j) diseño de circuitos eléctricos

DIRECCIÓN GENERAL DE DESARROLLO CURRICULAR
ASIGNATURA DE TECNOLOGÍA
BLOQUE III. TRANSFORMACIÓN DE MATERIALES Y ENERGÍA
En este bloque se retoman y articulan los contenidos de los bloques I y II
para analizar los materiales desde dos perspectivas: la primera retoma
las características de los materiales con que están elaboradas las
diferentes partes de una herramienta, haciendo énfasis en la relación de
sus características con la función que cumplen; la segunda propone el
análisis de la diversidad de materiales, tanto naturales como aquellos
producto de la transformación. Se propone el análisis de las
características funcionales de los productos propios desarrollados para
una actividad tecnológica, así como de su importancia en diversos
procesos productivos. Asimismo, se revisarán los posibles impactos y su
prevención, tanto de la extracción como de la generación y uso de los
materiales.
La energía se analiza a partir de la fuerza y el movimiento que posibilitan
el funcionamiento de los procesos o para la elaboración de un producto;
será necesario identificar los tipos de energía y sus fuentes, así como los
mecanismos para su conversión en energía mecánica (movimiento) y su
relación con los motores. También se aborda el uso de la energía en los
procesos productivos; en este sentido, el análisis se enfoca
fundamentalmente al empleo y el efecto del calor y de otras formas de
energía sobre diversos materiales para su transformación.
Propósitos:
1. Identificar el uso, el origen, la diversidad y las posibilidades de
transformación de materiales.
2. Emplear los materiales en diversos procesos técnicos de
acuerdo con su función.
3. Utilizar técnicas de transformación energía en diversos procesos
técnicos.
4. Prever los posibles efectos en el ambiente derivados del uso de
los materiales y de la energía; intervenir para disminuir o evitar
efectos negativos.
Aprendizajes esperados:
 Comprenden la función de los materiales y de la energía en los
procesos técnicos.
 Emplean de manera eficiente los materiales y la energía en
diversos procesos técnicos.
 Construyen diversos mecanismos para trasformar y aprovechar
de manera eficiente la energía en la resolución de problemas
técnicos.
Encuadre:
Es importante que el maestro considere al inicio de cada bloque, una
presentación del mismo, sus propósitos y los aprendizajes esperados
que lo fundamentan, a fin de proporcionar un panorama general de los
aspectos a abordar en el proceso educativo. En este sentido también es
pertinente, dar a conocer al alumno la estructura lógica de la unidad
didáctica o actividad que se va a trabajar en el aula taller de Tecnología,
esto se propone con la intensión de lograr que los alumnos conozcan la
orientación y los fines de la actividad que el profesor plantea, a fin de
promover su comprensión y participación en el proceso educativo.
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DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS
UNIDAD DIDÁCTICA
Conceptos relacionados:
 Materiales
 Propiedades técnicas de los materiales
 Insumos
 Materiales: naturales y sintéticos
 Procesos técnicos
 Impacto ambiental
 Resultados esperados e inesperados
 Tipos de energía
 Fuentes de energía
 Transformación de energía
 Energía: movimiento, calor, luz, electricidad, magnetismo.
 Insumos
TIEMPO SUGERIDO PARA SU DESARROLLO EN EL AULA TALLER:
8 módulos de 50 minutos.
SUGERENCIA DIDÁCTICA:
 Construir un circuito eléctrico básico para comprender su
funcionamiento mediante su diseño, representación gráfica y
construcción.
Propósitos:
Que los alumnos:
 Diseñen un circuito eléctrico a través del uso de un software.
 Construyan un circuito eléctrico básico en serie y en paralelo.
 Conozcan las características técnicas de los materiales
empleados.
 Conozcan y pongan en práctica criterios de seguridad en el
diseño y construcción de un circuito eléctrico.
