banco didÁctico para campos electromagnÉticos

BANCO DIDÁCTICO PARA CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS

YEISON JULIAN RAMOS URREGO WILLMER GIOVANY MORA ROBLES

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ D.C COLOMBIA


YEISON JULIAN RAMOS URREGO

WILLMER GIOVANY MORA ROBLES

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO

DIRECTOR:

I.E., MSc., PhD. FRANCISCO SANTAMARIA PIEDRAHITA

GRUPO DE COMPATIBILIDAD E INTERFERENCIA ELECTROMAGNÉTICA - GCEM

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE INGENIERÍA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C., COLOMBIA 2016

Dedicatoria

A mi madre Flor de Liz por haberme apoyado en todo momento, sin su esfuerzo

no sería posible, esto es por ella y para ella.

Yeison Julian Ramos Urrego

A mis padres Luis y Gladimir, por su incondicional apoyo durante todo este

proceso y por ayudarme en todos los momentos de mi vida.

Willmer Giovany Mora Robles


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Agradecimientos

A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por darnos la oportunidad de formarnos ética y

profesionalmente.

Al Ingeniero Francisco Santamaría Piedrahita por su apoyo y colaboración durante este proyecto,

sus observaciones y sugerencia fueron importantes en este proceso de formación.

A todos y cada uno de los profesores y compañeros que aportaron en nuestra formación como

Ingenieros.


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RESUMEN Este proyecto es una propuesta de una herramienta de apoyo, la cual busca de manera didáctica ayudar a comprender conceptos básicos de la asignatura campos electromagnéticos por medio de la visualización y la experimentación, ayudando así a la pedagogía y comprensión de algunas temáticas vistas de manera teórica, para lo cual el proyecto consta de 3 módulos didácticos enfocados a la teórica electromagnética.

En primer lugar, se elaboró un marco conceptual acerca de la teoría de campos electromagnéticos, haciendo énfasis en los temas directamente relacionados con cada uno de los módulos y sus prácticas experimentales. Posterior a esto se realiza una adquisición de datos e información por medio de un estado del arte donde se observan los avances y metodologías que se han usado a través del tiempo para una adecuada enseñanza de manera didáctica de los campos electromagnéticos, luego se realizaron una serie de cuestionarios a los estudiantes con el fin de identificar las necesidades que tienen los estudiantes frente a la teoría electromagnética.

A continuación, se seleccionaron los ejes temáticos para el diseño de los tres módulos que conforman el banco didáctico. El primer módulo consiste en un circuito magnético de núcleo variable, que está conformado por piezas intercambiables de tres materiales diferentes en su núcleo (hierro sólido, chapas de silicio laminadas y teflón), y bobinas intercambiables con diferente número de espiras, este módulo le permite al estudiante interactuar con la teoría de circuitos magnéticos y del transformador eléctrico. El segundo módulo consta de cuatro electrodos, dos de aluminio y dos de cobre (placas paralelas y cilindros respectivamente) las cuales están sumergidas en una cubeta llena de alcohol isopropilico, donde los electrodos se pueden polarizar según sea el caso de estudio, entre cada uno de los electrodos hay puntos de medición cada 15 mm, esto con el fin de realizar la medición de potencial eléctrico entre electrodos y poder graficar líneas equipotenciales de cada configuración calculando a su vez campo eléctrico.

El tercer módulo consiste en el análisis de la inducción electromagnética, donde una bobina de inducción plana genera un campo magnético al momento de pasar corriente por la misma, por medio de este campo magnético se induce una tensión a otra bobina receptora que recibe una cantidad de energía que depende de la distancia entre las bobinas. Las variables a estudiar son tensiones y corrientes inducidas dependientes de la distancia entre bobina emisora y receptora.

Dentro del desarrollo del proyecto, se realizaron las pruebas experimentales de cada uno de los módulos para verificar su correcto funcionamiento y poder determinar tiempos estimados de cada una de las prácticas a desarrollar. Cada uno de los módulos se simulado en COMSOL MULTIPHYSICS para determinar su comportamiento y así definir parámetros de diseño necesarios para la construcción, los módulos constan de un manual de operación para su correcta utilización.

Finalmente, el banco se podrá utilizar en laboratorios de física eléctrica, circuitos II, conversión electromagnética, transporte de energía y principalmente en campos electromagnéticos, buscando así un apoyo a la docencia y mayor comprensión de las temáticas por parte del estudiante.


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ALCANCES Y LIMITACIONES La asignatura campos electromagnéticos tiene un alto nivel de complejidad y abstracción, por esto el proyecto se orientó en el desarrollo de una herramienta de apoyo, la cual contribuye a la comprensión de los diferentes fenómenos que se ven en la asignatura campos electromagnéticos.

El banco didáctico consta de 3 módulos experimentales, pero queda abierta la investigación para modificaciones y posibles ampliaciones en el número de módulos experimentales y prácticas a desarrollar. Dado que los módulos estarán ubicados en las instalaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en la sede de Ingeniería, estos deberán ser lo más pequeños posible debido a la disponibilidad de espacio en esta sede, y para su fácil transporte, además de estar compuesto por partes de fácil reemplazo en caso de requerirlo y podrá utilizar elementos del inventario de la Universidad como son: fuentes, multímetros, osciloscopios entre otros elementos necesarios para el desarrollo de las prácticas.

Una vez implementados y estandarizados los módulos con sus respectivas prácticas, se pueden construir en serie con el fin de que una mayor cantidad de estudiantes puedan utilizarlos de manera personalizada, ayudando así a su aprendizaje de manera experimental.


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TABLA DE CONTENIDO Dedicatoria ........................................................................................................................................... i

Agradecimientos .................................................................................................................................. i

RESUMEN ............................................................................................................................................ ii

ALCANCES Y LIMITACIONES ................................................................................................................. iii

TABLA DE CONTENIDO .................................................................................................................... v

LISTADO DE FIGURAS .................................................................................................................... viii

LISTADO DE TABLAS ........................................................................................................................ ix

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 1

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................................................... 1

1.2 OBJETIVOS ........................................................................................................................... 3

1.2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................ 3

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................................... 3

1.3 METODOLOGÍA .................................................................................................................... 4

1.4 ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO ..................................................................................... 5

2. MARCO DE REFERENCIA .................................................................................................................. 7

2.1 ANTECEDENTES DE LOS FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS ................................................. 7

2.2 TÉCNICAS DE ENSEÑANZA DE LOS FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS ................................. 8

2.3 ANTECEDENTES EN LA UNIVERSIDAD DISTRITAL .................................................................... 10

3. METODOLOGIA PARA LA SELECCION DE MÓDULOS EXPERIMENTALES ....................................... 13

3.1 CUESTIONARIO DE CONOCIMIENTOS PREVIOS ....................................................................... 14

3.1.1 RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DEL CUESTIONARIO ..................................................... 16

3.2 HISTORICO DE REPITENCIA DE LA ASIGNATURA CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS EN LA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS ................................................................ 18

3.3 ANALISIS DEL SYLLABUS .......................................................................................................... 19

3.4 DEFINICIÓN DE LOS MÓDULOS ............................................................................................... 20

4. MÓDULO DE CIRCUITOS MAGNÉTICOS ......................................................................................... 23

4.1 APLICACIÓN DEL MÓDULO ...................................................................................................... 23

4.1.1 COMPONENTES PEDAGOGICAS ....................................................................................... 24

4.1.2 DEFINICIONES ................................................................................................................... 24

4.1.3 ECUACIONES BASICAS DE CIRCUITOS MAGNÉTICOS ....................................................... 24

4.2 DISEÑO DEL MÓDULO DE CIRCUITOS MAGNÉTICOS .............................................................. 25


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4.2.1 NÚCLEO ............................................................................................................................ 26

4.2.2 BOBINAS ........................................................................................................................... 28

4.2.3 BASE Y SOPORTE............................................................................................................... 29

4.2.4 MATERIALES UTILIZADOS EN EL DISEÑO .......................................................................... 30

4.5 SIMULACIONES ........................................................................................................................ 31

4.3 CONSTRUCCIÓN ...................................................................................................................... 34

4.3.1 NÚCLEO ............................................................................................................................ 35

4.3.2 BOBINAS ........................................................................................................................... 36

4.3.3 SOPORTE Y AJUSTE ........................................................................................................... 37

4.4 DATOS EXPERIMENTALES ........................................................................................................ 37

4.4.1 CALCULO DE LAS VARIABLES DE INTERÉS ........................................................................ 38

4.5 CONCLUSIONES MÓDULO CIRCUITOS MAGNÉTICOS ............................................................. 42

5. MÓDULO DE POTENCIAL ELÉCTRICO ............................................................................................ 45

5.1 APLICACIÓN DEL MÓDULO SEGÚN LAS NECESIDADES DE LA ASIGNATURA ........................... 45


5.1.2 DEFINICIONES ................................................................................................................... 46

5.1.3 CALCULO DE LAS VARIABLES DE INTERÉS ........................................................................ 46

5.2 DISEÑO DEL MÓDULO DE POTENCIAL ELÉCTRICO .................................................................. 47

5.2.1 CAJA EN ACRILICO ............................................................................................................ 47

5.2.2 ELECTRODOS .................................................................................................................... 48

5.2.3 PUNTOS DE MEDICIÓN ..................................................................................................... 49

5.2.4 MATERIALES UTILIZADOS EN EL DISEÑO .......................................................................... 50

5.3 SIMULACIONES ........................................................................................................................ 50

5.3.1 SIMULACIÓN DE PLACAS PARALELAS ............................................................................... 51

5.3.2 SIMULACIÓN DE CILINDROS PARALELOS ......................................................................... 52

5.4 CONSTRUCCIÓN ...................................................................................................................... 54


5.6 CONCLUSIONES MÓDULO POTENCIAL ELÉCTRICO ................................................................. 62

6. MÓDULO DE INDUCCIÓN MAGNÉTICA ......................................................................................... 65

6.1 APLICACIÓN DEL MÓDULO SEGÚN LAS NECESIDADES DE LA ASIGNATURA ........................... 65



vii

6.1.2 DEFINICIONES ................................................................................................................... 66

6.2 DISEÑO DEL MÓDULO DE INDUCCIÓN MAGNÉTICA ............................................................... 66

6.2.1 DISEÑO DE LA FUENTE DE CAMPO MAGNÉTICO ............................................................. 67

6.2.2 DISEÑO DE BOBINAS RECEPTORAS .................................................................................. 68

6.2.3 DISEÑO DE LA BASE .......................................................................................................... 69

6.2.4 DISEÑO DE ACCESORIOS COMPLEMENTARIOS ................................................................ 69

6.3 CONSTRUCCIÓN ...................................................................................................................... 69

6.3.1 FUENTE DE CAMPO MAGNÉTICO ..................................................................................... 70

6.3.2 BOBINAS RECEPTORAS ..................................................................................................... 71

6.3.3 BASE Y SOPORTE............................................................................................................... 71

6.3.4 ACCESORIOS COMPLEMENTARIOS ................................................................................... 72


6.5 CONCLUSIONES MÓDULO INDUCCIÓN MAGNÉTICA .............................................................. 73

7. APLICACIÓN DE LOS MÓDULOS .................................................................................................... 75

7.1 DESCRIPCIÓN DE LAS PRUEBAS ......................................................................................... 75

7.2 PRUEBA MODULO CIRCUITO MAGNÉTICO ....................................................................... 75

7.2.1 CUESTIONARIO PREVIO A LA PRÁCTICA .................................................................... 77

7.2.2 PRÁCTICA DE LABORATORIO ..................................................................................... 77

7.2.3 CUESTIONARIO POSTERIOR A LA PRÁCTICA ..................................................................... 77

7.3 PRUEBA MODULO POTENCIAL ELÉCTRICO ........................................................................ 78



7.3.3 CUESTIONARIO POSTERIOR A LA PRÁCTICA .............................................................. 80

7.4 PRUEBA MODULO INDUCCIÓN MAGNÉTICA .................................................................... 81



7.4.3 CUESTIONARIO POSTERIOR A LA PRÁCTICA .............................................................. 83

7.5 CONCLUSIÓNES DE LA APLICACIÓN DE LOS CUESTIONARIOS ........................................... 84

8 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 85

9 TRABAJOS FUTUROS Y RECOMENDACIONES ................................................................................. 87

10 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................................................... 89


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11 ANEXOS ........................................................................................................................................ 95

LISTADO DE FIGURAS

Figura 1 Estructura metodológica del proyecto _________________________________________________ 5

Figura 2 Resultados encuesta transporte _____________________________________________________ 11

Figura 3 Etapas de la metodología. _________________________________________________________ 14

Figura 4 Consulta campos electromagnéticos _________________________________________________ 15

Figura 5 Resultados pregunta #8 cuestionario de conocimientos previos ____________________________ 16

Figura 6 Resultados pregunta #10 (Repitentes) cuestionario de conocimientos previos ________________ 17

Figura 7 Resultados pregunta #9 cuestionario de conocimientos previos ____________________________ 17

Figura 8 Índice de perdida de la asignatura campos electromagnéticos por semestre _________________ 18

Figura 9 Módulo de circuitos magnéticos. ____________________________________________________ 23

Figura 10 Diseño 3D en AutoCAD del módulo de circuitos magnéticos. _____________________________ 26

Figura 11 Dimensiones de los núcleos del módulo en milímetros. __________________________________ 27

Figura 12 Núcleo de acero al silicio con sus medidas en milímetros ________________________________ 28

Figura 13 Dimensiones base en empack. _____________________________________________________ 29

Figura 14 Vista isométrica módulo de circuitos magnéticos en COMSOL MULTIPHYSICS. _______________ 31

Figura 15 Tensión rms en devanado primario 400 espiras _______________________________________ 32

Figura 16 . Tensión rms en devanado secundario 200 espiras _____________________________________ 32

Figura 17 Densidad de flujo magnético con dos devanados sobre la barra central del núcleo ____________ 33

Figura 18 Dirección de la corriente sobre dos devanados en la barra central del núcleo ________________ 34

Figura 19 Presentación final del módulo de circuitos magnéticos __________________________________ 34

Figura 20 Foto de las Barras de acero 1020, acero al silicio y teflón utilizadas en el núcleo. _____________ 35

Figura 21 Foto del núcleo de chapas de acero al silicio. _________________________________________ 36

Figura 22 Foto de las bobinas que componen el módulo de circuitos magnéticos. _____________________ 36

Figura 23 Foto de la base y soporte ajustando una configuración de un circuito magnético _____________ 37

Figura 24 Curva de magnetización núcleo de acero 1020 ________________________________________ 40

Figura 25 Curva de magnetización núcleo de acero al silicio. _____________________________________ 41

Figura 26 módulo de potencial eléctrico. _____________________________________________________ 45

Figura 27 Diseño en 3D en AutoCAD del módulo de potencial eléctrico. _____________________________ 47

Figura 28 Diseño en AutoCAD caja de acrílico. _________________________________________________ 48

Figura 29 Diseño en AutoCAD de electrodos de aluminio ________________________________________ 49

Figura 30 Diseño en AutoCAD de electrodos cilíndricos de cobre __________________________________ 49

Figura 31 Diseño en AutoCAD de puntos de medición en acero plata. ______________________________ 50

Figura 32 Vista isométrica módulo de potencial eléctrico en COMSOL MULTIPHYSICS _________________ 51

Figura 33 Simulación potencial eléctrico placa superior 12 V y placa inferior 0 V _____________________ 51

Figura 34 Simulación de campo eléctrico placa superior 12 V y placa inferior 0 V _____________________ 52

Figura 35 Simulación potencial eléctrico cilindro izquierdo a 12 V y cilindro derecho a 0 V ______________ 53

Figura 36 Simulación de campo eléctrico cilindro izquierdo a 12 V y cilindro derecho 0 V _______________ 53

Figura 37 Simulación de líneas de campo eléctrico con cilindros paralelos. __________________________ 54


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Figura 38 Materiales utilizados en el módulo de potencial eléctrico (aluminio, cobre y acero plata). ______ 55

Figura 39 Presentación final del módulo de potencial eléctrico ___________________________________ 55

Figura 40 Plano coordenado del módulo de potencial eléctrico. ___________________________________ 56

Figura 41 Caracterización de las ecuaciones por regresión lineal (placas paralelas). ___________________ 58

Figura 42 Área de medición en cilindros paralelas. _____________________________________________ 59

Figura 43 Campo constante entre placas para el cálculo del factor de ensanchamiento ________________ 60

Figura 44 Campo eléctrico a 5 mm para el cálculo del factor de ensanchamiento _____________________ 60

Figura 45 Módulo de inducción magnética ___________________________________________________ 65

Figura 46 Diseño 3D en AutoCAD del módulo de inducción magnética. _____________________________ 67

Figura 47 Dimensiones bobina emisora y acrílico protector. ______________________________________ 68

Figura 48 Bobinas receptoras. _____________________________________________________________ 68

