿Qué necesitamos conocer para montar un aparato? ¿Qué normas de seguridad debemos tener presentes?

La lectura de etiquetas es una actividad habitual en la educación para el con - sumo o en la tecnología (para montar dispositivos con una finalidad). Sin embargo, pocas veces se consideran en la selección de contenidos de los circuitos eléctricos.

Términos como ddp o intensidad máxima, resistencia eléctrica, potencia, im-

pedancia de entrada/salida... son importantes para caracterizar los elementos y, ade- más, no son nuevos para los alumnos y las alumnas de estas edades. P or ello, se debe intentar que expliciten los significados que les asignan en su vida cotidiana (ya que no han sido trabajados en la escuela), contrastarlos con los de sus compañeros y acer - carlos a unos más adecuados desde la perspectiva de la física esco lar.

Al hilo de las especificaciones de los aparatos eléctricos familiares (equipo de música, televisor, ordenador, consola, vídeo, bombillas de su habitación...) se debe in - cidir en el conocimiento y la justificación de las normas de seguridad en relació n con el uso de la electricidad doméstica. Al respecto, hay que advertir que existe una gran heterogeneidad de creencias; esta dispersión es consecuencia del aprendizaje extra - escolar (experiencias personales, relatos audiovisuales o ficciones, comentario s reali- zados en su entorno...). En este contexto, se puede incidir también en el papel de los fusibles en los aparatos y de los diferenciales en las instalaciones domésticas.

¿Cuánto gastamos en electricidad?

Profundizando en el tema anterior, el siguien te paso podría ser el estudio del consumo personal o familiar de energía eléctrica. Identificadas algunas acciones ha - bituales, se puede calcular el coste que supone en la factura familiar (hay pequeños programas en Internet que permiten calcularlo). Pued e ser interesante analizar el re- cibo completo de la luz pero, en este caso, es preciso distinguir entre el gasto y los impuestos. No estaría de más analizar y discutir los valores de tablas de datos -pu- blicados o investigados por la clase- referidos a necesidades colectivas (municipios, comunidades autónomas, países o continentes) con el fin de sensibilizarlos sobre el alcance de esta problemática.

Esta cuestión puede tener muchos puntos de encuentro con la unidad didácti - ca sobre la energía. Si se ha trabajado previamente, se pueden establecer interesan - tes relaciones con las fuentes y centrales de energía cuya finalidad es la producción de electricidad doméstica. Es importante -y muchas veces se olvida- relacionar los contenidos de diferentes temas de forma intencionada. Pensar que el alumnado lo hará por sí mismo y sin ayuda es una quimera.

También conviene hacer contrastes comparativos de consumo y repercusión económica entre elementos (bombillas normales, tubos de neón, bombillas de bajo consumo), o aparatos que realizan la misma función (distintos televisores de una

casa, valores de eficiencia de lavadoras de una tienda...). No se debe olvidar que, en este tipo de contrastes, hay que tener en cuenta la duración, los efec tos para la salud o la conservación del medio, etc.

Parece obligado finalizar esta cuestión con el diseño de un plan de ahorro. Las ac - tividades que se puedan realizar en torno a este contenido deben proyectarse más allá del aula (quizás una campaña en el centro). De esta forma contribuiremos a que los estudiantes perciban una mayor utilidad de los contenidos que se trabajan en clase.

Sería interesante, al concluir el tema, comentar con el alumnado qué han apren - dido, qué ideas han cambiado, qué les ha llamado más la atención o para qué creen que les puede servir los conocimientos trabajados. Pensamos que resulta necesario que los estudiantes sean conscientes de la utilidad de lo que aprenden y que el profesorado comparta con sus alumnos y alumnas este p roceso de construcción cognoscitiva para reflexionar y tomar decisiones sobre y en la práctica educativa.

¿Quiénes fueron Ampere, Volta, Ohm y Edison? ¿Qué han aportado a la ciencia y

a la sociedad?

Se trataría de acercar al alumnado al conocimiento biográ fico de estos u otros personajes que hicieron contribuciones importantes en el estudio de los circuitos eléc - tricos. En particular, se deberían resaltar sus datos biográficos más relevantes (mo - mento histórico, diferencias en la procedencia social y tipo de estudios, aceptación por la comunidad científica...), sus hallazgos y, si es posible, alguna simulación de los procesos que les llevaron a sus descubrimientos.

Además del relato de hechos y logros de estos científicos, nos parece fundamen - tal indagar en dos direcciones: por un lado, en la significación social de sus descubri - mientos en su momento, en cómo afectaron a la calidad de vida de los seres humanos,