Materiales y recursos didácticos complementarios:
Para los alumnos:
 Lápices
 Pinzas de corte
 Pinzas pelacables
Para los equipos de trabajo:
 1 rollo de cable del # 22 color negro
 1 rollo de cable del # 22 color rojo
 1 Motor eléctrico de 3 volts.
 2 Focos para lámpara sorda de 6 voltios
 Sockets para lámpara sorda de 6 voltios
 Apagadores
 Cinta de aislar
 Pilas AA y D
 Porta pilas para AA
Para el docente:
 Hojas blancas
 Hojas de papel bond blanco.
 Marcadores de agua
 Software crocodile clips 3 elementary edition
 Extensiones
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DESARROLLO DE LA UNIDAD DIDÁCTICA
I
Propósito:
Que los alumnos participen en una lluvia de ideas previas para ubicar los
componentes de un circuito eléctrico.
Para iniciar la actividad, se sugiere que el maestro proponga una lluvia
de ideas con los alumnos a fin de que identifiquen los componentes de
un circuito eléctrico y definan cuál es su función, con las ideas que les
vengan a la mente con base en sus experiencias previas. El maestro se
encargará de registrar las propuestas en hojas de papel rotafolio de
manera tal que queden en un lugar visible y puedan ser retomadas
posteriormente.
Es importante que el docente guie la reflexión de los alumnos, para
ubicar que los circuitos (de diverso tipo), están presentes en muchas
áreas de la vida cotidiana y que pocas veces reflexionamos sobre su
presencia, importancia y modo de funcionamiento. Se sugiere que el
maestro proponga una reflexión compartida, a partir de la cual los
alumnos imaginen cómo están construidos los circuitos eléctricos en sus
hogares, así como los tipos de energía que se emplean en la vida
cotidiana y en los procesos productivos. El ejercicio podrá acompañarse
con la elaboración de una tabla comparativa que muestre los diferentes
tipos de energía y sus fuentes, así como los materiales empleados en un
circuito eléctrico y la función que cumplen en el sistema.
Al respecto se propone que en un primer momento los alumnos realicen
un listado de los materiales que se emplean en la elaboración de un
circuito eléctrico; en un segundo momento se propone la elaboración de
una tabla descriptiva considerando: los componentes del sistema, las
características técnicas del material con el cual está elaborado y la
función que cumple.
Es esencial considerar una gama amplia de productos empleados en el
campo, por ejemplo los diferentes tipos de clavijas de uso industrial y de
uso en el hogar, los diversos tipos de focos (incandescentes,
ahorradores, de LED), los cables empleados, al respecto existen algunos
con revestimiento de asbesto que son retardantes del fuego, solo por
mencionar algunos. El propósito es que los alumnos identifiquen el uso,
origen y diversidad de los materiales empleados en los diversos
procesos, de acuerdo con sus funciones técnicas.
Componentes
del sistema
MATERIALES
Características técnicas
del material
Función que cumple
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En la casa de Samuel constantemente hay cambios de voltaje, por lo
que sus instalaciones eléctricas se dañan a menudo. Cansado de esta
situación y del gasto que representa, ha decidido aprender a construirlas
y repararlas por sí mismo; sin embargo no tiene ningún conocimiento
sobre electricidad lo cual dificulta su trabajo. Por lo tanto ha decidido
acudir con un grupo de expertos para que lo orienten en el diseño y
construcción de un circuito eléctrico.
II
Propósito: Que los alumnos: representen gráficamente un circuito
eléctrico.
Si bien los contenidos referidos al empleo de los medios de
comunicación y representación técnica se abordarán en el siguiente
bloque, un primer acercamiento de los alumnos a las diversas formas de
representar un circuito eléctrico pueden ser empleadas con eficacia en
este momento, para plantear alternativas de solución teniendo en cuenta
las problemáticas a las cuales se les quiere dar solución.
Para ello se puede partir de situaciones problemáticas como la que se
enuncia a continuación:
El maestro se encargará de organizar los equipos de trabajo según el
número de integrantes del grupo, a fin de fomentar la discusión, el
disenso y el consenso para la toma de decisiones que permitan el
desarrollo de la actividad propuesta.