Figura 49 Dimensiones base módulo de inducción magnética. ____________________________________ 69

Figura 50 Presentación final del módulo de inducción magnética. _________________________________ 70

Figura 51 Foto bobina emisora. ____________________________________________________________ 70

Figura 52 Foto disco con bobinas receptoras. _________________________________________________ 71

Figura 53 Foto base y eje. _________________________________________________________________ 71

Figura 54 Foto accesorios complementarios. __________________________________________________ 72

Figura 55 Consulta circuitos magnéticos _____________________________________________________ 76

Figura 56 Resultados prueba circuitos magnéticos antes y después de la práctica ____________________ 78

Figura 57 Consulta potencial eléctrico _______________________________________________________ 79

Figura 58 Resultados prueba potencial eléctrico antes y después de la práctica ______________________ 81

Figura 59 Consulta inducción magnética _____________________________________________________ 82

Figura 60 Resultados prueba inducción magnética antes y después de la práctica ____________________ 83

Figura 61 Resultados totales antes y después del uso de los módulos ______________________________ 84

LISTADO DE TABLAS

Tabla 1 Relaciones de transformación y tensión de las bobinas secundarias _________________________ 29

Tabla 2 Datos medidos y calculados en el núcleo de acero 1020 __________________________________ 39

Tabla 3 Datos medidos y calculados el núcleo de acero al silicio ___________________________________ 40

Tabla 4 Porcentajes de error datos experimentales y simulados. __________________________________ 41

Tabla 5 Datos experimentales configuración Placa – Placa _______________________________________ 57

Tabla 6 Porcentaje de error datos experimentales y simulados configuración placa – placa _____________ 58

Tabla 7 Datos experimentales configuración Cilindro – Cilindro ___________________________________ 61

Tabla 8 Datos experimentales módulo de inducción magnética ___________________________________ 73


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1. INTRODUCCIÓN El aprendizaje de los campos electromagnéticos denota un alto grado de dificultad en los estudiantes de ingeniería eléctrica, debido a la abstracción de los fenómenos físicos que involucran esta área de estudio, donde eventos como campo eléctrico, campo magnético, potencial eléctrico, inducción electromagnética, flujo magnético entre otros, no son perceptibles a simple vista por los estudiantes, y la matemática involucrada dificulta el entendimiento de los conceptos del electromagnetismo, donde la imaginación del estudiante es fundamental en el desarrollo de competencias para un buen desarrollo de la asignatura, la cual tiene gran importancia por sus aplicaciones, las cuales tienen que ver con la vida cotidiana de los seres vivos. El objetivo de este trabajo es diseñar una herramienta de apoyo didáctico mediante la cual el estudiante pueda interactuar con módulos experimentales, con el fin de apoyar la teoría vista en clase, ayudando a comprender los conceptos básicos por medio de la visualización y experimentación con cada uno de los módulos que se desarrollan en este documento. El desarrollo de este proyecto se focalizó en identificar y analizar los conceptos básicos de la teoría electromagnética que deberían ser fortalecidos por medio de prácticas experimentales, ayudando así a su entendimiento y ayudando a los docentes en la enseñanza de los mismos. Este trabajo está dividido en 3 etapas, en la primera parte se observa una adquisición de información, la cual permite identificar los puntos focales y dar orientación para el desarrollo de cada uno de los módulos didácticos, además se presentan antecedentes y cuestionarios dirigidos a los estudiantes de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, con el objetivo de definir las practicas a desarrollar. En la segunda parte se muestra el diseño e implementación de cada uno de los módulos que se desarrollaron. En la tercera parte se exponen los resultados obtenidos luego de la utilización del banco didáctico para campos electromagnéticos evaluando así su funcionamiento y las componentes aprendidas con el mismo.

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El concepto de campo electromagnético y sus fuentes constituyen cuestiones básicas sin las que no se puede construir una teoría científica de los fenómenos electromagnéticos. En consecuencia, esta parte del programa de ingeniería eléctrica es de especial interés por las siguientes razones:

a) Es un área en el que intervienen diferentes conceptos (fuerza, velocidad, corriente eléctrica y campos, entre otros) y los estudiantes encuentran algunas dificultades al analizar al mismo tiempo las diferentes variables involucradas en problemas aplicados. b) La existencia de diferentes fuentes de campos eléctricos y magnéticos, así como diversas relaciones entre dichas fuentes (1). c) La gran importancia que el concepto de campo electromagnético tiene en las aplicaciones tecnológicas actuales.


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La interacción con fenómenos asociados al electromagnetismo requiere de un conocimiento previo en el área de las matemáticas por parte del estudiante. La mayor parte de los estudiantes, aunque presentan habilidades para resolver problemas aplicados utilizando la matemática requerida, no acompañan este racionamiento matemático con una interpretación física de los fenómenos estudiados. De esta manera, aunque los estudiantes sepan solucionar problemas de electromagnetismo, no significa que sepan el funcionamiento de un motor eléctrico y la importancia de los campos electromagnéticos en el mismo, o las implicaciones que tienen los campos electromagnéticos en una línea de transmisión (2). La investigación, en especial en áreas como la física, puede ser comprendida mediante simulaciones o elementos creados para este fin. Aunque el magnetismo se conoce desde hace varios siglos, no es muy fácil mostrar cómo funciona este fenómeno físico, pero gracias a diversos experimentos y trabajos se puede lograr que la docencia y el aprendizaje resulten más sencillos para muchos de los interesados en estas áreas del conocimiento (3). Habitualmente la enseñanza de los fenómenos eléctricos ha sido soportada por textos y problemas a partir de la electrostática, tomando como puntos de partida los conceptos de carga, campo eléctrico y potencial. “El hilo estructural va de lo simple a lo complejo con un criterio lógico comprensible y racional para la mente del ingeniero eléctrico en formación” (4). En (5), se plantea el interrogante sobre si este camino, en cierta manera obvio dentro de los cánones de la enseñanza de la ingeniería eléctrica, es también el más adecuado para un eficiente aprendizaje. La experiencia docente muestra que, en general, el aprendizaje del electromagnetismo tanto en el ciclo de enseñanza media como en los niveles básicos universitarios ofrece serias dificultades a los estudiantes. Estas dificultades se ponen de manifiesto fundamentalmente en los aspectos conceptuales de la disciplina (4), las cuales se podrían mitigar al ofrecer una experiencia directa con los fenómenos electromagnéticos, saliéndose del contexto del papel y llevándolo a la práctica (4). Como señala Ausubel, “además de los cuerpos de conocimiento organizados (disciplinas científicas) existen estructuras psicológicas de conocimiento... representadas por la organización de las ideas y la información internalizada en la mente de los estudiantes” (6), el cual invita no solo a estudiar un concepto sino a tratar de entenderlo y visualizarlo para crear de alguna manera una imagen mental de lo que se está estudiando y sembrar una idea clara de lo que se busca en la mente del ingeniero en formación.

Para Kolb, el aprendizaje cumple un ciclo donde se relaciona la experiencia con la reflexión para la formación de conceptos abstractos. En las cuatro etapas que conforman este ciclo, el eje fundamental para el aprendizaje es la experiencia para posteriormente pasar a la observación y reflexión. Luego de asimilar lo observado se generan una serie de conceptos abstractos, de los cuales se infiere una serie de fundamentos para la experimentación activa. De esta forma este ciclo se repite generando nuevos escenarios, desarrollando un conocimiento científico integral (7). Existen varios modelos de aprendizaje que tienen enfoques y estrategias diferentes, pero todos tienen una misma premisa que se centra en los ideales y en la opinión del estudiante, buscando el desarrollo de habilidades y destrezas en el proceso formativo, despertando en ellos interés por el conocimiento científico por medio de la experimentación. El objetivo es unificar la teoría con la


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práctica por medio de una serie de laboratorios los cuales permitan comprender el contenido de la asignatura campos electromagnéticos, generando un apoyo significativo a la docencia (8).

De otro lado, dado el gran porcentaje de estudiantes que reprueban esta asignatura, para el caso de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas con porcentajes de reprobación de 72.2% en 2008-3 y 68% en 2011-3 siendo éstos los mayores en el historial de la asignatura1, por medio de una serie de prácticas de laboratorio se busca apoyar a los estudiantes de ingeniería eléctrica en el proceso de comprensión de los diferentes fenómenos en el área del electromagnetismo y a los docentes en la explicación de los mismos, con el fin de reducir estos índices de repitencia. El propósito de estas prácticas de laboratorio es fortalecer las bases de la física electromagnética con el fin de facilitar el entendimiento de los temas programáticos de la asignatura campos electromagnéticos. Por medio de esta investigación se busca dar respuesta a la siguiente pregunta: ¿Tener un banco de pruebas donde se evidencien los efectos del electromagnetismo, ayuda a los estudiantes a comprender la temática de la asignatura campos electromagnéticos?

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 OBJETIVO GENERAL Desarrollar un banco didáctico de pruebas que permita fortalecer los conocimientos teóricos adquiridos en la asignatura campos electromagnéticos y comprender los fenómenos físicos relacionados con el tema del curso.

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Establecer las necesidades en cuanto a conocimientos experimentales requeridos en la asignatura campos electromagnéticos, que permitan definir las prácticas a desarrollar.

Implementar tres (3) módulos experimentales, que contribuyan al desarrollo y comprensión de la asignatura campos electromagnéticos, dentro de cada uno de los ejes temáticos de la asignatura.

Verificar el funcionamiento del banco didáctico para pruebas a partir de una prueba piloto dentro de la asignatura campos electromagnéticos y mediante simulaciones electromagnéticas.

Evaluar el aprendizaje de los conceptos de campos electromagnéticos por parte de los estudiantes de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, una vez desarrollado el banco didáctico, e implementadas las prácticas experimentales.

1 Base de datos universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad de Ingeniería, Oficina asesora de sistemas.


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1.3 METODOLOGÍA

En la Figura 1 Estructura metodológica del proyecto se presentan de manera general, los pasos llevados a cabo para desarrollar los módulos didácticos de campos electromagnéticos, basados en la información adquirida por medio de cuestionarios, pruebas experimentales, experiencia docente, y apoyados en el syllabus de la asignatura campos electromagnéticos.


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Figura 1 Estructura metodológica del proyecto

1.4 ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO El presente documento contiene el desarrollo de un banco didáctico para realizar pruebas de diferentes temas desarrollados en la asignatura campos electromagnéticos, que incluye el diseño y


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construcción de 3 módulos, dividido en 7 capítulos, además de los trabajos futuros y los anexos correspondientes. En la introducción se presenta la necesidad de implementar una serie de prácticas experimentales, así como los objetivos propuestos y la metodología establecida para dar cumplimiento a los mismos. El capítulo 2 presenta el marco referencial del presente proyecto, integrando términos básicos del electromagnetismo y los avances en las técnicas de enseñanza. Además, se presenta un panorama del estado actual de la asignatura campos electromagnéticos en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. El capítulo 3 expone en detalle la metodología empleada para determinar cuáles son los módulos didácticos que se requieren como apoyo para la asignatura Campos Electromagnéticos. Esta metodología incluye cada uno de los insumos que se utilizaron para la selección de los módulos a desarrollar. El capítulo 4 muestra el diseño y construcción del módulo didáctico para circuitos magnéticos, incluyendo criterios de diseño, materiales, dimensiones, cálculos, simulaciones, implementación y pruebas preliminares. El capítulo 5 describe el proceso de diseño, modelado, simulación y construcción del módulo didáctico de potencial eléctrico; además, incluye las pruebas de funcionamiento del módulo. En el capítulo 6, se emplea el mismo esquema que en los capítulos anteriores para desarrollar el módulo didáctico de inducción electromagnética, el cual es implementado y validado de manera experimental. En el capítulo 7, se presenta la aplicación de los diferentes módulos, en pruebas con estudiantes de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Distrital y sus resultados. Finalmente, este documento presenta las principales conclusiones del proyecto en cuanto al funcionamiento de los módulos y los resultados de las diferentes pruebas realizadas antes y después de desarrollar las practicas con estudiantes, así mismo se presentan algunos trabajos futuros y los anexos correspondientes a los resultados completos de pruebas y encuestas, así como los manuales de operación de cada módulo y las referencias bibliográficas utilizadas en el mismo.


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2. MARCO DE REFERENCIA En este primer capítulo se muestra un recorrido histórico desde los primeros experimentos enfocados al electromagnetismo, así como también hasta los avances en técnicas de enseñanza como aulas digitales y simulaciones por software, como herramientas para la enseñanza de los conceptos de la teoría electromagnética, enfocados a buscar herramientas para facilitar la formación de futuros físicos e ingenieros alrededor del mundo. Finalmente, se presenta un panorama del estado actual de la asignatura campos electromagnéticos.

2.1 ANTECEDENTES DE LOS FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS En el año 800 a.C., los antiguos griegos evidenciaron la propiedad de atraer pequeños cuerpos tras ser frotado que poseía el ámbar y de pequeñas rocas que atraían trozos de hierro las que llamaron magnes (9). El primer documento escrito sobre imanes data del 8 de agosto de 1269. Se trata de una carta de Pedro de Maricourt, en la cual describe el comportamiento de pequeñas esferas de magnetitas que simulaban el planeta Tierra, llamadas terrellas (9), en las que se observó dos polos hacia los que se orientaban pequeñas agujas magnéticas. En el año 1436 aparecen los primeros mapas en los que se tiene en cuenta el hecho de que no en todos los sitios la brújula apunta al Norte exactamente, y en 1576 el fabricante de brújulas inglés, Robert Norman, mide por primera vez el ángulo de inclinación de una aguja magnética, gracias a que se le ocurrió ubicar una de ellas con un eje horizontal en lugar de equilibrarla con el eje vertical como era habitual (10). Estos trabajos sirvieron de base a William Gilbert, quien en el año 1600 publicó en latín el primer libro sobre imanes: De Magnete. Como conclusión de sus experimentos, Gilbert plantea que el extremo norte de una brújula es similar al polo sur magnético de la Tierra (es un gran imán permanente), también concluye que el hierro pierde su propiedad magnética si se calienta adecuadamente, y puede recuperarla si se enfría y se golpea simultáneamente (9). Durante la primera mitad del siglo XVIII, Dufay en Francia, establece dos clases de electricidad, positiva (la del vidrio) y negativa (la del ámbar); mientras tanto, en Inglaterra, Gray descubre que la electricidad puede pasar de un cuerpo a otro mediante hilos metálicos, y en Holanda Von Kleist y Musschenbroeck descubren que la electricidad se puede acumular en una botella de Leiden (11). En 1750, John Michell ayudado por una balanza de torsión establece que las fuerzas que ejercen los polos magnéticos entre sí varían inversamente con el cuadrado de la distancia que los separa, pocos años después, Charles Coulomb, diseña su propia balanza de torsión y con su ayuda estableció en 1785 la ley que lleva su nombre para cargas eléctricas puntuales en reposo (12). En 1800, en Londres, Volta da a conocer el primer generador eléctrico (pila de Volta), esto generó una competencia por crear un sinfín de baterías y por buscar posibles aplicaciones, entre ellas el


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descubrimiento de los primeros metales alcalinos por electrólisis de sus sales fundidas. (13) Este hecho se puede dar por el descubrimiento de la electricidad propiamente dicha. En 1823, la publicación del efecto termoeléctrico hizo posible que G. S. Ohm en 1826 determinara que la intensidad de la corriente que recorre un circuito es igual al cociente entre la tensión que suministrada y la resistencia total del circuito (14). Sin embargo, solo hasta 1845 Kirchoff asemejó la fuerza electroscópica de Ohm con las teorías de potencial eléctrico de Poisson y Green. En esta misma época, Weber diseñó instrumentos para medir y determinar diversas mediciones eléctricas y magnéticas, estudios que lo llevan a definir las equivalencias que existen entre ambas (14). En 1820, aparece la publicación de Oersted que describe la desviación que sufre una aguja situada cerca de un conductor que conduce electricidad, para varios autores esto representa el nacimiento del electromagnetismo moderno (9). Durante ese mismo año André Marie Ampere demostraba la reciprocidad en la atracción entre corrientes eléctricas según unas leyes concretas, las cuales definió con el término "electrodinámica". Meses después durante 1820, Biot y Savart midieron la forma en que oscila una aguja imantada en función de la distancia a una corriente rectilínea, indefinida, y establecieron que la fuerza depende de la intensidad de la corriente y el inverso de la distancia al cuadrado (14). Laplace con base en estos resultados, dedujo la forma matemática de la ley de Biot y Savart mostrando que el campo magnético creado por un elemento de corriente dl a una distancia r es transversal. De esta manera, a finales de 1820 se daban a conocer las primeras leyes cuantitativas de la electrodinámica y en 1826 Ampère concluía una teoría que permaneció por 50 años, hasta que apareciera la teoría electromagnética de Maxwell (9).

