Antonio Montero Moreno

414 Pages·2007·2.51 MB·Spanish

by  Jos. Gabriel

UNIVERSIDAD DE GRANADA

Departamento de Didáctica de las Ciencias Experimentales
Facultad de Ciencias de la Educación

EL CONCEPTO DE FUERZA ELECTROMOTRIZ EN LA
INTERPRETACIÓN DE CIRCUITOS DE CORRIENTE
ESTACIONARIA. ANÁLISIS CRÍTICO DE SU ENSEÑANZA Y
PROPUESTA DIDÁCTICA ALTERNATIVA

Entre dos puntos del anillo
la fuerza electromotriz da
lugar a una corriente
eléctrica, pero no se puede
medir una diferencia de
potencial electrostático

MEMORIA

Presentada para optar al Grado de Doctor por

Antonio Montero Moreno
UNIVERSIDAD DE GRANADA
Editor: Editorial de la Universidad de Granada
Autor: Antonio Montero Moreno
D.L.: Gr. 240 - 2007
ISBN: 978-84-338-4236-7
Departamento de Didáctica de las Ciencias Experimentales
Facultad de Ciencias de la Educación

EL CONCEPTO DE FUERZA ELECTROMOTRIZ EN LA
INTERPRETACIÓN DE CIRCUITOS DE CORRIENTE
ESTACIONARIA. ANÁLISIS CRÍTICO DE SU ENSEÑANZA Y
PROPUESTA DIDÁCTICA ALTERNATIVA

MEMORIA DE TESIS DOCTORAL PRESENTADA POR

Antonio Montero Moreno

PARA OPTAR AL GRADO DE:

Doctor por la Universidad de Granada

PROGRAMA DE:

Doctorado en Didáctica de las Ciencias Experimentales

DIRIGIDA POR LOS PROFESORES:

Dr. D. Jenaro Guisasola Aranzabal. Universidad del País Vasco
Dr. D. Manuel Fernández González. Universidad de Granada

GRANADA 2007
A la memoria de mi padre.
AGRADECIMIENTOS:

Durante años el profesor Manuel Fernández me animó a realizar este trabajo, sin su
intervención nunca habría iniciado esta aventura. Más tarde se incorporó Jenaro
Guisasola, su experiencia y saber han sido definitivas para llegar a buen puerto, además
he ganado un amigo.

Un trabajo de investigación es una labor de equipo, un plantel de profesores, algunos de
reconocido prestigio dentro y fuera de Andalucía, ha participado en esta: José
Hierrezuelo, Eduardo Molina, Víctor del Valle, Tomás Mozas, Gabriel Ruiz, Rafael
López Gay, Carlos Sanpedro, Francisco López, Santi Santamaría, Antonio Pérez,
Francisco Martín, Ángel Blanco. A todos ellos debo una colaboración importante, pero
en la puesta a punto de la unidad didáctica, la participación de los compañeros del
Seminario Permanente de Física y Química de la Axarquía (amigos, después de más de
25 años de trabajo en común) ha sido especialmente destacada. Las orientaciones para el
formato general de José Luis Zubimendi han sido de gran valor.

Debo reconocer que, gracias a la licencia por estudios que me concedió la Consejería de
Educación de la Junta de Andalucía, durante el curso 2004/05, este trabajo ha visto la
luz en un tiempo menor, lo que, en investigación, tiene su importancia.

Por último señalar que, tres personas han colaborado con una generosidad sin límites,
Marina, Antonio y Víctor, de estos me he perdido una buena parte de su niñez.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA E ÍNDICE GENERAL

En el estudio de los circuitos eléctricos de corriente continua en estado
estacionario la noción de energía por unidad de carga juega un papel fundamental. En el
modelo de la materia que se utiliza para explicar, a nivel microscópico, las
transformaciones de energía que tienen lugar en los distintos elementos del circuito, el
concepto de carga explica el transporte de energía de unos puntos a otros del circuito,
de forma que decimos que en una bombilla parte de la energía que las cargas (como
partes de un sistema) poseen en forma de energía potencial electrostática, se transforma
en luz y calor. Vemos cómo en la situación descrita, los conceptos de carga y energía
están estrechamente vinculados y, si se ha de cuantificar, la noción de energía por
unidad de carga es la que nos permite realizar las precisiones ineludibles.