Se propone que los alumnos realicen el diagrama correspondiente a
un circuito eléctrico. Sin embargo tendrán que decidir cuál será la
alternativa de solución más viable y deberán justificar su elección.
Las ideas expresadas por cada uno de los alumnos, así como los
acuerdos deberán ser organizados para su presentación en una plenaria
final, considerando alternativas en cuanto al diseño, sus ventajas,
limitaciones, costos, materiales, tipo de circuito, tipo de energía a
emplear, entre otros, antes de elegir la opción más viable. Ninguna
aportación será descalificada de antemano, se trata de generar tantas
soluciones como sean posibles y consensar y elegir la más adecuada a
partir de las discusiones y las argumentaciones que orientan la toma de
decisiones.
En un primer momento los equipos de encargarán de identificar los
componentes a utilizar.
Una vez tomadas las decisiones en los equipos de trabajo, se propone
que los equipos se subdividan a su vez y, mientras la mitad del equipo
realiza la representación del circuito eléctrico empleando el lenguaje
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técnico adecuado,1 la otra mitad lo representa según sus saberes tácitos
o saberes derivados de la experiencia. Al final valorarán las ventajas y
limitaciones de realizar la representación gráfica de una y otra manera y
anotarán sus observaciones.
Las estrategias de enseñanza deberán estar orientadas a delegar en los
alumnos el diseño. De esta forma el docente intervendrá lo menos
posible y evitará dar ideas a los alumnos; se constituye en este sentido
en el mediador del proceso educativo que orienta los diseños de
alternativas de solución, la selección de los materiales, las herramientas,
la división de tareas, entre otros.
lámpara siempre estaría prendida, por lo que, para prenderla y apagarla
se necesitará añadir un interruptor. La energía es almacenada como
energía química y es convertida en energía eléctrica conforme se le va
requiriendo.
III
Propósitos:
Que los alumnos
Ejecuten la alternativa seleccionada.
Pongan en práctica las medidas de seguridad necesarias en el diseño y
prueba del circuito eléctrico, con la intensión de prevenir riesgos.
Propósito: Que los alumnos diseñen un circuito eléctrico básico a partir
del empleo de un software o simulador.
En esta actividad se propone la utilización de un simulador de circuitos
eléctricos para diseñar y construir circuitos de acuerdo con las
especificaciones técnicas planteadas en la alternativa de solución, desde
los más simples hasta otros de mayor complejidad. Para ello se
empleará el software crocodile clips 3 elementary edition. La ventaja de
este recurso didáctico complementario es que posibilita una introducción
a los fundamentos de la electricidad y realizar diseños sencillos
empleando baterías, fusibles, apagadores, interruptores, resistencias,
zumbadores, lámparas de filamento, focos de LED y motores. Por
ejemplo se pueden realizar circuitos conectando una lámpara a través de
una batería de diferentes voltajes, sin embargo la desventaja es que la
Cfr. Anexo 1. Símbolos eléctricos. Para el empleo
del lenguaje técnico adecuado, así como para la
interpretación de circuitos y planos de instalaciones
eléctricos se utilizan símbolos de los cuales existe
una gran diversidad; en este anexo se presentan
algunos de los más recurrentes.
1
Para ello se requerirá de una breve demostración por parte del docente
sobre el funcionamiento del software propuesto. A continuación los
alumnos se encargarán del diseño de un circuito eléctrico básico.
IV
Los alumnos construirán el circuito eléctrico empleando los materiales a
su alcance. Organizarán los elementos que forman parte de los circuitos
eléctricos (la fuente de alimentación (energía), los cables conductores y
los receptores, en este caso el foco de una lámpara sorda) y podrán
observar y comprobar cómo circula la corriente eléctrica. Así mismo
podrán comprobar el funcionamiento de los interruptores como sistemas
de control del paso de la corriente.