2.2 TÉCNICAS DE ENSEÑANZA DE LOS FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS

Existen varias dificultades en el aprendizaje de la asignatura campos electromagnéticos, incluso en diferentes conceptos como el estudio elemental de los circuitos eléctricos (15), (16), corriente continua (17), y la electrostática (18), (19). La aplicación de técnicas didácticas al estudio del electromagnetismo ha sido siempre objeto de estudio, y se ha incrementado especialmente en el marco del Espacio Europeo de Educación Superior. En esta búsqueda por la didáctica adecuada, se propone hallar un modelo donde se pueda representar en la mente de los estudiantes diferentes tipos de imágenes para su posterior uso en la resolución de problemas de campos electromagnéticos [20], (2). Para solventar estos problemas, varios autores proponen diferentes estrategias. Martin [21] indica que luego de dictar la asignatura campos electromagnéticos varias veces, observó temáticas que presentaban dificultades a los estudiantes y decidió desarrollar dichas temáticas con mayor profundidad en su libro, en el cual incluye el aspecto práctico de la asignatura a través de


9

dispositivos y fenómenos, para así lograr dar a entender a los estudiantes que el electromagnetismo va mucho más allá de unas manipulaciones matemáticas. En el estudio realizado entre 1990 y 2000 por Guisasola [22], se observó que los estudiantes de diferentes universidades de Estados Unidos tienen varios problemas, y concepciones diferentes acerca de los campos electromagnéticos, lo cual llevó a la conclusión de que en muchas ocasiones los conceptos clave son aprendidos y comprendidos satisfactoriamente, pero el problema radica en la aplicación de los mismos en ejercicios de análisis que requieran de la utilización de varios conceptos de manera simultánea y/o complementaria. Entonces propone la secuencia que debería tener la enseñanza de la asignatura, en la cual tienen cabida herramientas como el banco didáctico que se propone desarrollar. Cheng [11] indica tres pasos para desarrollar una teoría a través de un modelo idealizado: i. Definir variables básicas aplicables al tema de estudio.

ii. Establecer las reglas de operación de dichas variables (Matemáticas).

iii. Postular algunas relaciones fundamentales (Estas postulaciones o leyes se dan a partir de la experimentación y deducción en condiciones controladas y son generadas por mentes brillantes de la ciencia). Posteriormente, este autor propone observar la aplicación de estos pasos en la teoría de circuitos en la que primero definimos las variables básicas: Resistencia (R), inductancia (L), capacitancia (C), tensión (V) y corriente (I). Luego por medio de manipulación matemática: Laplace, leyes de Kirchhoff, y demás postulados se llega a modelar todo tipo de teorías, hasta llegar a las más complejas de redes de diferentes tipos. Así mismo podemos plantear un procedimiento para proceder con los campos electromagnéticos, dando una parte importante a la experimentación para la correcta comprensión de sus fenómenos. Álvarez [25] concluye que al utilizar dos grupos de estudiantes que visualizaron diferentes fenómenos asociados a la Ley de Gauss por medio de simulaciones, se evidenció una mayor claridad en algunos conceptos que al emplear los métodos clásicos de enseñanza. Por lo cual propone el uso de diferentes métodos para la visualización de fenómenos asociados al electromagnetismo y realizar un proceso cualitativo en cuanto al proceso de mejora en el aprendizaje. Finalmente, Gan y Mariam [3], proponen un pensum académico para implementar en la Kolej Universiti Teknikal Kebangsaan Malaysia (KUTKM), en el cual la asignatura se compone de: i. Exámenes

ii. Laboratorios y sesiones de trabajo

iii. Simulaciones

iv. Quices

v. Mini proyectos y presentaciones

vi. Trabajos de campo


10

Donde la componente de laboratorio incluye dos módulos, el primero se describe como un entrenador electromagnético, donde se pretende dar a entender los conceptos básicos del electromagnetismo, y el segundo como un entrenador de líneas de transmisión, el cual lleva a la aplicación de los conceptos básicos en una aplicación muy importante del estudio de los campos electromagnéticos como lo son las antenas de comunicación. De este modo concluyen que la enseñanza y el aprendizaje a través de ayudas visuales contribuyen a que el estudiante comprenda mejor los conceptos detrás de las ecuaciones matemáticas.

2.3 ANTECEDENTES EN LA UNIVERSIDAD DISTRITAL Al iniciar el semestre 2016-III, la docente a cargo de la asignatura Transporte de Energía Eléctrica2, desarrolló un cuestionario en el aula virtual de la asignatura y consulto a sus estudiantes las percepciones, ideas y conceptos que tenían acerca de lo aprendido y vivido al cursar las diferentes asignaturas del programa de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas de Bogotá. Dicho cuestionario se compone de 82 preguntas, de las cuales 74 preguntas son de selección múltiple, cuyas posibles respuestas son: Excelente, Bueno, Regular o Desconoce el tema. La encuesta anteriormente descrita (ANEXO 1), contiene dentro de sus preguntas de selección múltiple un total de 10 que hacen referencia al campo de estudio de esta investigación, el cual es detectar falencias en conocimientos previos y las percepciones de los estudiantes de ingeniería eléctrica acerca de la asignatura campos electromagnéticos. En las preguntas 18 a 28 se pide a los estudiantes evaluar sus diferentes conocimientos, los cuales debían ser adquiridos al culminar con éxito la asignatura campos electromagnéticos. Los 24 estudiantes que iniciaban la asignatura transporte de energía respondieron a estas 10 preguntas de la siguiente manera Figura 2: 23 Excelente 103 Bueno 91 Regular 31 Malo 16 No sabe acerca del tema

2 Profesora Diana Stella García


11

Figura 2 Resultados encuesta transporte

Esto evidencia grandes falencias en el aprendizaje de la teoría electromagnética, ya que al aprobar la asignatura se espera lograr las competencias y adquirir los conocimientos planteados en el syllabus de la misma, para así poder aplicar este aprendizaje en las asignaturas siguientes del plan de estudios y en la vida profesional en general. El tener respuestas de “conocimientos malos” y de “no saber acerca del tema” muestra un vacío en temas estudiados en semestres anteriores y específicamente en la asignatura campos electromagnéticos.

9%

39%

34%

12%

6%

Excelente

Bueno

Regular

Malo

No sabe


13

3. METODOLOGIA PARA LA SELECCION DE MÓDULOS EXPERIMENTALES En este capítulo se observa la metodología que se usó para seleccionar los módulos experimentales del banco didáctico para campos electromagnéticos, orientado hacia el apoyo y la enseñanza docente, teniendo en cuenta en primera instancia el historial de reprobación de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Como segunda medida, se implementó un cuestionario de conocimientos previos, el cual permitió identificar posibles falencias conceptuales que deberían ser reforzadas con el desarrollo de los módulos. Basándose en la información adquirida se buscó identificar los ejes temáticos que componen el pensum de la asignatura campos electromagnéticos, identificando las temáticas a las cuales se orientó cada uno de los módulos, los ejes son:

Densidad e intensidad de campo eléctrico, líneas equipotenciales y fuerza. Materiales conductores y dieléctricos

Densidad e intensidad de campo magnético, fuerza y torque. Materiales ferromagnéticos y curva de magnetización.

Aplicaciones de campos eléctricos. Línea de transmisión, condensadores, caracterización de materiales, resistencia de puesta a tierra.

Aplicaciones de campos magnéticos. Transformadores y acople magnético, motor lineal, motor de inducción, caracterización de materiales magnéticos.

Es importante señalar que en este proyecto se desarrollan tres módulos experimentales, cada uno de los cuales permite realizar múltiples prácticas. Esta versatilidad de los módulos facilita las prácticas requeridas por los estudiantes de la asignatura campos electromagnéticos, así como el desarrollo de las competencias esperadas al cursar la asignatura, además permite en una fase posterior su modificación y ampliación, de acuerdo a las necesidades de la asignatura y de los estudiantes.

Las etapas se desarrollaron en orden secuencial, debido a que todas son dependientes de la etapa inmediatamente anterior, teniendo como punto de partida la identificación de la problemática que se requiere mitigar o solucionar.

En la Figura 3 se observan las etapas que comprenden el desarrollo de la metodología para cumplir con el objetivo planteado.


14

Figura 3 Etapas de la metodología.

3.1 CUESTIONARIO DE CONOCIMIENTOS PREVIOS El modelo planteado en este proyecto para identificar las dificultades de los estudiantes al interpretar fenómenos relacionados con los campos electromagnéticos consiste en una serie de cuestionarios, los cuales están enfocados a los estudiantes que inician el curso de la asignatura, por medio de preguntas que buscan analizar en qué estado dan inicio a la misma y cómo se da su desarrollo a partir de los conocimientos previamente adquiridos. El último de estos cuestionarios se aplicó a los estudiantes que cursan la asignatura y usaron el banco didáctico, por medio del cual se evalúa si el uso del mismo ayuda en el aprendizaje y la comprensión de los diferentes fenómenos al usar esta herramienta de apoyo. En búsqueda de información objetiva sobre los conocimientos previos con que ingresan los estudiantes a cursar la asignatura campos electromagnéticos, se diseñó un cuestionario el cual consta de 10 preguntas, de las cuales 9 son de selección múltiple y una pregunta abierta (Figura 4), el cuestionario fue resuelto por 94 estudiantes de la asignatura campos electromagnéticos distribuidos en los periodos académicos del año 2015 Y 2016.

Cabe resaltar que, si bien el cuestionario tiene respuestas de selección múltiple, estas opciones no se usan como forma de evaluación, ya que lo que se buscó con el cuestionario en mención era indagar ciertos conocimientos e ideas con los cuales los estudiantes inician su curso de formación. Por lo cual algunas de las preguntas no tienen necesariamente una respuesta correcta y algunas no están directamente ligadas a la ciencia en estudio (4).

1• Cuestionario a los estudiantes que cursan la asignatura.

2• Adquicisión de información del histórico de reprobación de la

asignatura.

3• Identificación de las competencias que deben adquirir los

estudiantes, basada en el pensum de la asignatura.

4• Análisis, interpretación y clasificación de la información.

5• Definición de los 3 módulos experimentales.


15

Figura 4 Consulta campos electromagnéticos


16

Debido a los resultados obtenidos con este primer cuestionario, se da una primera impresión de como proyectar el trabajo a una herramienta que pueda enfocar los conceptos de uso cotidiano, comprendidos desde los más básicos como lo son las cargas y la ley de Coulomb, y que pueda relacionar la matemática con los fenómenos analizados en la asignatura. En la Figura 4 se muestra el cuestionario que se le realizó a los estudiantes para adquirir la información que ayudo a definir la estructura de cada uno de los módulos didácticos.

3.1.1 RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DEL CUESTIONARIO En los resultados de la aplicación del cuestionario (ANEXO 2), se pudo evidenciar una uniformidad de conocimiento, en la cual los estudiantes tienen una percepción más clara de lo que se evidencia en la cotidianidad, relacionando sus respuestas a eventos o situaciones que han observado en algún momento de su vida, dejando a un lado los conceptos más básicos de la electricidad. Por otra parte, los estudiantes muestran un alto interés en tener una componente práctica como apoyo, con la cual se puedan afianzar conocimientos y conceptos vistos de manera teórica, para desarrollar la asignatura de una manera más integral y clara, esto se evidencia en la Figura 5 Resultados pregunta #8 cuestionario de conocimientos previos que corresponde a la pregunta #8.

Figura 5 Resultados pregunta #8 cuestionario de conocimientos previos

De los 94 estudiantes que participaron en el cuestionario, 84 estudiantes, representando un 89%, respondieron que si les gustaría que la asignatura incluyera una componente práctica dentro de su plan de estudios. En la pregunta #10, se consultó a los estudiantes que estaban viendo la asignatura por segunda o más veces, y se obtuvo, como resultado que 47 estudiantes (50 % de los estudiantes encuestados) se encontraban en estado de repitencia y adicionalmente que este grupo de estudiantes, los cuales habían tenido la experiencia de desarrollar el proyecto final en semestres anteriores , considera que el proyecto final desarrollado en la asignatura en cuanto a comprensión de temáticas involucradas en el mismo tenía una importancia promedio de 7,7 siendo 10 la máxima calificación posible, así mismo la menor puntuación que obtuvo fue 5, lo cual denota que para todos los estudiantes

Si; 84; 89%

No; 9; 10%Ns/Nr; 1; 1%

8-. LE GUSTARÍA QUE LA ASIGNATURA INCLUYERA EN SU PLAN DE ESTUDIOS UNA COMPONENTE PRÁCTICA.

(LABORATORIO).


17

repitentes fue importante esta experiencia práctica en la que pudieron aplicar los conocimientos adquiridos durante semestres anteriores y refuerza la evidencia de necesidad de estas componentes practicas dentro de la asignatura, en la Figura 6 Resultados pregunta #10 (Repitentes) cuestionario de conocimientos previos se observan los resultados.

Figura 6 Resultados pregunta #10 (Repitentes) cuestionario de conocimientos previos

Por último, en la Figura 7 Resultados pregunta #9 cuestionario de conocimientos previos se puede ver que los estudiantes manifiestan falencias en conocimientos previos de las diferentes áreas del cálculo, y en otras áreas del conocimiento como lo son la física y el álgebra lineal, esto indica que existen otros factores diferentes que afectan los resultados de los estudiantes en la asignatura campos electromagnéticos.

Figura 7 Resultados pregunta #9 cuestionario de conocimientos previos

1; 5; 14%

2; 5; 14%

3; 6; 17%

4; 6; 17%

5; 7; 19%

6; 7; 19%

10.-DE 1 A 10 COMO CONSIDERA EL PROYECTO FINAL DE CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS EN CUANTO A COMPRENSIÓN DE TEMÁTICAS

INVOLUCRADAS EN EL MISMO.(PREGUNTA DIRIGIDA SOLO A ESTUDIANTES REPITENTES)

calculo multivariado,

integral y diferencial ;

28; 30%

física eléctrica; 22; 23%física

mecánica; 1; 1%

algebra lineal; 3; 3%

circuitos eléctricos; 1;

1%

Ns/Nr; 39; 42%

¿QUÉ CONOCIMIENTO PREVIO LE PRESENTO MAYOR DIFICULTAD EN EL DESARROLLO DEL CURSO CAMPOS

ELECTROMAGNÉTICOS?


18

De los resultados obtenidos de este cuestionario se puede concluir que el desarrollar una herramienta que pueda ayudar a los estudiantes a tener una forma de experimentar, podría lograr afianzar los conocimientos y esperando obtener un mejor resultado en el proceso de aprendizaje, que pueda enfocar los conceptos de uso cotidiano.

3.2 HISTORICO DE REPITENCIA DE LA ASIGNATURA CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS EN LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

Para el caso de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, los porcentajes de reprobación de 72.2% en 2008-3 y 69% en 2012-3 son los mayores en el historial de la asignatura3 hasta la fecha de elaboración de este análisis 2016-3. En la Figura 8 se ilustran los porcentajes de reprobación de la asignatura campos electromagnéticos desde que se dicta en la Universidad Distrital.

Figura 8 Índice de perdida de la asignatura campos electromagnéticos por semestre

En la Figura 8 se observa un índice de reprobación alto, con un promedio de 44,2 %, el cual genera dificultades para los estudiantes y para la Universidad, ya que esto lleva a problemas de sobrecupos, falta de espacios y problemas para la programación de semestres posteriores en los que se espera que los estudiantes cursen las asignaturas que siguen de acuerdo al plan de estudios. En los periodos 2014-1 y 2016-1, a causa de los dos últimos paros académicos, se permitió a los estudiantes la cancelación extemporánea de la asignatura, lo cual llevó a una disminución en el índice de perdida de la asignatura campos electromagnéticos. Sin embargo, el semestre siguiente al de dicha amnistía (2014-3) el índice de reprobación alcanzó el nivel más alto de los últimos años, llegando cerca al 70%.

3 Base de datos Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad de Ingeniería, oficina asesora de sistemas.

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

20

05

-I

20

05

-III

20

06

-I

20

06

-III

20

07

-I

20

07

-III

20

08

-I

20

08

-III

20

09

-I

20

09

-III

20

10

-I

20

10

-III

20

11

-I

20

11

-III

20

12

-I

20

12

-III

20

13

-I

20

13

-III

20

14

-I

20

14

-III

20

15

-I

20

15

-III

20

16

-I


19

Los resultados de la Figura 8 no se deben únicamente a la complejidad de la asignatura, ni a la falta de herramientas como el Banco Didáctico propuesto, sino que tienen que ver con causas relacionadas a la falta de hábitos de estudio, malas bases para cursar la asignatura (como se evidenció en la encuesta), dificultad para comprender los contenidos de la asignatura, no tomar notas ni apuntes, así como no asistir a todas las clases o a el abandono por malos resultados académicos o por factores externos. Para mitigar estas situaciones, actualmente en la Universidad Distrital se están implementando diferentes estrategias didácticas donde el estudiante va adquiriendo hábitos de estudio, que le permiten obtener el gusto por aprender y posteriormente la capacidad de dedicación para el logro de objetivos no sólo profesionales sino además personales, como lo son las aulas virtuales y diferentes ayudas audiovisuales, por lo cual con este trabajo se busca brindar otra herramienta que pueda favorecer el proceso de formación.