¿Por qué se trasladan las cargas de un punto a otro de un circuito eléctrico
cerrado? La respuesta a esta pregunta la expresamos diciendo que las cargas se
desplazan hacia posiciones en las que su energía potencial electrostática disminuye, es
decir, la energía del sistema disminuye. Y si debemos realizar la precisión que permita
cuantificar el proceso, la noción de energía por unidad de carga está de nuevo
implicada.
¿Cómo se consigue, en el sistema que llamamos circuito, dotar a las cargas de la
energía potencial electrostática suficiente como para que se desplacen de un punto a
otro de forma estacionaria?, ¿cómo conseguimos que en una bombilla se pueda
mantener constantemente un proceso de transformación de energía mediante el cual
obtenemos luz y calor? De nuevo la relación entre los conceptos de energía y unidad de
carga están implicados a la hora de explicar y cuantificar las respuestas.

Las magnitudes físicas diferencia de potencial, fuerza electromotriz y voltaje se
definen como energía por unidad de carga y se miden las tres en voltios, están por tanto
detrás de los mecanismos de cuantificación a los que se ha aludido más arriba. Este
trabajo se ha limitado al estudio de los circuitos en los que los campos eléctricos son
culombianos y por tanto conservativos, por lo que no se ha empleado el concepto de
voltaje. Por tanto, nos referiremos a la diferencia de potencial y a la fuerza
electromotriz, ¿podemos utilizar una u otra de modo indiferente? La respuesta
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evidentemente es que no, pero delimitar cuándo utilizamos una u otra exige tener clara
la respuesta a la cuestión:

¿Cuál es la diferencia entre fuerza electromotriz y diferencia de potencial?

Si se trata de responder a una pregunta semejante en el caso de otras magnitudes
físicas, como podría ser el caso de la diferencia entre masa y peso, basta recurrir a la
definición de una y otra magnitud y a sus unidades de medida para tener una primera
respuesta bastante clarificadora. Pero si procedemos de esta manera en el caso de la
fuerza electromotriz y la diferencia de potencial el conflicto está servido. La definición
de ambas se realiza en términos de energía por unidad de carga y una y otra se miden en
voltios.
Es por tanto necesario profundizar algo más para encontrar diferencias
conceptualmente significativas entre ambas magnitudes. Pero debemos advertir que, los
resultados de una reflexión profunda en torno a la diferencia entre estas magnitudes
deben superar concepciones “espontáneas” o “de sentido común” sobre el aprendizaje y
la enseñanza de estas magnitudes, y esto por varias razones. La primera de ellas está
relacionada con los estilos de enseñanza-aprendizaje en los que prima, como se
mostrará en el curso de la investigación, el operativismo sobre la descripción cualitativa
de los hechos y fenómenos, cuestión esta que ha sido señalada también por otros autores
(Steinberg, 1992; Millar y King 1993; Velazco, 1998). La segunda está relacionada con
el hecho de que la enseñanza tradicional no suele distinguir entre hechos experimentales
y las explicaciones de tales hechos, ambas descripciones se mezclan con frecuencia en
los materiales para estudiantes, como consecuencia, entre otras razones, de una
organización escolar para la enseñanza de las ciencias en la que no está previsto un
tiempo para el trabajo experimental y en el que por lo tanto han de destacarse los
resultados más que los procesos. Fruto de las dificultades anteriores hay una tercera y es
que, la necesaria profundización en el significado de los conceptos implicados, para
poder diferenciarlos, se contempla como una especie de “adorno” ya que a la postre las
diferencias ni se pueden plasmar en nuevos tipos de ejercicios numéricos, ni explican
ningún trabajo experimental que se considere especialmente ilustrativo. Estas cuestiones
actúan como una especie de barrera epistemológica para la mejora del conocimiento
acerca de las magnitudes implicadas.