La construcción de los circuitos eléctricos se puede realizar por
aproximaciones sucesivas:
a) Conectando la fuente de energía a los conductores (cable) para
prender una carga (foco).
b) Conectando la fuente de energía a los conductores (cable) e
incorporando un interruptor/apagador, para encender la carga.
c) Conectando la fuente de energía a los conductores (cable)
incorporando un motor.
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d) Conectado la fuente de energía a los conductores para prender
los focos en serie y en paralelo. Como parte de la actividad se
sugiere el uso del multímetro para medir los voltajes.
Si los alumnos no tienen conocimiento sobre cómo se arma un circuito
eléctrico, el maestro deberá orientar la práctica a partir de preguntas, por
ejemplo: ¿cómo creen que se ordenan los distintos componentes?, ¿qué
creen que ocurrirá?, ¿qué se necesita para que fluya la corriente
eléctrica?, ¿cuáles son las características técnicas de los materiales
empleados (por ejemplo, con los conductores definir cuáles son sus
propiedades: conductibilidad, resistencia térmica y mecánica, porosidad,
flexibilidad y dureza)?, ¿qué función tienen los interruptores y los
diferentes componentes del sistema?, ¿qué otras fuentes de energía se
pueden emplear?, ¿cómo se puede medir la corriente eléctrica?
Los alumnos realizarán las modificaciones correspondientes y deberán
tener cuidado de llevar a cabo las normas de seguridad al manipular los
materiales eléctricos. Como parte del desarrollo de la actividad se
propone que los alumnos realicen una investigación documental sobre
la aplicación de nuevos materiales en los circuitos eléctricos para mejorar
su desempeño y seguridad o sobre la aplicación de pilas de hidrogeno
como fuentes de energía alternativas.
Los alumnos anotarán sus conclusiones y observaciones realizadas en
su cuaderno de apuntes.
Finalmente se propone una reflexión grupal sobre los impactos por el
uso de fuentes de energía portable: pilas y baterías, para su uso
adecuado, reciclado y disposición final para prevenir impactos
ambientales. Los alumnos presentarán sus propuestas para el manejo
adecuado de estos desechos, por medio de la elaboración de carteles o
a partir de la construcción de un dilema moral.
V
Propósito: que los alumnos expongan en plenaria el trabajo realizado y
evalúen grupalmente el trabajo realizado.
Finalmente se sugiere la comunicación de los resultados de los
equipos al grupo, para ello se propone la presentación en plenaria del
proceso realizado y sus resultados, señalando:
 Los responsables del proyecto
 Los materiales utilizados.
 Las herramientas o máquinas empleadas.
 Los tipos de energía que están en juego.
 El funcionamiento del sistema construido.
 La integración y muestra de los dibujos, esquemas o diagramas
realizados.
 Las dificultades encontradas.
 Las consideraciones finales que derivan del ejercicio realizado.
Los aspectos antes señalados pueden sintetizarse en la elaboración de
un informe técnico o memoria final del proyecto, según el criterio del
docente o bien, realizar un análisis funcional para describir la utilidad
del objeto, en este caso del circuito eléctrico construido y la explicación
sobre su funcionamiento.
En la exposición y valoración de la experiencia. Se sugiere realizar una
reflexión y evaluación grupal sobre los siguientes aspectos:
 La situación de aprendizaje descrita responde a criterios basados
en la resolución de problemas de tipo técnico, en un contexto de
aplicación.
 Las situaciones de aprendizaje permiten resignificar las
consignas y tomar caminos no previstos.
 La valoración de los saberes previos, su modificación y
transferencia a nuevas situaciones.
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 Con base en los resultados de cada equipo, valorar que el
ejercicio no da lugar a unas pocas “respuestas” verdaderas, sino
que suele generar una gran variedad de respuestas que
permiten dar solución a los problemas técnicos o necesidades
planteadas.
 El diseño y modelo propuesto ¿cumple los criterios definidos?,
¿hace uso eficiente de los materiales?, ¿previene riesgos para
los usuarios?