3.3 ANALISIS DEL SYLLABUS El programa académico de la asignatura se puede separar en tres ejes temáticos fundamentales:

Campo Eléctrico

Campo Magnético

Campos Electromagnéticos

Al culminar el programa se plantean una serie de objetivos en el syllabus de la asignatura campos electromagnéticos de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas los cuales son: OBJETIVO GENERAL: Proporcionar al estudiante los fundamentos y técnicas necesarias para entender el origen de los campos electromagnéticos, conocer su efecto e importancia en el comportamiento de los materiales, identificar los criterios de selección y diseño necesarios para el estudio de sistemas, equipos y máquinas eléctricas. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

a) Conocer la relación física y matemática que existe entre las variables de origen eléctrico (tensión, corriente, carga) y los campos electromagnéticos de acuerdo con las leyes de Maxwell.

b) Identificar y saber cómo se clasifican los materiales según sus características y su comportamiento frente a los campos eléctricos y magnéticos.

c) Conocer el efecto de los materiales (dieléctricos y conductores) en el comportamiento de los campos electromagnéticos.

d) Calcular los parámetros eléctricos (resistencia, inductancia, capacitancia) de un elemento asociado a una geometría, conociendo las características de los materiales usados.

e) Manejar conceptos de electromagnetismo y con base en estos poder identificar los criterios a tener en cuenta en los procesos de evaluación, diseño y fabricación de equipos y/o sistemas eléctricos.


20

f) Conocer y entender el principio de funcionamiento de las máquinas eléctricas (transformadores y motores) para realizar cálculos básicos de energía, fuerza, par y velocidad.

Para lograr estos objetivos se propone un plan de estudios que comprende 16 semanas de clases divididas así: 4 horas presenciales, un trabajo cooperativo de 2 horas y un trabajo autónomo de 3 horas semanales. También, como medio de ayuda se plantea el uso de equipos de cómputo y simulaciones por software, lo cual está alineado con las tecnologías actuales pero que deja a un lado elementos experimentales como los que se proponen en este trabajo de grado, por falta de desarrollo en los mismos. El desarrollo del banco didáctico propuesto contribuirá directamente con la consecución de las siguientes competencias planteadas para la asignatura: Interactuar y trabajar de manera conjunta con otras personas para dar solución a un problema planteado, ya que el banco y sus diferentes módulos están dispuestos para que su uso sea en equipos de trabajo. Fomentar habilidades y metodologías para dar solución a problemas de carácter general al tener en su poder una interacción real con elementos reales, apoyado solo con un manual de uso y la aplicación de los conocimientos adquiridos en las clases magistrales, lo cual complementa los conceptos que se puedan aplicar a la solución de las guías de laboratorio propuestas para cada uno de los módulos desarrollados. Desarrollar actitudes enfocadas a fortalecer la responsabilidad y la participación. Los diferentes módulos requieren de un cuidado especial el cual debe motivar a los estudiantes a generar un sentido de pertenencia ya que podrán tener una manera clara de participar de manera interactiva con las diferentes leyes y postulados estudiados en las aulas de clase, viendo su aplicación y cumplimiento al aplicarlos de manera física, estos elementos motivan la participación activa de los estudiantes al dar la posibilidad de plantearse preguntas basados en la experiencia.

3.4 DEFINICIÓN DE LOS MÓDULOS La información adquirida anteriormente lleva a la decisión de crear una serie de módulos que funcionen como herramienta de apoyo a la enseñanza de los conceptos de la asignatura campos electromagnéticos. Adicionalmente, estos módulos deben permitir desarrollar prácticas experimentales de una manera simple, sin necesitar de equipos especiales o demasiados elementos adicionales para su uso, dando así cumplimiento al primer objetivo de esta investigación.

Con base en estas ideas y especificaciones se eligen 3 módulos como se plantea en los objetivos de esta investigación, y se busca que cada uno de ellos complemente la formación en cada uno de los ejes temáticos identificados en el syllabus actual de la asignatura campos electromagnéticos de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. La selección de los módulos desarrollados se especifica a continuación:


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Módulo de potencial Eléctrico:

Al buscar un módulo experimental que se enfocara en la componente de campo eléctrico, se encontró que los experimentos que existen para su estudio son aplicados en otras asignaturas como la física eléctrica, y que la forma de visualizar los campos eléctricos o de interactuar con ellos no es sencilla de conseguir y requiere elementos de costos elevados o equipos especiales que llegarían a medirlos pero no a visualizarlos, con lo cual se decide llevar el experimento de la cubeta con agua y los diferentes electrodos para medición de potencial a un nivel modular, en el que siguiendo la idea hacer una herramienta compacta, de fácil desarrollo y fácil de implementar, que permita estudiar los fenómenos asociados a los campos eléctricos a partir de la medición de potencial eléctrico en diferentes puntos entre los electrodos. Estos conceptos son desarrollados entre las semanas 3 y 7 del plan de estudios. El desarrollo de este módulo se puede observar en detalle en el capítulo 5 del presente documento.

Módulo circuitos Magnéticos:

Para la selección de un módulo que apoyara el eje temático de campo magnético, se seleccionó una herramienta con la cual se pudieran visualizar los circuitos magnéticos, tema que se dicta en las semanas 14 y 15 luego de ver toda la teoría relacionada a los campos magnéticos. Se decidió que este iba a ser un transformador desmontable, en el cual se pudieran cambiar materiales, dimensiones, devanados, y configuraciones, para que a través de las mediciones los estudiantes puedan aplicar el análisis matemático para explicar los fenómenos que observen y que ellos mismos pueden llegar a controlar. El desarrollo de este módulo se puede observar en detalle en el capítulo 4 del presente documento.

Módulo de inducción magnética:

El tercer módulo busca brindar el apoyo para la comprensión de los campos electromagnéticos, , tema que se propone en las semanas 15 y 16. El ejercicio planeado es el de transmitir energía eléctrica sin un medio conductor y que se pueda ver la forma en que se dispersa el campo a través del espacio, con las complicaciones que esto conlleva. Teniendo en cuenta que el objetivo es hacer una herramienta de fácil uso y que requiera la cantidad mínima de elementos adicionales para su uso y estudio, se decidió implementar un módulo de acoplamiento inductivo, el cual consiste en una bobina emisora y una bobina receptora. Para este caso se decidió construir varias bobinas receptoras y algunos elementos de aplicaciones prácticas que faciliten la visualización de la transmisión inalámbrica de energía. El desarrollo de este módulo se puede observar en detalle en el capítulo 6 del presente documento.

Con el fin de facilitar la descripción y comprensión de los módulos desarrollados, cada uno se presenta en un capítulo junto con el diseño, simulaciones y pruebas experimentales.


23

4. MÓDULO DE CIRCUITOS MAGNÉTICOS Este capítulo tiene como objetivo diseñar y construir un módulo didáctico, el cual sirva de apoyo para la comprensión de las temáticas relacionadas con los circuitos magnéticos, en el cual el estudiante puede interactuar con las diferentes configuraciones, analizando el comportamiento de diferentes materiales en presencia de campo magnético, por medio de la experimentación y visualización.

Figura 9 Módulo de circuitos magnéticos.

4.1 APLICACIÓN DEL MÓDULO Los conceptos asociados a los circuitos y campos magnéticos en el programa de la asignatura campos electromagnéticos son:

Ley Biot-Savart

Ley de ampere

Densidad de flujo magnético

Energía magnética

Circuitos magnéticos

Fuerzas en materiales magnéticos

Magnetización en materiales

Clasificación de materiales magnéticos

Condiciones de frontera

Inductores e inductancias


24

4.1.1 COMPONENTES PEDAGOGICAS Al interactuar con este módulo los estudiantes estarán en capacidad de comprender mejor los conceptos básicos de la teoría de circuitos magnéticos, en él podrán tomar mediciones de corrientes de entrada, relaciones de transformación, tensiones de entrada y de salida, con ayuda de una cinta métrica se podrá determinar longitudes medias de cada configuración estudiada, con estos datos el estudiante podrá caracterizar cada uno de los núcleos utilizados en las pruebas, calculando densidad de flujo magnético, intensidad de flujo magnético y flujo magnético. Algunos de los objetivos que tiene el uso de este módulo son:

Estudiar experimentalmente los distintos procesos relacionados con circuitos magnéticos y con transformadores.

Analizar, diferenciar y resolver circuitos magnéticos, y la aplicación de sus leyes fundamentales.

Encontrar de manera analítica los valores de f.e.m, intensidad de flujo y densidad de flujo, así como sus variaciones con base a un circuito magnético implementado de manera real.

4.1.2 DEFINICIONES Circuito Magnético: Se basa en la solución de problemas de campos magnéticos de manera similar a la solución de circuitos eléctricos. Los elementos magnéticos como transformadores, motores, toroides etc. son considerados circuitos magnéticos (20).

Flujo Magnético: La cantidad de líneas de campo magnético que atraviesan una determinada superficie en el espacio (21).

Fuerza magnetomotriz (fmm): Es aquella capaz de producir un flujo magnético entre dos puntos de un circuito magnético (22)

Permeabilidad absoluta (µ): Es el producto entre la permeabilidad magnética relativa (µr) y la permeabilidad magnética de vacío (µ0) (22).

Reluctancia: Es la resistencia que un material posee al verse influenciado por un campo magnético, ésta depende de las características del material y de su forma (22).

4.1.3 ECUACIONES BASICAS DE CIRCUITOS MAGNÉTICOS A continuación, se muestra las ecuaciones a utilizar luego de la experimentación con este módulo, complementado así la teoría con la práctica.

Relación de transformación:

𝑽𝒑

𝑽𝒔=

𝑵𝟐

𝑵𝟏 (1)


25

Dónde:

𝑽𝒑 = Voltaje primario 𝑽𝒔 = Voltaje secundario 𝑵𝟏 𝒚 𝑵𝟐 = Numero de espiras primario y secundario

Intensidad de campo magnético:

∮ ∙ 𝒅𝒍 = 𝑰 (2)

Dónde:

I = Corriente

Densidad de campo magnético:

𝑩 = 𝝁 ∗ 𝑯 (3)

Dónde:

𝝁 = Permeabilidad magnética del material H = Intensidad de campo magnético

Flujo magnético:

𝛗 = ∫ . 𝒅𝒔 ≈ 𝑩×𝑺 (4)

Dónde:

S = área de sección transversal B = Densidad de flujo magnético

Reluctancia:

𝑹 =𝒍

𝝁∗𝒔 (5)

Dónde:

𝒍 = Longitud media

4.2 DISEÑO DEL MÓDULO DE CIRCUITOS MAGNÉTICOS Esté módulo esta orientado hacia la interpretación de los ejercicios de circuitos magneticos, para el diseño se tuvo en cuenta el tamaño del prototipo como punto de partida, ya que debia ser de facil transporte, por lo cual se hizo un diseño preliminar en AUTOCAD para poder dimensionar cada una de las piezas y materiales a utilizar. En la Figura 10 se ilustra el diseño previo a la construcción, las medidas del diseño preliminar tuvieron cambios en el proceso de fabricación debido a que los materiales que se comercializan ya estan estandarizados.


26

Figura 10 Diseño 3D en AutoCAD del módulo de circuitos magnéticos.

Con el fin de realizar la mayor cantidad de prácticas posibles con el módulo a implementar, se decidió utilizar 3 materiales que conforman los núcleos intercambiables, para los cuales se utiliza hierro macizo, chapas de acero al silicio y teflón, con el objetivo de analizar y comparar el comportamiento del flujo magnéticos debido a las diferencias en la permeabilidad relativa de cada uno de ellos. El área transversal de las piezas de los núcleos se definió a partir del área interna de las formaletas que se utilizaron para construir las 6 bobinas desarrolladas. La longitud de cada columna del circuito magnético se determinó de manera que en cada una de ellas se pudieran introducir dos bobinas simultáneamente.

Por lo cual, las variables con las que se puede interactuar en el módulo de circuitos magnéticos son: el número de espiras, tensión de entrada, material del núcleo y configuración del núcleo. A continuación, se muestra el detalle de cada pieza que compone el módulo.

4.2.1 NÚCLEO Para el diseño de los núcleos se utilizaron 3 materiales, de los cuales dos son ferromagnéticos (acero 1020 macizo y chapas de acero al silicio), con los cuales es posible interactuar y comparar el comportamiento en los circuitos magnéticos, mediante mediciones de tensión y corriente en las bobinas primaria y secundarias, analizando así corrientes de Foucault y la eficiencia del circuito magnético. Estas variables se pueden evidenciar en forma de calor y mediante las relaciones de


27

transformación registradas para una configuración específica de bobinas empleando los diferentes núcleos.

Como tercer material se usó teflón, el cual tiene una permeabilidad muy baja, permitiendo emular el comportamiento del aire y de materiales dieléctricos. En la Figura 11 se ilustran las del núcleo de acero 1020 y las piezas de teflón.

Figura 11 Dimensiones de los núcleos del módulo en milímetros.

Partiendo de materiales comerciales, se decidió utilizar varilla cuadrada de 31 mm, ya que era la que más se ajustaba a las formaletas para bobina a implementar, la cual debe ser mecanizada en un torno, cambiando así su área transversal, desbastando una de sus caras 2 mm, este mismo mecanizado se le debe realizar a las piezas de teflón, ya que estos materiales vienen en secciones transversales cuadradas y las formaletas para bobina comercialmente son rectangulares, por ello las medidas de los núcleos en los 3 materiales deben tener un área transversal de 31x29 (mm).

El núcleo de acero 1020 cuenta con 6 piezas:

2 barras de 197 mm de longitud

3 barras de 120 mm de longitud

1 barra de 119 mm de longitud

Esta última barra tiene el propósito de realizar configuraciones con un espacio de aire de 1 mm en una de sus columnas. Para el ensamble de este núcleo se diseñaron pines en cada una de las caras transversales de las barras de 120 mm de longitud y perforaciones en caras adyacentes de las barras de 197 mm de longitud, encajando de esta manera cada una de las piezas del circuito magnético. A las piezas de teflón se les diseñaron los mismos pines y perforaciones.

El núcleo de chapas de acero al silicio se diseñó con las mismas dimensiones del núcleo de acero 1020 y se mandó construir en una empresa especializada. Por facilidad en el troquelado y armado


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de las láminas de acero al silicio, este núcleo se hizo en dos partes, constituidas por una E y una I de igual área transversal, las dimensiones se muestran en la Figura 12.

Figura 12 Núcleo de acero al silicio con sus medidas en milímetros

4.2.2 BOBINAS Para el diseño de las bobinas el punto de partida fueron las formaletas de polietileno negro con un área transversal interna de 29x35 mm, la cual permite calcular el número de espiras necesario para la bobina primaria del sistema. Para este diseño la tensión de entrada es de 110 Vac obtenida por medio de un variac, por medio de la expresión general de la f.e.m se procede al cálculo de numero de espiras del devanado primario, en esta expresión se puede utilizar un nivel de inducción en Gauss entre 8000 y 10000 esto con el fin de limitar perdidas en el hierro, el área se expresa en 𝑚2 y se utiliza un factor de 106 dejando así la ecuación en el sistema internacional de medidas obteniendo el siguiente resultado (23):

𝑁𝑝 =𝑉𝑝 ∗ 106

4.44 ∗ f ∗ S ∗ B=

110 ∗ 106

4.44 ∗ 60 ∗ 0,1015 ∗ 10000 ≈ 406 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠

Donde:

𝑁𝑝 = Numero de espiras bobina primaria 𝑉𝑝 = Voltaje primario 106 = factor para que la expresión quede en el sistema internacional f = frecuencia en Hertz 𝑆 = area de la formaleta en 𝑚2 B = inducción en Gauss

Por seguridad de los estudiantes y de las personas que utilicen el módulo, se decide que todas las bobinas secundarias tengan un comportamiento de reductoras de tensión, para lo cual de diseñan


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5 bobinas secundarias de 320, 200, 160, 120 y 40 espiras, obteniendo así deferentes relaciones de transformación, a continuación, en la tabla 1 se calculan las diferentes relaciones de transformación y tensiones de cada una de las bobinas secundarias con un Vp de 110 V utilizando la ecuación 1.

Tabla 1 Relaciones de transformación y tensión de las bobinas secundarias

NUMERO DE ESPIRAS BOBINA SECUNDARIA

RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

TENSIÓN BOBINA SECUNDARIA [V]

320 0,8 88

200 0,5 55

160 0,4 44

120 0,3 33

40 0,1 11

Para las 6 bobinas se utilizó alambre esmaltado calibre 20, el cual tiene una capacidad nominal de corriente de 3 A. Se definió este nivel de corriente por efectos prácticos y económicos, ya que esta corriente es suficiente para observar los fenómenos que se requiere en cada práctica utilizando elementos básicos de instrumentación.