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La historia de la ciencia muestra cómo el concepto de fuerza electromotriz ha
sufrido una serie de avatares que lo han relegado al “olvido” (Guisasola, Montero y
Fernández 2005). El concepto de Potencial eléctrico fue establecido con gran elegancia
y competencia en el ámbito de los fenómenos electrostáticos y magnetostáticos por
Green en 1828 y Gauss entre 1839 y 1841 (Archibald 1988, 1986, Whittaker 1951). Se
trataba de cuantificar interacciones electrostáticas en aquellos casos, la mayoría, en los
que la ley de Coulomb resultaba insuficiente. El concepto de Fuerza electromotriz (fem)
fue establecido y acuñado por Volta unos treinta años antes (1798) para describir
acciones no electrostáticas sobre las cargas. En esta época, el ámbito experiencial para
el que se propone el concepto de fuerza electromotriz, el de la electroquímica y circuitos
eléctricos, lo que entonces se denominaba galvanismo, no se consideraba una disciplina
que se ajustara a los patrones que, en aquel momento, se consideraban como ciencia, lo
que terminó por condenarlo a un ostracismo que han señalado distintos autores y que
podemos decir sigue perdurando (Brown 1969, Varney y Fisher, 1980). Hacia mitad del
siglo XIX cuando, tras las aportaciones de Ampère, Faraday, Ohm, Kirchhoff, etc., la
electricidad y galvanismo se consideran ámbitos experimentales de la misma disciplina
y el concepto de energía demuestra sus potencialidades, el problema entra en vías de
solución; pero el concepto de fuerza electromotriz sufre un nuevo revés pues, en la
enseñanza, se asocia de manera casi exclusiva con las explicaciones en relación con las
experiencias de inducción de Faraday.

No obstante el problema de enseñar la diferencia entre fuerza electromotriz,
voltaje y diferencia de potencial ha venido señalándose desde hace casi cuarenta años
(Ericson 1968, Page 1977, Rose-Innes 1985, Jiménez y Fernández 1998). Para
distinguir entre fuerza electromotriz (fem) y diferencia de potencial (d.d.p.) se hace
necesario penetrar en la noción de transferencia de energía y distinguir entre las fuerzas
implicadas en la realización del trabajo que cuantifica la energía transferida. De forma
que el trabajo que es necesario efectuar para separar las cargas en los electrodos
de una pila, para generar una diferencia de potencial, no lo desarrollan fuerzas de
naturaleza eléctrica conservativa, mientras la fuerza que desplaza una carga que
se traslada hacia donde la energía potencial electrostática del sistema es menor, es
decir, entre dos puntos entre los que hay una diferencia de potencial, es una fuerza
eléctrica conservativa de carácter culombiano.

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En la enseñanza habitual en los cursos de Física de Bachillerato y primer curso
de universidad, en las experiencias en las que fuerzas conservativas y no conservativas
actúan sobre las cargas, sólo se han venido destacando algunas conclusiones que
ilustran los resultados y no los procesos. Por ejemplo, después de unos minutos de
funcionamiento, se destaca que la esfera del Van der Graaf se ha “cargado”, pero no se
describe el proceso de carga ni el carácter de las fuerzas implicadas en dicho proceso.
Se han realizado trabajos y se ha transferido energía entre sistemas, pero la descripción
de lo que sucede, a nivel microscópico, no forma parte de las explicaciones habituales
que se ofrecen a los estudiantes (ver Halliday y Resnick 1974, Tipler-Mosca vol.2).