 La aplicación y utilización correcta de técnicas y el manejo
eficiente de los materiales empleados.
 La autoevaluación de cada alumno y co-evaluación entre pares,
procesos que permiten evaluar críticamente su producción
individual y la de su grupo y de proponer cambios y mejoras.
BIBLIOGRAFÍA
AITKEN, J y G. Mills. (2005): Tecnología creativa. Madrid, Ministerio de
Educación y Ciencia / Morata.
MARPEGÁN, Carlos María, José María Mandón y Juan Carlos Pintos.
(2000): El placer de enseñar tecnología. Actividades de aula para
docentes inquietos. Buenos Aires / México, Novedades Educativas.
pp.125-138.
SAYAVEDRA, Roberto. (2002): El domador de la electricidad. Thomas
Alva Edison. México, Pangea.
(2006): Electricidad básica para conductores. México, STC Metro,
INCADE.
Documental. Grandes Inventores. Einstein, Ford y Edison. Descubriendo
la historia. American Institute Education INC.
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ANEXO 1
SIMBOLOS ELECTRICOS
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ANEXO 2
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GLOSARIO DE TERMINOS
Electricidad: Es el movimiento de electrones al trasladarse de un átomo
a otro átomo.
Corriente eléctrica: Es el movimiento de electrones a través de un
circuito. En una representación de flujo de electrones, la corriente se
muestra circulando del terminal negativo de la batería hacia el terminal
positivo y representa la forma en que circula el flujo real de electrones.
La corriente convencional se muestra circulando del terminal positivo de
la batería al terminal negativo. Ésta era la forma en que se pensaba que
la corriente circulaba antes de que se descubrieran los electrones.
Corriente alterna: Es el flujo de energía eléctrica que varia
periódicamente y cambia constantemente, pasando alternativamente por
valores positivos y negativos. Para el sistema eléctrico nacional la
frecuencia que es el cambio alternativo entre valores positivos y
negativos es de 60 ciclos por segundo.
Corriente directa: La corriente directa (CD) o corriente continua (CC) es
aquella en cuyas cargas eléctricas o flujo de electrones van en el mismo
sentido de un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo
hacia el polo positivo, tal como ocurre en las baterías, los dínamos o en
cualquier otra fuente generadora de ese tipo de corriente eléctrica.
Circuito eléctrico: Es una trayectoria que comprende la fuente de
energía (pila o batería), el conductor (cable o alambre) por donde fluye la
energía y la carga (foco o motor) que es el fin de dicha trayectoria.
Circuito abierto: Es aquel circuito eléctrico donde la trayectoria de la
energía es interrumpida por ende la energía no llega a la carga, hasta
que se cierra el circuito.
Circuito cerrado: Es cuando el circuito eléctrico no es interrumpido y la
corriente fluye hacia la carga.
Aislante: También llamados aisladores, son los materiales que no
permiten que sus electrones se liberen fácilmente. Ejemplos de aislantes
son el caucho, aceite, vidrio, cuarzo, madera, papel, cerámica, fibra de
vidrio, asbesto, cintas de aislar, porcelana, baquelita, entre otros.
Voltaje: Es la fuerza eléctrica que llega a una carga a través de una
corriente de electrones que fluyen a través de una resistencia o un
conductor. El voltaje se mide en voltios.
Interruptor: Es el dispositivo cuya función principal es la de abrir o cerrar
un circuito eléctrico. En su forma más sencilla consta de dos contactos
de metal conducto que se conectan, cerrando el circuito, estas dos
piezas operan en forma manual o automática.
Resistencia: Es la forma en que un material se opone al flujo de
corriente eléctrica. A mayor voltaje, menor corriente eléctrica, del mismo
modo, a menor resistencia mayor flujo de electrones.
Resistencia eléctrica: Se define como la resistencia que permite el paso
de una corriente de intensidad de un amper al aplicarse una diferencia
potencial de un volt entre las terminales de dicha resistencia y se mide
en ohms.