Cada bobina tiene dos borneras de conexión y su respectiva identificación de número de vueltas, las bobinas solo difieren por el número de espiras.

4.2.3 BASE Y SOPORTE Para soportar cada configuración de circuitos magnéticos y pensando en dar el ajuste necesario para el desarrollo de las practicas, se diseñó una base en una lamina de EMPACK blanco de 300x105 mm y 15 mm de espesor, la cual se mecanizó y se le realizó una guia en donde encaja el nucleo que se desee utilizar. En la Figura 13 Dimensiones base en empack. se observa la base.

Figura 13 Dimensiones base en empack.


30

4.2.4 MATERIALES UTILIZADOS EN EL DISEÑO Los materiales que se implementaron son de fácil adquisición en caso de alguna modificación o reemplazo de los mismos, en este módulo se utilizaron los siguientes materiales: Varilla de acero 1020 cuadrada de 31 mm Varilla de empack cuadrada de 31 mm Acero al silicio de 31 mm Formaletas para bobina de 29x35 mm Alambre esmaltado calibre 20 2 Prensas de 2” Base en empack para montaje 4 tornillos cabeza de avellan 4 juegos de tuerca, arandela y guasa Un metro de gualla para sujeción Conectores y terminales

Características De Los Elementos Utilizados Para La Fabricación Del Módulo

ACERO 1020: Acero de mayor fortaleza que el 1018 y más difícil de deformar. Responde bien al trabajo en frío y al tratamiento térmico de cementación. Por su alta tenacidad y baja resistencia mecánica es adecuado para elementos de maquinaria. (24)

El acero tiene una permeabilidad relativa alta, alrededor de 50 o más, dependiendo del método de aleación utilizado. Cuando se aplica un campo magnético externo sobre el acero, comienza a ser un imán permanente. Debido a esto, el campo dentro de una pieza de acero será de alrededor de 50 veces mayor que el campo que se ha aplicado a ella (25).

ACERO AL SILICIO: Es un acero especial fabricado para poseer determinadas propiedades magnéticas, tales como una zona de histéresis pequeña, que representa bajas pérdidas en el núcleo y una alta permeabilidad magnética (26). El material se fabrica habitualmente en forma de chapas laminadas en frío de 2 mm de espesor o menos. Estas chapas se apilan y una vez reunidas, forman los núcleos de transformadores o de estatores y rotores de motores eléctricos (26).

Las propiedades magnéticas del acero eléctrico dependen del tratamiento térmico. Las pérdidas por histéresis se determinan mediante una prueba estándar, y para los grados comúnmente disponibles de acero eléctrico pueden variar de 2 a 10 W/kg para una frecuencia de 60 Hz y un flujo magnético de 1,5 T (26).

EMPAQUE DE TEFLON: El PTFE es un polímero similar al polietileno, en el que los átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos flúor. Sus propiedades aislantes tanto eléctricas como magnéticas son utilizadas en electricidad y electrónica, como revestimiento de cables o dieléctrico de condensadores por su gran capacidad aislante y resistencia a la temperatura (27).

ALAMBRE DE COBRE: El cobre es uno de los metales de mayor uso. El cobre es un elemento diamagnético esta propiedad existe entre átomos que poseen una estructura electrónica simétrica y no poseen momentos magnéticos permanentes (los momentos magnéticos producidos por un


31

átomo anulan los momentos magnéticos producidos por otro átomo en un mismo material), forman enlaces iónicos o moléculas que comparten un par de electrones (enlace covalente) (28).

4.5 SIMULACIONES Con el fin de evaluar el comportamiento esperado del sistema se desarrollan una serie de simulaciones usando la herramienta Comsol Multiphysics 4.3b. En estas simulaciones se observa el comportamiento del sistema en condiciones ideales, analizando así las relaciones de transformación y densidad de flujo magnético en el núcleo. De igual manera, se observan e identifican puntos importantes en el circuito magnético, tales como incrementos de flujo a través del núcleo, dirección de la densidad de flujo magnético, entre otros datos que aportan y mejoran aspectos del diseño preliminar. Es importante resaltar que en las simulaciones no se tiene en cuenta las pérdidas por imperfecciones en las piezas o de ajuste.

En la Figura 14 se muestra la geometría en 3D implementada en el software. Se simuló con ambas bobinas en la columna central del circuito magnético y se utilizó un material ferromagnético de µr=2000, caracterizando el material como acero al silicio.

Figura 14 Vista isométrica módulo de circuitos magnéticos en COMSOL MULTIPHYSICS.

En la Figura 15 y Figura 16 se muestran los niveles de tensión en cada uno de los devanados, donde el devanado primario, el cual tiene 400 espiras, se energizó con una señal sinusoidal de 50 Vrms a 60 Hz y se analizó la salida de tensión del devanado secundario, el cual tiene 200 espiras, a partir de lo cual se establece que existe una relación de transformación de 2:1.


32

Figura 15 Tensión rms en devanado primario 400 espiras

Figura 16 . Tensión rms en devanado secundario 200 espiras

.


33

Con ayuda de las vistas y resultados arrojados por el software de simulación, se puede observar

en Figura 17 el comportamiento de la densidad de flujo magnético en el núcleo estudiado,

identificando así el recorrido del mismo.

Figura 17 Densidad de flujo magnético con dos devanados sobre la barra central del núcleo

En este caso, la columna donde se encuentra la bobina primaria es la que presenta el valor más

alto de densidad de flujo magnético, realizando una bifurcación por cada una de las columnas

de los extremos y cerrando el camino del flujo de nuevo hacia la columna central.

En la Figura 18 se observa la circulación de la corriente en cada una de las bobinas en el circuito,

observando a su vez la densidad de flujo magnético en el núcleo en la escala cromática, ilustrando

los puntos de mayor y menor magnitud, para su posterior análisis en el circuito real a

implementar.


34

Figura 18 Dirección de la corriente sobre dos devanados en la barra central del núcleo

4.3 CONSTRUCCIÓN Luego de un diseño preliminar y la selección de materiales existentes en el mercado, se procede a la creación y ensamble de cada una de las piezas que componen el módulo de circuitos magnéticos, buscando mayor modularidad y facilidad en la utilización del mismo.

Figura 19 Presentación final del módulo de circuitos magnéticos


35

4.3.1 NÚCLEO Luego del diseño preliminar del módulo de circuitos magnéticos y la adquisición de todas las partes que lo componen, se empezó por la fabricación de los núcleos; Para los cuales se utilizó un metro de varilla cuadrada de acero 1020 de 31 mm, la cual se cortó a medida cada una de sus piezas con ayuda de un torno, una vez cortadas, las piezas se mecanizaron por una cara para cambiar su sección transversal conforme al diseño, quedando estas de 29x31 mm de área, para así poder introducir el núcleo dentro de las formaletas de las bobinas.

Para las piezas de teflón se empleó una varilla cuadrada de 31 mm y 500 mm de longitud, a la cual se le hizo el mismo mecanizado en el torno, dejando piezas similares a las de acero 1020 en cuanto a dimensiones se refiere. A estos núcleos se les acondicionó pines de 5 mm de largos y de diámetro en cada una de las piezas verticales y agujeros de 5 mm de diámetro y de profundidad para su posterior ensamble. En la Figura 20 se muestran las barras horizontales de los 3 materiales utilizados en el módulo.

Figura 20 Foto de las Barras de acero 1020, acero al silicio y teflón utilizadas en el núcleo.

Por último, el núcleo de chapas de acero al silicio debía tener las mismas piezas y dimensiones de los núcleos anteriores, para lo cual se tuvo que hacer un cambio dejando esté constituido en dos piezas, una E y una I respetando el área transversal de los núcleos anteriores, ya que por la facilidad en el troquelado era más económico y sencillo de apilar, luego de su fabricación era necesario evitar que las chapas se soltaran ya que todas las piezas son desarmables y por cada columna debe poderse poner mínimo dos bobinas, por ello a cada pieza apilada se le realizó una pequeña línea de soldadura de argón evitando así que se soltaran luego del barnizado, en la Figura 21 se observa el núcleo de capas de acero al silicio luego de su fabricación.


36

Figura 21 Foto del núcleo de chapas de acero al silicio.

4.3.2 BOBINAS La fabricación de las 6 bobinas se inició por el diseño de la bobina primaria, la cual matemáticamente daba un numero de espiras de 406, para efectos prácticos y facilitando la didáctica del módulo se decide dar 400 espiras a la bobina primaria, para lo cual se utilizaron formaletas para bobina de 29 mm X 32 mm en su área interior. Como se mencionó anteriormente las otras 5 bobinas deberían tener menor número de espiras que la primaria para que la tensión siempre sea menor en la salida de los devanados, una vez teniendo todas las formaletas se embobinaron todas y cada una de ellas manualmente con alambre esmaltado calibre 20, luego de embobinadas se les integró una placa en acrílico negro calibre 3 mm con su respectiva identificación en grabado laser, la cual también sirvió de soporte para los dos bornes de conexión, en la Figura 22 se muestran todas las bobinas que componen el módulo de circuitos magnéticos.

Figura 22 Foto de las bobinas que componen el módulo de circuitos magnéticos.


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4.3.3 SOPORTE Y AJUSTE Para soportar el núcleo con sus respectivas bobinas se utilizó una lámina de EMPACK blanco de 15 mm de espesor y un área de 300 mm X 105 mm, a la cual se le realizó una guía por medio de mecanizado para encajar la parte inferior del núcleo del circuito magnético, esto con el fin de dar firmeza a cada configuración utilizada.

Además del soporte, es necesario ajustar cada uno de los núcleos luego de ensamblados, para lo cual se emplearon dos prensas de 2” que fueron cortadas y acondicionada, se utilizó una guaya que une las dos presas con el fin de evitar que se abran cuando éstas sean apretadas.

En la Figura 23 se observa el montaje completo de las bobinas, el núcleo, el soporte y la base. En este caso la bobinas se encuentran localizadas en la barra central, pero éstas se pueden ubicar en cualquiera de las secciones del núcleo dependiendo de la prueba que se desee realizar.

Figura 23 Foto de la base y soporte ajustando una configuración de un circuito magnético

4.4 DATOS EXPERIMENTALES Con el fin de probar el funcionamiento del módulo se realizaron pruebas experimentales en el laboratorio de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Para lo cual se energizó la bobina primaria de 400 espiras por medio de un variac, el cual entrega tensiones sinusoidales de 0 V a 140 V a una frecuencia de 60 Hz.

Para el caso del núcleo de acero 1020, el nivel de tensión se varió de 5 V a 70 V, y para el núcleo de chapas de acero al silicio se varió de 10 V a 140 V, tomando mediciones en una bobina secundaria de 200 espiras, ambas ubicadas en la barra central, como se ilustra en la figura 25. Con ayuda de un amperímetro se tomaron datos de corriente demandada a medida que aumentaba la tensión, con el fin de monitorear y supervisar que este nivel de corriente no sobrepase el límite permitido por el conductor, el cual es de 3 A.


38

Un dato importante para los cálculos matemáticos es el valor de la longitud media del núcleo, que en este caso es igual en ambos materiales y se obtuvo a partir de las dimensiones y geometría de la figura 25, y corresponde a 783 mm.

Para esta prueba se utilizaron dos voltímetros y un amperímetro, con los que se midió tensión de entrada, tensión de salida y corriente de entrada, este proceso fue similar con ambos núcleos utilizados. Luego se tomaron estos datos cada 5 V para el caso del núcleo de acero y cada 10 V para el núcleo de silicio.

Con el fin de realizar un análisis comparativo de las diferentes variables de interés se realizaron los cálculos correspondientes a partir de las ecuaciones (1) a (5), los cuales se resumen en las Tablas 1 y 2. A manera de ejemplo, a continuación, se presenta el procedimiento utilizado para una tensión de entrada de 30 V en cada uno de los núcleos.

4.4.1 CALCULO DE LAS VARIABLES DE INTERÉS Teniendo los datos de corriente de entrada, tensión de entrada y de salida (ver Tablas 2 y 3), se procedió a calcular la relación de transformación por medio de la ecuación (1), donde se obtuvieron los siguientes datos:

Relación de transformación núcleo acero 1020

𝒂 =𝑽𝒑

𝑽𝒔=

30.7

11.95= 2.57

Relación de transformación núcleo acero al silicio

𝒂 =𝑽𝒑

𝑽𝒔=

30.2

15.74= 1.91

Posterior a esto se procedió a calcular la intensidad de campo magnético en la configuración estudiada, para el cálculo se empleó una expresión obtenida a partir de la ecuación (2).

Intensidad de campo magnético núcleo acero 1020

𝑯 =𝑵 ∗ 𝑰

𝒍=

𝟒𝟎𝟎 ∗ 𝟏. 𝟒𝟕

𝟎. 𝟕𝟖𝟑= 750.96 [𝐴/𝑚]

Intensidad de campo magnético núcleo acero al silicio

𝑯 =𝑵 ∗ 𝑰

𝒍=

𝟒𝟎𝟎 ∗ 𝟎. 𝟏𝟔

𝟎. 𝟕𝟖𝟑= 81.74 [𝐴/𝑚]

Una vez calculada la intensidad de campo magnético, es posible calcular la densidad de flujo magnético por medio de la ecuación (3), donde el µr=30 en el acero 1020 y el µr=2000 en el acero al silicio, esto teniendo en cuenta de que los dos núcleos no llegaron a su punto de saturación en las pruebas realizadas, por lo cual los datos obtenidos corresponden a la parte lineal de la curva de magnetización.


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Densidad de flujo magnético núcleo acero 1020

𝑩 = 𝝁𝟎 ∗ 𝝁𝒓 ∗ 𝑯 = 280 [𝑚𝑇]

Densidad de flujo magnético núcleo acero al silicio

𝑩 = 𝝁𝟎 ∗ 𝝁𝒓 ∗ 𝑯 = 205 [𝑚𝑇]

Para el cálculo del flujo magnético se utilizó la ecuación (4).

Flujo magnético núcleo acero 1020

𝛗 = 𝑩 ∗ 𝑺 = 0.028 ∗ 0.000899 = 250 [μWb] Flujo magnético núcleo acero al silicio

𝛗 = 𝑩 ∗ 𝑺 = 0.21 ∗ 0.000899 = 185 [μWb]

A continuación, se muestran los datos tabulados en la Tabla 2 y Tabla 3 de cada uno de los materiales utilizados en todo el rango de tensión. En la Figura 24 y 25 se observan las curvas de magnetización con los datos obtenidos en el laboratorio.

Tabla 2 Datos medidos y calculados en el núcleo de acero 1020

NÚCLEO MACIZO DE ACERO 1020 CON µr = 30

Vin (V) Iin (A) Vout (V)

Relación de transformación

(a)

Intensidad de campo magnético H (A/m)

Densidad de flujo magnético B (mT)

Flujo magnético φ

(µWb)

5,4 0,29 2,06 2,62 148,15 5,6 5,02

10,1 0,48 3,96 2,55 245,21 9,2 8,31

15,3 0,69 6,05 2,53 352,49 13,3 11,94

20,4 0,93 8,07 2,53 475,10 17,9 16,09

25,4 1,18 10 2,54 602,81 22,7 20,42

30,7 1,47 11,95 2,57 750,96 28,3 25,44

35,3 1,75 13,6 2,60 894,00 33,7 30,28

40,3 2,07 15,4 2,62 1057,47 39,8 35,82

45,4 2,42 17,14 2,65 1236,27 46,6 41,88

50,7 2,81 18,9 2,68 1435,50 54,1 48,63

55,2 3,14 20,37 2,71 1604,09 60,4 54,34

60,7 3,56 22,13 2,74 1818,65 68,5 61,61

64,8 3,86 23,4 2,77 1971,90 74,3 66,80

70 4,27 24,9 2,81 2181,35 82,2 73,89


40

Luego de tabular los datos en todo el rango de tensión, se procede a graficar la corriente de entrada del sistema versus la tensión de entrada del mismo, generando una curva como la que se aprecia en la Figura 24. Como se puede observar en dicha figura el núcleo de acero 1020 no llega a su punto de saturación, ya que la limitante para este caso en específico es la corriente de entrada, la cual superó durante 10 s el límite de corriente (2,5 A) permitido por el fabricante del alambre con el que se embobino el primario. Se presentan las gráficas de V vs I, la cual es equivalente a la gráfica B vs H, la tensión en el lado secundario del transformador corresponderá proporcionalmente al campo B inducido y en el eje X se muestra la corriente I que circula en el devanado primario, que corresponde proporcionalmente al campo H aplicado al núcleo, con lo cual se evidencia que a medida que se aumenta la tensión de alimentación aumenta la corriente en el primario, en consecuencia también aumenta el campo inducido en el núcleo del trasformador lo que provoca una FEM en los devanados secundarios.