Frecuentemente, textos y profesores, se refieren a la existencia de una diferencia
de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico o entre dos puntos de un circuito,
pero nada se dice en relación con la manera de crear una diferencia de potencial entre
dos partes de un sistema. Se habla de la fricción necesaria para electrizar un cuerpo,
pero no se indica que, las fuerzas de rozamiento implicadas, no se rigen por la misma
ley que gobierna las interacciones entre dos cargas del mismo o distinto signo que
permanecen en reposo. Se han explicado en el tema correspondiente, las nociones de
trabajo conservativo y no conservativo y sin embargo, cuando se tiene la oportunidad de
aplicar tales ideas en un tema diferente, lo que reforzaría el aprendizaje y la utilidad de
la introducción de dichas ideas para explicar procesos familiares, esto no se hace, lo que
con frecuencia se traduce en una falta de coherencia y claridad y en la necesidad de
complicar y ampliar el léxico con términos como los de “fuerza contraelectromotriz”.

Ante la problemática mencionada, la mayor parte de los de libros de texto que
hemos analizado optan por no aclarar la diferencia entre ambas magnitudes. Parte del
profesorado apoya esta opción argumentando que no es rentable explicar con
detenimiento esta diferencia, a tenor del tiempo necesario para ello. Surgen entonces
problemas, a la hora de explicar una serie de cuestiones, algunas de las cuales han
venido preocupando a los investigadores desde hace décadas:

1) Si optamos por no referirnos al concepto de fuerza electromotriz ¿cómo explicamos
la diferencia entre la ley de Ohm y la ecuación del circuito? Es este un error
generalizado: confundir la ley de Ohm con la ecuación que representa el principio
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de conservación de la energía en los circuitos de corriente continua (Chabay y
Sherwood 1999), que los textos suelen denominar ley de Ohm generalizada.
2) ¿Cómo se establecen las oportunas relaciones con la electrostática? Han venido
señalando algunos autores (Benseghir y Closset 1993, 1996, Bagno y Eylon 1997,
Chabay y Sherwood 1999) que, la ausencia de estas relaciones dificulta la
construcción del concepto de circuito eléctrico, se mostrará cómo algunos
profesores en formación y estudiantes de tercer ciclo piensan que la diferencia de
potencial en electrostática y en circuitos eléctricos de corriente continua son
nociones diferentes.
3) ¿Cómo explicamos las relaciones entre lo macroscópico y lo microscópico, para
el conjunto del circuito? Esta cuestión se ha venido formulando desde hace
décadas (Helad 1983; Eylon y Ganiel 1994, Chabay y Sherwood 1999), al señalar
cómo las relaciones macro-micro son un vínculo ausente en los razonamientos de
los estudiantes en relación con la electrostática y la electrodinámica.

Una respuesta coherente a las tres cuestiones anteriores difícilmente puede
elaborarse sin el concurso de la noción fuerza electromotriz.

El objetivo principal de este trabajo, más allá de mostrar que los estudiantes
presentan graves deficiencias en la comprensión o bien que los profesores no realizan
una enseñanza adecuada, es realizar un análisis detallado del proceso de enseñanza-
aprendizaje, a partir del cual sea posible elaborar una propuesta alternativa, cuya puesta
en práctica mejore de manera significativa los resultados de la situación de partida. Esto
plantea un importante reto para la enseñanza del concepto de fem: ¿cómo fomentar una
enseñanza que favorezca un cambio conceptual, epistemológico y ontológico en los
estudiantes? Las teorías constructivistas intentan describir diferentes caminos de
aprendizaje desde las concepciones alternativas de los estudiantes a las concepciones
que deben aprender (Leach y Scott 2002; Gil et al 2002). Sin embargo, los resultados de
la investigación educativa frecuentemente se expresan en un nivel alto de abstracción,
con pocos lazos con la práctica educativa. Por tanto, suele ser difícil el diseñar y
desarrollar una secuencia de actividades que permita a los estudiantes adquirir las
destrezas necesarias para reestructurar sus concepciones. Esta tarea está muy lejos de
ser trivial y constituye uno de los objetivos principales de este trabajo de tesis doctoral.
Es necesario un planteamiento “metacognitivo” de la enseñanza que ayude al
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