Fuerza electro motriz (FEM): Es el trabajo necesario para desplazar la
unidad de carga negativa o positiva de un punto a otro en contra o a
favor de las fuerzas del campo eléctrico y se puede medir en volts.
Conductores: Son los materiales que permiten la circulación de la
electricidad; los electrones son capaces de pasar fácilmente de un átomo
a otro.
Conductancia: Es la facilidad con la que un metal deja fluir la corriente
de electrones.
Circuito en serie: Es aquel en el cual la resistencia u otros elementos
eléctricos, están conectados por sus extremos; en estos circuitos pasa la
misma corriente por todos los puntos del circuito, pero el voltaje de la
fuente se reparte entre los distintos elementos del circuito.
Circuito en paralelo: Es aquel en el que la terminal de cada elemento
está conectado a un punto común y la otra terminal de cada elemento
está conectada a una segunda terminal para cerrar un circuito.
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El circuito dispone de varias ramas por las que puede circular la carga
eléctrica. Todos los componentes de un circuito paralelo son
independientes. Cada uno de ellos opera en su propia parte del circuito
Ley de Ohm: La relación existente entre el voltaje, la corriente y la
resistencia en un circuito, está definida por la ley de Ohm.
Georg Ohm, un científico alemán, fue el primero en notar que "la
corriente que fluye por un circuito es directamente proporcional al voltaje
aplicado e inversamente proporcional a la resistencia". Esto significa que
mientras mayor es la resistencia de un circuito, mayor es la cantidad de
fuerza electro motriz (FEM) necesaria para establecer un flujo de
electrones a través del circuito.
Luz incandescente: La lámpara incandescente emite luz, debido a que
la electricidad pasa por un mal conductor que al calentarse adquiere un
brillo rojo. Este mal conductor dentro del bulbo se llama filamento y
generalmente esta hecho de alambre tungsteno.
El filamento esta sostenido por dos soportes que pasan a través de un
pedestal de vidrio a la base. Un alambre pasa al casquillo de latón
roscado y el otro va al botón metálico que está debajo, el casquillo
roscado y el botón son buenos conductores y se encuentran separados
por un aislante.
Generador: es un dispositivo utilizado para transformar energía
mecánica en energía eléctrica.
Fuentes básicas de energía: Frotamiento, presión, calor, luz,
magnetismo, acción química.
Electricidad producida por fricción. Se genera a través del frotamiento
de dos materiales diferentes, donde los electrones de uno de ellos son
expulsados de sus órbitas y se incorporan al otro.
Electricidad producida por presión: La aplicación de presión de
algunos materiales provoca el desalojo de electrones de sus órbitas y los
empuja hacia un lado del material, originando que el material por un
extremo se cargue positivamente y del otro adquiere carga negativa.
Electricidad producida por calor: Es la aplicación de calor a ciertos
materiales como los metales, proceso que provoca la liberación de
electrones y se suministra más energía. Este método es llamado
termoelectricidad.
Electricidad producida por luz: La luz en sí misma es una fuente de
energía y está formada por pequeños paquetes de energía llamados
fotones. Cuando los fotones de un rayo luminoso inciden sobre un
material sensible a la luz liberan electrones. Al efecto de generar energía
eléctrica a partir de la luz se le denomina efecto fotoeléctrico.
Electricidad producida por acción química: Es cuando las substancias
químicas pueden combinarse con ciertos metales para iniciar una
actividad química en la cual habrá transferencia de electrones,
produciéndose cargas eléctricas. Las baterías ordinarias funcionan de
esta manera.
Electricidad producida por magnetismo (electromagnetismo): Es el
método más común para producir electricidad, debido a que mantiene
una energía eléctrica suficientemente grande. Electromagnetismo es
cuando dentro del campo magnético de un imán un alambre y éste se
mueve con una velocidad constante, en el interior del alambre sucede la
liberación de sus electrones. Magnetismo. Es la propiedad de atracción
que se provoca en algunos materiales.
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ANEXO 3
CIRCUITOS ELECTRICOS
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