Figura 24 Curva de magnetización núcleo de acero 1020

Tabla 3 Datos medidos y calculados el núcleo de acero al silicio

NÚCLEO DE CHAPAS LAMINADAS DE ACERO AL SILICIO CON µr = 2000

Vin (V) Iin (A) Vout (V)

Relación de transformación

(a)

Intensidad de campo magnético H (A/m)

Densidad de flujo magnético B (mT)

Flujo magnético φ

(µWb)

10,4 0,05 5,5 1,89 25,54 64 58

20,4 0,1 10,56 1,93 51,09 128 115

30,2 0,16 15,74 1,92 81,74 205 185

40,3 0,2 20,97 1,92 102,17 257 231

50 0,26 25,96 1,93 132,82 334 300

60,2 0,32 31,2 1,93 163,47 411 369

70,3 0,37 36 1,95 189,02 475 427

80,2 0,42 41 1,96 214,56 539 485

90,5 0,48 46,2 1,96 245,21 616 554

100,2 0,54 51,1 1,96 275,86 693 623

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5

Ten

sió

n [

V]

Corriente [A]


41

110,1 0,61 56 1,97 311,62 783 704

120,1 0,68 61 1,97 347,38 873 784

130,2 0,76 65,9 1,98 388,25 975 877

139,5 0,83 70,4 1,98 424,01 1065 958

En la Figura 25 se observa la curva de magnetización, la cual presenta un comportamiento lineal. Al igual que en la curva anterior, este material tampoco llegó a su punto de saturación. En este experimento la limitante fue la tensión de entrada, debido a que los variac de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas entregan una tensión máxima de 145 Vac, y a ese nivel de tensión el núcleo aún se encuentra en la parte lineal de la curva.

Figura 25 Curva de magnetización núcleo de acero al silicio.

En la Tabla 4 se tabularon los datos experimentales y simulados del circuito magnético con las chapas de acero al silicio, comparando los mismos y calculando el porcentaje de error.

Tabla 4 Porcentajes de error datos experimentales y simulados.

Variables Valores

experimentales Valores simulados Error %

Vin (V) 50 49,5 1

Iin (A) 0,26 0,24 7,7

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Vo

ltaj

e [V

]

Corriente [A]


42

Vout (V) 25,96 24 7,5

Relación de

transformación (a) 1,93 2,06 6,3

Densidad de flujo

magnético B (mT) 334 339 1,47

4.5 CONCLUSIONES MÓDULO CIRCUITOS MAGNÉTICOS La finalidad de este módulo es el estudio de los circuitos magnéticos, pero no se limita a sólo esto, durante su desarrollo se mostró interés en las asignatura de circuitos 2, en la que fue utilizado por los estudiantes en un laboratorio, en la asignatura conversión electromagnética y transporte de energía, en las cuales también se desarrollaron prácticas de laboratorio mostrando así la versatilidad de este tipo de elementos, adicionalmente se podrán estudiar conceptos como: acoplamiento mutuo, relaciones de transformación, caracterización de transformadores, comportamientos de transformadores en diferentes frecuencias, entre otros muchos casos de estudio que los docentes de las diferentes asignaturas evidenciaron que se pueden poner en práctica con el módulo desarrollado en este capítulo.

Con este módulo se pueden afianzar conceptos como: intensidad de campo magnético, densidad de campo magnético, flujo magnético, corrientes parasitas y materiales ferromagnéticos; partiendo de mediciones de tensión y corriente en cada configuración, apoyando así temáticas más complejas de la asignatura campos electromagnéticos.

Los núcleos estudiados en este documento no pudieron ser llevados al punto de saturación, debido a que para el caso del acero 1020, la tensión de entrada se limitó por que la corriente demandada superó el límite de 2,5 A del conductor calibre 20 utilizado en las bobinas. Para el núcleo de chapas de acero al silicio el inconveniente que se presentó para llevarlo al punto de saturación fue la fuente de alimentación, ya que ésta solo entregaba 145 Vac, por lo cual los datos obtenidos en las pruebas experimentales corresponden a la zona lineal de la curva de magnetización.

Cuando se hicieron las pruebas con el núcleo de acero macizo se pudo detectar calentamiento tanto en el núcleo como en el cobre de los devanados, lo cual representa pérdidas para el sistema. Mientras que al emplear el núcleo de chapas de acero al silicio no se evidenció calentamiento durante las pruebas. Esto demuestra una de las ventajas de emplear chapas de acero al silicio, ya que la eficiencia y vida útil del circuito magnético es mayor.


43

Los datos obtenidos de manera experimental difieren de los simulados (ver tabla 4), ya que el software realiza las configuraciones en condiciones ideales y el módulo real presenta imperfecciones, perdidas por temperatura y ajuste, a pesar de las condiciones los porcentajes de error no superan el 8%.


45

5. MÓDULO DE POTENCIAL ELÉCTRICO Este capítulo tiene como objetivo diseñar y construir un módulo didáctico, el cual sirva de apoyo para la comprensión de las temáticas relacionadas con el potencial eléctrico y el campo eléctrico, en el cual el estudiante puede interactuar realizando un mapeo de potenciales por medio de coordenadas en X y Y grabadas en el módulo, las cuales determinan un nivel de tensión dependiendo de la polarización de los electrodos, estudiando diferentes configuraciones que en él se pueden desarrollar, analizando el comportamiento de las líneas equipotenciales y analizando el campo eléctrico en el sistema por medio de la experimentación y la visualización.

Figura 26 módulo de potencial eléctrico.

5.1 APLICACIÓN DEL MÓDULO SEGÚN LAS NECESIDADES DE LA ASIGNATURA

Los conceptos asociados a los fundamentos de campos Eléctricos en el programa de la asignatura Campos Electromagnéticos son los siguientes:

Ley de coulomb.

Fuerza entre cargas.

Campo eléctrico.

Densidades de carga.

Ley de Gauss.


46

5.1.1 COMPONENTES PEDAGOGICAS Al interactuar con este módulo los estudiantes estarán en capacidad de comprender mejor los conceptos básicos de potencial eléctrico y campo eléctrico, donde por medio de polarización de diferentes electrodos podrán tomar datos de potencial eléctrico y graficar las líneas equipotenciales de cada configuración y de esta manera poder calcular niveles de campo eléctrico en cada práctica desarrollada, pudiendo identificar intensificaciones de campo según la geometría de los electrodos. Algunos de los objetivos que tiene el uso de este módulo son:

Estudiar experimentalmente las distintas variables relacionadas con los campos eléctricos causados por diferentes geometrías en un medio conocido

Analizar y diferenciar los resultados de campo eléctrico esperados al tener diferentes puntos de referencia dentro de una misma geometría.

Encontrar de manera analítica los valores de campo eléctrico implementado una configuración geométrica de manera real.

5.1.2 DEFINICIONES Campo Eléctrico: Un campo eléctrico es un campo de fuerza creado por la atracción y repulsión de cargas eléctricas (la causa del flujo eléctrico) y se mide en (V/m). El flujo decrece con la distancia a la fuente que provoca el campo (29).

Potencial Eléctrico: El potencial eléctrico en cualquier punto es la diferencia de potencial entre ese punto y un punto elegido como referencia en el que el potencial sea cero (20).

Línea de flujo Eléctrico: Es la trayectoria o línea imaginaria trazada de manera que su dirección en cualquier punto sea la dirección del campo eléctrico en ese punto (20).

5.1.3 CALCULO DE LAS VARIABLES DE INTERÉS Partiendo de las mediciones de potencial que se pueden realizar en el módulo se puede calcular el valor del campo eléctrico que en él se produce mediante la siguiente ecuación y la cual es utilizada junto con los resultados experimentales más adelante en este capitulo

Campo eléctrico:

𝐸 = −𝛻 𝑉 (6)


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5.2 DISEÑO DEL MÓDULO DE POTENCIAL ELÉCTRICO Esté módulo está orientado a la medición del potencial eléctrico entre diferentes configuraciones de electrodos, los cuales se energizan con una tensión de 12 Vdc por medio de las fuentes DC de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, polarizando dos o más de los 4 electrodos que se encuentran sumergidos en un recipiente con alcohol isopropilico, obteniendo así coordenadas de medición que nos permiten trazar líneas equipotenciales y a su vez calcular líneas de campo eléctrico, en la Figura 27 se muestra el diseño en AutoCAD del módulo de potencial eléctrico.

Figura 27 Diseño en 3D en AutoCAD del módulo de potencial eléctrico.

El parámetro de partida para el diseño del módulo de Potencial eléctrico fue la selección de las geometrías en las cuales se estudiaría el campo eléctrico, como lo son placas paralelas y cilindros, además el medio en el que se facilite la medición de potencial eléctrico entre electrodos. El nivel de tensión con el cual serian energizados cada uno de los electrodos también fue importante, ya que el módulo está orientado al apoyo de los estudiantes, los niveles de tensión no deben arriesgar la integridad de aquel que lo utilice, por lo cual se decide utilizar 12 Vdc para energizar el mismo. A continuación, se muestra el detalle de cada una de las piezas que compone el módulo.

5.2.1 CAJA EN ACRILICO Para poder medir el comportamiento del potencial eléctrico era necesario que los electrodos estuvieran sumergidos en algún fluido, con el fin de poder medir diferentes potenciales con respecto


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a un electrodo de referencia, para lo cual se diseñó un recipiente en acrílico transparente calibre 5 mm, en la Figura 28 se muestra el diseño en AutoCAD, al cual se le calcularon medidas para que en su interior se depositará un litro de alcohol isopropilico, por otra parte debido al nivel de tensión con el cual se va a utilizar es 12 VDC, se decide hacer el módulo lo más pequeño posible con el fin de observar mejor el comportamiento, facilitando a su vez el transporte del mismo. El recipiente no es totalmente hermético, esto con el objetivo de poder cambiar el fluido dentro del mismo en caso de que así se desee para lo cual se le realizaron dos orificios a la caja para poder llenar y vaciar la misma.

Figura 28 Diseño en AutoCAD caja de acrílico.

5.2.2 ELECTRODOS Para este módulo se diseñaron dos pares diferentes de electrodos, constituidos por placas paralelas y cilindros, cada uno de ellos se conectó a un alambre de cobre o aluminio dependiendo el material para poder realizar las conexiones requeridas.

Para el diseño de las placas paralelas se utilizaron láminas de aluminio calibre 4 mm, se utilizó este material por su bajo costo en comparación con las láminas de cobre, adicionalmente para darle mayor versatilidad al módulo por medio de la utilización de diferentes materiales, el área de cada lamina es de 145 mm X 60 mm y 4 mm de espesor, en la Figura 29 se muestran las dimensiones.


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Figura 29 Diseño en AutoCAD de electrodos de aluminio

Para la selección de los electrodos cilindricos, la manera mas sencilla y economica de construirlos es por medio de tubos de cobre utilizados en sistemas de gas, para lo cual se utilizó un tubo de cobre de 120 mm de longitud y 16 mm de diametro, el cual fue cortado en dos tramos de 60 mm de longitud, dejando asi la misma altura de los electrodos de aluminio, en la Figura 30 se muestran las dimensiones.

Figura 30 Diseño en AutoCAD de electrodos cilíndricos de cobre

Para energizar cada uno de los electrodos se diseñaron puntos de conexión por medio de bornes de bronce para la conexión de cobre con aluminio y soldadura de estaño para los electrodos de cobre.

5.2.3 PUNTOS DE MEDICIÓN Pensando en adquirir datos entre los electrodos, se diseñó una cuadricula de medición la cual está constituida por barras de acero plata de 2 mm de diámetro, distribuidas entre los electrodos cada 10 mm cerca a los electrodos cilíndricos y cada 15 mm entre las placas paralelas. Se decide utilizar este material ya que por medio de un proceso térmico de templado adquiere la rigidez necesaria para mantener uniformidad en las configuraciones, evitando curvaturas en cada barra de medición, el módulo consta de 88 puntos de medición, cada uno constituido por una barra de acero plata de 70 mm de alto y 2 mm de diámetro, se dejan de 10 mm más altos que los electrodos ya que debe salir de la caja para hacer contacto con los instrumentos de medida, en la Figura 31 se muestran las dimensiones.


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Figura 31 Diseño en AutoCAD de puntos de medición en acero plata.

5.2.4 MATERIALES UTILIZADOS EN EL DISEÑO A continuación, se muestra una lista de todos los materiales que contemplan el diseño del módulo de potencial eléctrico, los cuales fueron acondicionados para su respetivo ensamble.

2 laminas de aluminio de 15x6 mm de calibre 4 mm 2 tubos de cobre de 60 mm de largo y 16 mm de diametro 88 varillas de acero plata de 2 mm de diametro y 70 mm de largo Caja en acrilico calibre 5mm de 235 mm de largo, 100 mm de ancho y 60 mm de alto Bornes de conexión Alcohol Isopropilico

5.3 SIMULACIONES Para el módulo de potencial eléctrico se plantean una serie de simulaciones en el software Comsol Multiphysics en su versión 4.3b, con el fin de evaluar el comportamiento esperado del sistema, las cuales permitieron evidenciar concentraciones de campo con el fin de evitar riesgos en la implementación del mismo. Las condiciones que no se pueden llevar a la simulación son las rugosidades del material producto de los procesos de fabricación e imperfecciones de las soldaduras. En la Figura 32 se muestra la geometría en 3D simulada en el software.


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Figura 32 Vista isométrica módulo de potencial eléctrico en COMSOL MULTIPHYSICS

.

Una vez creada la geometría en 3D y caracterizados cada uno de sus componentes, se realizaron dos simulaciones de las configuraciones a implementar en el laboratorio, con el fin de comparar los resultados obtenidos de manera experimental.

5.3.1 SIMULACIÓN DE PLACAS PARALELAS Para la primera simulación se polarizó la placa superior con 12 Vdc y la placa inferior con 0 Vdc obteniendo la configuración de placas paralelas, con el fin de verificar el funcionamiento y comportamiento de dicho experimento. En la Figura 33 se presenta el potencial eléctrico entre las placas paralelas y la tabla de datos tabulados con respecto a las coordenadas en X y Y. A partir de esta figura se observa que en la región entre las placas existe uniformidad en las líneas equipotenciales.

Figura 33 Simulación potencial eléctrico placa superior 12 V y placa inferior 0 V

Las pequeñas diferencias que se presentan en los valores de potencial se deben al proceso de enmallado y al efecto que provocan los bordes de la geometría en todo el sistema. En la Figura 34


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se observa que el campo eléctrico, el cual tiene un comportamiento constante entre las placas paralelas, pero en cercanía a cada punto de medición el campo eléctrico se ve distorsionado. Este último aspecto es importante y su efecto se debe considerar en el módulo real, ya que significa que las mediciones pueden cambiar un poco debido a la intensificación del campo eléctrico en los terminales de medida. También se evidencian las concentraciones de campo en las puntas de los electrodos, esto se mitigo en el módulo construido, suavizando estos bordes.

Figura 34 Simulación de campo eléctrico placa superior 12 V y placa inferior 0 V

5.3.2 SIMULACIÓN DE CILINDROS PARALELOS En esta configuración, el cilindro izquierdo se polarizó con un nivel de tensión de 12 Vdc y el cilindro derecho con 0 V. Debido a la distancia entre electrodos el comportamiento es similar al de las placas paralelas. En la Figura 35 se muestra el potencial eléctrico de esta configuración, donde se observan las diferencias de potencial en el sistema y la tabla de datos tabulados con respecto a las coordenadas en X y Y.

En cuanto al campo eléctrico que se muestra en la Figura 36 y Figura 37 se observa que éste es de mayor magnitud en las caras enfrentadas de los dos cilindros; además, igual que en la simulación anterior, cada punto de medida genera distorsión en la distribución de campo. La simulación presenta un comportamiento uniforme en la mayor parte del área entre los cilindros con valores entre 58 y 60 V/m.


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Figura 35 Simulación potencial eléctrico cilindro izquierdo a 12 V y cilindro derecho a 0 V

Figura 36 Simulación de campo eléctrico cilindro izquierdo a 12 V y cilindro derecho 0 V


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Figura 37 Simulación de líneas de campo eléctrico con cilindros paralelos.

5.4 CONSTRUCCIÓN Posterior al diseño preliminar y comprobación del funcionamiento por medio de simulaciones, se procedió a la construcción y ensamble de cada uno de los elementos previamente adquiridos, iniciando por la caja en acrílico, seguida de los electrodos y puntos de medición, para su posterior ensamble.

Para la fabricación de la caja en acrílico se emplearon láminas transparentes de acrílico de 5 mm, las cuales fueron posteriormente pegadas buscando la mayor hermeticidad posible para contener el fluido y evitar derrames. Debido a varias pruebas con fluidos y a la complejidad de dejar la caja totalmente hermética, se decide dejar esté módulo de fluido extraíble, con la ventaja de poder realizar pruebas con diferentes fluidos si así se requiere.

Luego de la fabricación de la caja se procedió a la construcción de cada uno de los electrodos, comenzando por las placas de aluminio las cuales se compraron a medida, luego se soldaron varillas de aluminio a cada una de las placas para su respectiva conexión a cada bornera. Para los electrodos cilíndricos se utilizó un tubo de cobre de 5/8” utilizado en sistemas de gas, el cual fue cortado en dos tramos de 60 mm de longitud, a los cuales se les soldaron dos varillas de cobre calibre 12 para su respectiva conexión a cada bornera, para facilidad en la conexión con los instrumentos de medida y energización, a los cuales se les puede conectar cables tipo banana para sus respectivas configuraciones.

Para los puntos de medida, se utilizaron 7 varillas de acero plata de 1 m de longitud y 2 mm de diámetro, las cuales fueron segmentadas cada 70 mm para cada punto de medición, luego se les hizo un tratamiento térmico para aumentar su rigidez y mantener uniformidad de las mismas en el módulo, esto con el fin de que las mediciones no se vean afectadas por alguna curvatura de las varillas de acero plata. En la Figura 38 se muestran los 3 materiales utilizados como electrodos y puntos de medición.


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Figura 38 Materiales utilizados en el módulo de potencial eléctrico (aluminio, cobre y acero plata).

Posteriormente se procedió al ensamble de todas las piezas anteriormente mencionadas, realizando una guía en acrílico donde encajan todas las piezas al fondo de la caja, esto para darle estabilidad y uniformidad a cada una de las piezas en el módulo Finalmente, la caja fue sellada, dejando dos orificios para la inyección y drenaje del fluido a utilizar.

Luego de ensamblado el módulo, se le realizaron pruebas de hermeticidad inyectándole agua, corrigiendo así filtraciones en sus uniones, después de realizadas estas pruebas se realizó una marcación en la tapa superior por medio de grabado laser, donde se observa el nombre del módulo y coordenadas en el eje X y eje Y en cm para facilidad de cada medición. En la Figura 39 se muestra el módulo de potencial eléctrico luego de su fabricación.

Figura 39 Presentación final del módulo de potencial eléctrico


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5.5 DATOS EXPERIMENTALES Luego de la fabricación del módulo de potencial eléctrico, se decide realizar pruebas de funcionamiento. Para la realización de esta prueba se contemplaron tres posibles fluidos: Aceite dieléctrico, agua y alcohol isopropilico. Al emplear aceite dieléctrico, los niveles de tensión registrados en los puntos de medición son cercanos a cero, esto debido a la elevada rigidez dieléctrica del material y al bajo nivel de tensión al que opera el módulo. Al realizar la prueba con agua entre los electrodos, se pudo evidenciar el correcto funcionamiento del módulo, pero esta prueba generó un problema, ya que todas las piezas metálicas en contacto con el agua empezaron a presentar oxidación. Por último, al emplear alcohol isopropilico se observa el comportamiento esperado del módulo; además, los materiales en contacto con el alcohol no sufren problemas de oxidación, debido a que este líquido tiene un nivel de humedad menor al 2%.

A partir de estos resultados, se decide emplear alcohol isopropilico como material aislante para el módulo de potencial eléctrico. En la Figura 40 se muestran las coordenadas del módulo para la toma de datos experimentales, esto para facilitar la tabulación de datos en el laboratorio.

Figura 40 Plano coordenado del módulo de potencial eléctrico.

La primera prueba realizada fue para la configuración de placas paralelas, la placa superior se polarizó con 12 V y la placa inferior con 0 V. Debido a la simetría del módulo, se tomaron datos sólo de la mitad del módulo, para lo cual se tomó como referencia la placa inferior, escogiendo así una coordenada en el eje X, y de esta manera se tomaron los datos de manera vertical en las coordenadas del eje Y. En la Figura 40 se ilustra el área donde se tomaron las mediciones, todos los datos de potencial eléctrico fueron medidos con un multímetro del laboratorio de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. En la Tabla 5 se muestran los datos de la prueba, en donde se observa que para el rango del eje X entre 10,5 y 15 el potencial fue constante, mientras que para las coordenadas 16,5 - 17,5 - 18,5 y 19,5 se evidenciaron cambios en el potencial.


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Tabla 5 Datos experimentales configuración Placa – Placa

Coordenada en X de 10,5 a 15 Coordenada en X=16,5

Coordenada en Y Potencial (V) Campo

eléctrico (V/m)


eléctrico (V/m)

5,5 10,6 192,7 5,5 10,3 187,2

4,5 9 200 4,5 8,6 191,1

3,5 7,4 211,4 3,5 7,2 205,7

2,5 5,8 232 2,5 5,8 232

1,5 4,2 280 1,5 4,3 286,6

0,5 2,4 480 0,5 2,6 520

Coordenada en X=17,5 Coordenada en X=18,5


eléctrico (V/m)


eléctrico (V/m)

5,5 9,7 176,3 5,5 9 163,6

4,5 8,5 188,8 4,5 8,1 180

3,5 7,2 205,7 3,5 - -

2,5 6 240 2,5 - -

1,5 4,5 300 1,5 4,9 326,6

0,5 3,1 620 0,5 4 800

El campo eléctrico se calculó como la pendiente de la gráfica entre la tensión y la distancia medida con relación al electrodo de referencia. En la Tabla 5 se consignan los valores obtenidos y el valor de campo eléctrico calculado, como el cociente entre la tensión medida y la distancia (en metros) al punto de referencia, La Figura 41 Caracterización de las ecuaciones por regresión lineal (placas paralelas). muestra cada una de las curvas V vs. D con su respectiva ecuación característica, donde la pendiente de cada curva equivale al valor de campo eléctrico.


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Figura 41 Caracterización de las ecuaciones por regresión lineal (placas paralelas).

En la Tabla 6 se observan los porcentajes de error luego de la comparación de los datos obtenidos de manera experimental versus los simulados, esto para la configuración de placas paralelas, en la cual se presenta un porcentaje de error de 54,1% en el punto más cercano a la referencia, a medida que se toman datos alejándose de la referencia el error disminuye, estos porcentajes se presentan debido a que en los bordes de los electrodos la intensidad de campo se intensifica.

Tabla 6 Porcentaje de error datos experimentales y simulados configuración placa – placa

Coordenada Potencial Error %

X Y Valores experimentales Valores simulados

10,5

0,5 2,4 1,1 54,1

1,5 4,2 3 28,5

2,5 5,8 5,22 10

3,5 7,4 7,11 3,9

4,5 9 9,13 1,4

5,5 10,6 11,3 6,2

Campo Eléctrico V/m 162 195 16,9

En la Tabla 7 se muestra los datos tomados en el laboratorio para la configuración de los cilindros paralelos, donde con la fuente DC se polarizó el cilindro derecho con a un nivel de tensión de 12 V y el izquierdo a 0 V, este último se toma como referencia para la medición, nuevamente sólo se toman datos en la mitad del módulo como se ilustra en la Figura 42 , donde el área encerrada en el


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rectángulo rojo fue donde se tomaron todos los datos ya que por la simetría son iguales en la otra mitad, para el caso en estudio se midieron niveles de tensión con un multímetro en las coordenadas en el eje Y que van de 0.5, 1.5 y 2.5, tomando datos a lo largo del eje X.

Figura 42 Área de medición en cilindros paralelas.

Para el cálculo del campo eléctrico en la configuración de cilindros paralelos, se utilizó el método

usado en la configuración de placas calculando la pendiente de la curva, debido a que la curva no

presenta un comportamiento lineal debido a la geometría de los cilindros, se tuvo en cuenta un

factor de ensanchamiento, el cual es usado en configuraciones de campos no uniformes,

dependiendo de la geometría de la configuración de campo, está dado por 𝑓 =𝐸𝑚

𝐸𝑎𝑣 , donde Em es

el valor máximo obtenido generalmente de simulaciones y Eav es el valor medido

experimentalmente (30), de esta manera se calculó con ayuda del simulador COMSOL

MULTIPHYSICS:

- Inicialmente se simularon placas paralelas a la distancia que se encuentran los dos cilindros

que para el caso en específico es 165 mm, obteniendo así un valor constante de campo de

77,42 V/m como se observa en la Figura 43 Campo constante entre placas para el cálculo

del factor de ensanchamiento.


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Figura 43 Campo constante entre placas para el cálculo del factor de ensanchamiento

- Luego se utilizó un valor de campo obtenido de la simulación de los cilindros paralelos, este

valor es de 119 V/m y se tomó a 5 mm de un cilindro como se observa en la Figura 44 .

Figura 44 Campo eléctrico a 5 mm para el cálculo del factor de ensanchamiento

- Una vez obtenidos los dos valores anteriores se procede a realizar el cociente obteniendo

así el factor de ensanchamiento, el cual multiplicado por las pendientes de las curvas nos

da como resultado el valor del campo eléctrico aproximado entre los cilindros paralelos

como se observa en la tabla 6.

Factor de ensanchamiento =𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑎 5 𝑚𝑚 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎𝑠 𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠

Factor de ensanchamiento = 𝑓 =119 𝑉/𝑚

77,42 𝑉/𝑚≈ 1,53


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Tabla 7 Datos experimentales configuración Cilindro – Cilindro

Coordenada en Y=2,5 Coordenada en Y=1,5 Coordenada en Y=0,5

coordenada en X

Potencial (V)

Campo eléctrico

(V/m)

coordenada en X

Potencial (V)

Campo eléctrico

(V/m)

coordenada en X

Potencial (V)

Campo eléctrico

(V/m)

0 - 0 0 0 0 0 0 0

1 - 0,0 1,0 1,6 244,8 1,0 2,6 397,8

2 1,8 137,7 2,0 2,5 191,3 2,0 3,4 260,1

3 3,1 157,6 3,0 3,4 173,3 3,0 4,1 208,1

4,5 4,3 146,3 4,5 4,3 146,3 4,5 4,6 156,4

6 4,9 125,0 6,0 4,9 125,0 6,0 5,0 127,4

7,5 5,3 108,2 7,5 5,3 108,2 7,5 5,3 108,2

9 5,6 95,2 9,0 5,6 95,2 9,0 5,6 95,2

10,5 5,9 86,0 10,5 5,8 84,5 10,5 5,9 86,0

12 6,3 80,3 12,0 6,2 79,1 12,0 6,1 77,7

13,5 6,7 75,9 13,5 6,5 73,6 13,5 6,5 73,6

15 7,3 74,5 15,0 7,1 72,4 15,0 6,8 69,3

16,5 8,4 77,9 16,5 7,9 73,3 16,5 7,2 66,7

17,5 9,7 84,8 17,5 8,9 77,9 17,5 7,9 69,0

18,5 - 0,0 18,5 9,8 81,1 18,5 8,8 72,8

19,5 - 0,0 19,5 10,4 81,5 19,5 9,4 73,7

En la tabla 8 se observan los porcentajes de error luego de la comparación de los datos obtenidos de manera experimental versus los simulados, esto para la configuración de cilindros paralelos.


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Tabla 8 Porcentaje de error datos experimentales y simulados configuración cilindro – cilindro

Coordenada Potencial [V]

Error %

Campo eléctrico [V/m] Error

% Y X Valores

experimentales Valores

simulados Valores

experimentales Valores

simulados

2,5

2 2,5 0,77 69,2 191,3 101,5 46,9

3 3,4 1,61 52,6 173,3 76,5 55,9

4,5 4,3 2,61 39,3 146,3 66,6 54,5

6 4,9 3,6 26,5 125 65,2 47,8

7,5 5,3 4,55 14,2 108,2 63,9 40,9

9 5,6 5,47 2,3 95,2 64 32,8

10,5 5,8 6,48 10,5 84,5 64,2 24,0

12 6,2 7,42 16,4 79,1 64,2 18,8

13,5 6,5 8,3 21,7 73,6 65,1 11,5

15 7,1 9,2 22,8 72,4 68 6,1

16,5 7,9 10,3 23,3 73,3 76,4 4,1

17,5 8,9 11,2 20,5 77,9 102 23,6

5.6 CONCLUSIONES MÓDULO POTENCIAL ELÉCTRICO El módulo ayuda a la comprensión e interpretación de conceptos como campo eléctrico y potencial eléctrico de manera práctica, por medio de mapeo de potenciales eléctricos que se pueden medir en el módulo, utilizando diferentes configuraciones de electrodos.

En búsqueda de un medio líquido para sumergir los electrodos, se decide utilizar alcohol isopropilico, debido a que el agua presentaba oxidación en piezas metálicas y el aceite dieléctrico aislaba totalmente los electrodos evitando mediciones de potencial entre ellos.

Los valores obtenidos de manera simulada con respecto a los experimentales, presentan errores en ciertos puntos del 50% a 69%, ya que en estos puntos de concentración de campo la simulación presenta condiciones ideales los cuales son difíciles de evidenciar en condiciones reales debido a las geometrías y condiciones tales como el nivel de fluido, impurezas en el mismo o la precisión de los elementos de medida, los demás puntos de medición presentan un comportamiento similar con porcentaje de error de 16,9% para el campo eléctrico, y porcentajes de error de potencial eléctrico que varían entre 1,4% y 10% en la mayor parte del rango de medida entre las placas paralelas, como se mencionó anteriormente esta diferencia en los valores se debe a que la simulación se realizó en condiciones ideales y el módulo real presenta imperfecciones en cada material, así como pequeñas desviaciones de ubicación de los mismos.

Al utilizar un diseño final de fluido extraíble se pueden desarrollar otras prácticas, como comprobar las propiedades conductoras de diferentes tipos de fluidos, e incluso pensar en recrear el modulo


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para alojar en su interior diferentes tipos de gases, y así llevar los estudios mucho más a profundidad y poder caracterizar o analizar todos los comportamientos y reacciones por medio de mediciones de potencial que en él se pueden realizar.

Geométricamente la configuración de placas paralelas no genera la linealidad en las mediciones de potencial eléctrico que se esperaba, debido a que el área de las placas es muy pequeña en comparación con la distancia que las separa, lo que ocasiona que el campo eléctrico no sea constante en la configuración estudiada, los datos simulados se presentan de manera constante entre las placas ya que son realizados en condiciones ideales.

Los puntos de medición de acero plata utilizados en el módulo generan distorsión en el valor del campo eléctrico, esto se puede apreciar en las simulaciones realizadas, lo cual no impide tomar mediciones de campo y así comprender la distribución de líneas equipotenciales, esto no afecta la finalidad del módulo la cual es visualizar y comprender los conceptos.


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6. MÓDULO DE INDUCCIÓN MAGNÉTICA Este capítulo tiene como objetivo diseñar y construir un módulo didáctico que sirva de apoyo para la comprensión de las temáticas relacionadas con la inducción magnética por medio de la observación, en el cual el estudiante puede interactuar tomando mediciones de tensiones y corrientes inducidas desde una bobina primaria generadora de campo magnético, hacia bobinas receptoras de diferentes número de espiras, las cuales dependiendo de la distancia que las separa tendrán mayor o menor tensión a la salida.

Figura 45 Módulo de inducción magnética

6.1 APLICACIÓN DEL MÓDULO SEGÚN LAS NECESIDADES DE LA ASIGNATURA

Los conceptos asociados a la inducción magnética en el programa de la asignatura campos electromagnéticos son los siguientes:

Ley de Faraday

Inductores e Inductancias

Ley de Ampere

Fuerza Electromotriz


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6.1.1 COMPONENTES PEDAGOGICAS Al utilizar este módulo los estudiantes estarán en capacidad de comprender mejor los temas relacionados con la transmisión de energía inalámbrica, por medio de la visualización e interacción con el módulo de inducción magnética, creando imágenes en el estudiante que ayudan a la comprensión de las componentes teóricas. Algunos de los objetivos que tiene el uso de este módulo son:

Manejar conceptos de electromagnetismo y con base en estos poder identificar los criterios a tener en cuenta en los procesos de evaluación, diseño y fabricación de equipos y/o sistemas eléctricos.

Comprender con ayuda de la visualización la transmisión de energía inalámbrica.

Conocer e identificar las razones por las cuales se pueden presentar condiciones de riesgo por efecto de campos eléctricos y magnéticos.

6.1.2 DEFINICIONES F.E.M. Inducida: Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado (31).

Acople Magnético: Se produce cuando el campo magnético de un objeto interactúa con un segundo objeto e induce una corriente eléctrica en ese objeto. De esta manera, la energía eléctrica puede ser transferida de una fuente de energía a otro elemento. El acoplamiento magnético no requiere ningún medio físico entre el objeto que genera la energía y el objeto que la recibe (32).

Factor de acoplamiento: Si el anillo receptor está a una cierta distancia del anillo transmisor, solo una cierta parte del flujo magnético generado por el anillo transmisor, influye sobre el receptor para generar transmisión de electricidad. Cuanto mayor flujo magnético alcance al receptor, mejor será el acoplamiento entre los anillos.

6.2 DISEÑO DEL MÓDULO DE INDUCCIÓN MAGNÉTICA Este módulo está orientado a la visualización e interacción con los temas relacionados con la inducción magnética, para lo cual el parámetro inicial del diseño fue una fuente de campo magnético de alta frecuencia, la cual genera el campo por medio de una bobina plana, una vez dimensionada la bobina se determinó el tamaño de la base, en la Figura 46 se muestra el diseño en 3D realizado en AutoCAD del módulo de inducción magnética.


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Figura 46 Diseño 3D en AutoCAD del módulo de inducción magnética.

Buscando darle mayor funcionalidad al módulo se integraron una serie de componentes que permiten interactuar con el mismo, como lo es un cargador para celular, motor DC, puente rectificador para la medición de tensiones y corrientes e indicación de inducción electromagnética por medio de Leds.

6.2.1 DISEÑO DE LA FUENTE DE CAMPO MAGNÉTICO El diseño de la fuente que alimenta el módulo de inducción magnética se realizó con base en el funcionamiento de un circuito resonante RL, que al ser alimentado con una fuente DC genera oscilaciones de tipo AC. La fuente está compuesta por un transistor TIC35C, al cual están restringido por una resistencia de 6 kΩ que limita la corriente de base en el transistor, adicionalmente se diseñó una bobina emisora plana de 40 espiras que al ser conectada al transistor hace oscilar la señal dc de la fuente generando así campo magnético. La energía que se produzca será inducida a unas bobinas receptoras que se ubicarán paralelas a la bobina primaria y a una distancia que será variable en un rango de 0 a 320 mm. En la Figura 47 se observa las dimensiones de la bobina emisora y el acrílico que evita que la bobina se mueva.


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Figura 47 Dimensiones bobina emisora y acrílico protector.

6.2.2 DISEÑO DE BOBINAS RECEPTORAS Con la finalidad de medir y verificar la transmisión de energía, se diseñan 3 bobinas receptoras de diferente número de espiras, con el fin de analizar tensiones y corrientes de salida de cada una a la misma distancia de la bobina emisora, a las cuales se les pueden conectar accesorios que permiten la visualización del fenómeno de la inducción electromagnética y a su vez instrumentos de medida como voltímetros y amperímetros, para lo cual los parámetro de diseño que se tuvieron en cuenta para las bobinas receptoras fueron el número de espiras y el diámetro, utilizando alambre esmaltado calibre 24. En la Figura 48 se muestran las bobinas receptoras con su respectivo número de espiras y su diámetro.

Figura 48 Bobinas receptoras.


69

6.2.3 DISEÑO DE LA BASE Para soportar la bobina primaria y darle robustez al módulo de inducción magnética, se diseñó una base cuadrada en teflón de 350 mm de lado y 8 mm de espesor, a la cual se le diseñaron 4 cubos de madera que la soportan, los cuales se aseguran por medio de tornillos y tuercas, también se le adiciono un acrílico que evita que la bobina se desenrolle. En la Figura 49 se observan las medidas de la base a implementar.

Figura 49 Dimensiones base módulo de inducción magnética.

6.2.4 DISEÑO DE ACCESORIOS COMPLEMENTARIOS Para realizar las correspondientes pruebas con el módulo, se diseñaron 4 accesorios modulares; rectificador, leds indicadores, cargador de celular y motor DC, que permiten la visualización del comportamiento del campo inducido por la bobina en relación a la distancia e igualmente facilitan la medición de las variables. Un ejemplo particular, es el caso del puente de rectificación que está compuesto por diodos de conmutación rápida, el cual es necesario para la medición de las tensiones y corrientes de salida inducidas. Para el caso de la visualización del comportamiento del módulo, tanto los leds indicadores como el motor muestran el grado de intensidad lumínica y velocidad (RPM), asociadas a la distancia entre la bobina emisora y receptora. Cada uno de estos accesorios tiene un par de conectores para su fácil ensamble y utilización.

6.3 CONSTRUCCIÓN Una vez diseñado y escogidos los materiales se comienza con la fabricación y ensamble del módulo, la cual empezó por la fuente de campo magnético, seguida de la base y el eje que soporta las bobinas receptoras, luego un soporte en acrílico para las 3 bobinas receptoras y por último los accesorios


70

complementarios para interactuar con el módulo. En la Figura 50 se observa el módulo de inducción magnética luego de su construcción.

Figura 50 Presentación final del módulo de inducción magnética.

6.3.1 FUENTE DE CAMPO MAGNÉTICO Para la fabricación de la fuente de campo magnético se utilizó un cargador de 12 Vdc fijos y 1,5 A, la cual alimenta el transistor TIC35C que hace oscilar la señal de voltaje a una frecuencia de 100 kHz con ayuda de la bobina primaria por medio de la carga y descarga de la misma, esta bobina primaria se hizo con un conductor dúplex calibre 18 dándole 40 espiras en total. En la Figura 51 se muestra la bobina emisora luego de su fabricación, a la bobina emisora se le puso un acrílico encima de calibre 3 mm y 260 mm de diámetro para evitar que se soltara y desenrollara.

Figura 51 Foto bobina emisora.


71

6.3.2 BOBINAS RECEPTORAS Para las 3 bobinas receptoras se utilizó alambre esmaltado calibre 24, quedando así:

Bobina de 90 espiras y 240 mm de diámetro



Una vez arrolladas, las bobinas se aseguraron en un disco de acrílico de 260 mm de diámetro. En la Figura 52 se observa el disco con las tres bobinas receptoras, cada bobina tiene dos bornes de conexión para facilitar la utilización.

Figura 52 Foto disco con bobinas receptoras.

6.3.3 BASE Y SOPORTE

Figura 53 Foto base y eje.


72

Para la creación de la base se utilizó una lámina cuadrada de acrílico blanco de 350 mm de lado y 80 mm de espesor, soportada por 4 cubos de madera de 50 mm de lado, además de la base, se realizó una guía para poder soportar la base de bobinas receptoras, para lo cual se utilizó una barra de empack blanco de 16 mm de diámetro y 360 mm de longitud, al que se le incrusto una esfera metálica cada 20 mm, que funciona como tope para las bobinas receptoras. En la Figura 53 se observa la base con su respectiva guía.

6.3.4 ACCESORIOS COMPLEMENTARIOS Una vez teniendo funcional el módulo de inducción magnética, se crean una serie de componentes que complementan el módulo, para lo cual se utiliza una baquelita universal para realizar los circuitos como puentes rectificadores con diodos rápidos, cargador inalámbrico para celular y diodos que indican inducción, además un motor DC al que se le puso un diodo en un pin de entrada para hacer que este girara, a todos los accesorios se les hizo extensiones de cable con terminaciones en banana para su fácil utilización, en la Figura 54 se observan los componentes fabricados.

Figura 54 Foto accesorios complementarios.

6.4 DATOS EXPERIMENTALES Con el modulo fabricado se realizan pruebas de funcionamiento energizando con 12 Vdc con el cargador que trae el módulo en su interior, a su vez se utilizó el puente rectificador con diodos de conmutación rápida y así poder tomar datos de tensiones y corrientes DC inducidas con un multímetro digital convencional, como carga se utilizó una resistencia de 680 Ω a 20 W para que el sistema demandara corriente. Para la medida de tensión se utilizó un multímetro de referencia UT-58A y para la corriente un UT-33C, los datos de tensión y corriente se tomaron cada 20 mm con respecto a la bobina emisora, en la Tabla 8 se muestran los datos tabulados luego del experimento.


73

Tabla 8 Datos experimentales módulo de inducción magnética

Bobina 80 Espiras 90 Espiras 20 Espiras

Distancia (cm) Tensión (V) I (mA) V(V) I (mA) Tensión (V) I (mA)

0 17,8 26,3 20,5 30,3 2,9 4,3

2 12,2 18 14,7 21,7 1,5 2,3

4 9,2 13,6 11,8 17,4 0,9 1,4

6 7,2 10,6 7,8 11,6 0,5 0,8

8 5,5 8,1 5,6 8,3 0,3 0,4

10 4,2 6,2 4,1 6,1 0,1 0,3

12 3,2 4,8 3,1 4,7 0,1 0,2

14 2,5 3,7 2,4 3,6 0,0544 0,08

16 1,83 2,71 1,88 2,79 0,0328 0,05

18 1,43 2,12 1,46 2,17 0,018 0,03

20 1,12 1,66 1,15 1,71 0,0088 0,01

22 0,9 1,3 0,92 1,37 0 0

24 0,71 1,05 0,73 1,09 0 0

26 0,56 0,83 0,58 0,87 0 0

28 0,45 0,66 0,47 0,49 0 0

30 0,35 0,53 0,37 0,56 0 0

6.5 CONCLUSIONES MÓDULO INDUCCIÓN MAGNÉTICA El módulo aporta a la comprensión de los temas relacionados con inducción magnética, ya que dependiendo de la ubicación (paralela, perpendicular) de la bobina receptora se induce o no energía, la cual se verifica por medio de leds que indican transmisión.

No fue posible realizar la medición del campo magnético producido por la bobina emisora, ya que la frecuencia del campo producido estaba fuera del rango de los instrumentos de medida con los que cuenta la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Este módulo está creado para la visualización de los efectos producidos por la inducción de energía que produce un campo magnético, de esta manera se busca crear en los estudiantes imágenes que luego puedan relacionar con la teoría aprendida.

No fue posible realizar simulaciones de este módulo debido a que la frecuencia utilizada en las simulaciones no permitía la compilación de las mismas, por lo cual no se agregan en este documento.

Con el uso del módulo se evidencio que las bobinas de mayor número de espiras y mayor diámetro son más eficientes en la recepción de la transmisión de energía inalámbrica, así mismo la distancia es inversamente proporcional al nivel de tensión y la corriente de salida en las receptoras


75

7. APLICACIÓN DE LOS MÓDULOS En este capítulo se documentan las pruebas realizadas con los estudiantes de la asignatura campos electromagnéticos y estudiantes de otras asignaturas del plan de estudio de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Con este capítulo se da cumplimiento al objetivo número 4 “Evaluar el aprendizaje de los conceptos de campos electromagnéticos por parte de los estudiantes de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, una vez desarrollado el banco didáctico, e implementadas las prácticas experimentales”, y se complementa el número 3, mediante la aplicación de las pruebas piloto del banco con los estudiantes. Al finalizar el capítulo se recopilan los resultados totales de la aplicación de las pruebas y del uso de los módulos y se da una conclusión de la aplicación de los mismos.

7.1 DESCRIPCIÓN DE LAS PRUEBAS Con el fin de establecer si el desarrollo de las prácticas con los módulos implementados en este proyecto ayuda a la comprensión de algunos fenómenos electromagnéticos, se llevaron a cabo los siguientes pasos: Para cada uno de los módulos se desarrolló un cuestionario con preguntas asociadas a los conceptos relacionados con cada módulo. Posteriormente, se realizó la práctica de laboratorio para cada uno de los módulos, la cual busca reforzar los conceptos preguntados con anterioridad, después de la práctica se repitió el cuestionario para verificar si los conceptos vistos fueron comprendidos de mejor manera con el uso de los diferentes módulos.

7.2 PRUEBA MODULO CIRCUITO MAGNÉTICO Para este módulo se desarrolló un cuestionario que consta de 5 preguntas que comprenden los temas básicos relacionados con los circuitos magnéticos, tales como flujo y campo magnético producido en diferentes materiales y por diferentes configuraciones de bobinas. En la Figura 55 se observa el cuestionario.


76

Figura 55 Consulta circuitos magnéticos (ANEXO 11)


77

7.2.1 CUESTIONARIO PREVIO A LA PRÁCTICA Durante los semestres 2016-1 y 2016-3 se desarrollaron las pruebas del módulo aplicando la metodología cuestionario – práctica – cuestionario. Estas se llevaron a cabo en el curso de conversión electromagnética del plan de estudios de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas a dos grupos de conversión electromagnética, los cuales ya habían cursado y aprobado la asignatura campos electromagnéticos. A partir de estas respuestas, en el Anexo 3 se evidencia que esta muestra de estudiantes tiene conceptos variados en cuanto a los fenómenos incluidos en el cuestionario, acertando la mayoría de las respuestas a las preguntas; sin embargo, en la justificación de las mismas se evidenció que no tenían claridad del porqué de los fenómenos o simplemente se limitaron a no justificar las respuestas.

7.2.2 PRÁCTICA DE LABORATORIO La práctica de laboratorio, cuyos resultados se encuentran en el Anexo 3, se llevó a cabo con los dos grupos de estudiantes anteriormente descritos siguiendo la metodología siguiente:

- Durante la introducción a la práctica se da a conocer el manual de operación (Anexo 4), las medidas de seguridad, y las especificaciones técnicas de los materiales y componentes.

- La segunda parte de la práctica corresponde al montaje y ensamble del módulo, con la primera configuración de núcleo y de bobinas que se plantea en la práctica a de la guía de laboratorio (Anexo 5). Las mediciones y los datos se dan brindado acompañamiento a los estudiantes a modo de explicación del uso y funcionamiento del módulo.

- Se realizan los cálculos necesarios en conjunto con los estudiantes y se consignan los mismos en las tablas destinadas para tal fin dentro de la guía de laboratorio, y con esto termina la fase de inducción y explicación de la práctica.

- Los estudiantes desarrollan de manera autónoma los puntos restantes de la práctica.

- Los estudiantes concluyen y realizan sus comentarios en los espacios destinados para tal fin.

7.2.3 CUESTIONARIO POSTERIOR A LA PRÁCTICA Después de la práctica de laboratorio, se realizó nuevamente el cuestionario, con lo que se espera que sus respuestas cambien a las correctas o que la justificación de las respuestas tenga fundamentos verdaderos basados en la experiencia obtenida con la práctica desarrollada.

Estos resultados muestran que los estudiantes, luego de ver e interactuar con los fenómenos, se dan cuenta de sus errores y también recuerdan los conceptos vistos en clase y pueden describirlos correctamente, Anexo 3.

En el módulo de Circuitos magnéticos se obtuvieron los siguientes resultados antes y después del uso del módulo:


78

Figura 56 Resultados prueba circuitos magnéticos antes y después de la práctica

El modulo fue usado como apoyo en un laboratorio de la asignatura Circuitos Eléctricos 2. Este laboratorio fue ejecutado con el apoyo y asesoría del docente de dicha asignatura durante el periodo 2015-3 y se enfocó al tema de circuitos magnéticos y fundamentos de transformadores. Durante esta práctica participaron 20 estudiantes, los cuales mostraron bastante interés al ver que podían interactuar con los elementos. El resultado final de esta práctica fue la entrega de un informe de laboratorio al docente (Anexo 6), y en el cual los estudiantes plasmaron su experiencia con el modulo y sus propias conclusiones de los resultados obtenidos con el mismo.

7.3 PRUEBA MODULO POTENCIAL ELÉCTRICO Para este módulo se desarrolló un cuestionario de 6 preguntas que comprenden los temas

relacionados con potencial eléctrico y campo eléctrico. En la

Figura 57 se observa el cuestionario utilizado.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

Correctas Erradas No sabe/Noresponde

Antes de la practica 60% 36% 4%

Despues de la practica 90% 10% 0%

Total de respuestas : 80


79

Figura 57 Consulta potencial eléctrico (ANEXO 11)

7.3.1 CUESTIONARIO PREVIO A LA PRÁCTICA Durante el semestre 2016-3, se desarrollaron las pruebas descritas en el numeral anterior, en esta ocasión las pruebas fueros desarrolladas con los estudiantes de la asignatura Transporte de energía eléctrica, del plan de estudios de Ingeniería eléctrica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, los cuales ya habían cursado la asignatura campos electromagnéticos. Para esta práctica participaron 17 estudiantes, obteniendo los resultados descritos en el Anexo 3.

Con estos resultados se observa que los estudiantes conocen algunos de los conceptos, pero no conocen el por qué o de donde salen las respuestas que presentan, así como también se puede ver que pueden representar fácilmente un gráfico del comportamiento de las líneas de campo y de las líneas de potencial de un sistema sencillo (placas paralelas), pero no tienen la capacidad de representar un sistema de mayor complejidad (cilindro – cilindro). Adicionalmente, la respuesta 6 evidencia que los estudiantes sienten una necesidad de llevar a la práctica los conceptos aprendidos en clase.


80

7.3.2 PRÁCTICA DE LABORATORIO La práctica de laboratorio se llevó a cabo en dos grupos diferentes de clase abarcando el total de los 17 estudiantes descritos anteriormente, con la siguiente metodología:


- La segunda parte de la práctica comprende el llenado del módulo con el alcohol incluido en el módulo y la preparación de los elementos de medición y la fuente de tensión que se va a utilizar para llevar a cabo la práctica.

- A continuación, se procedió a polarizar las placas paralelas del módulo como lo indica la guía de laboratorio (Anexo 8) y se desarrolló la primera práctica asesorando a los estudiantes en la toma de datos y el uso del módulo.

- Se realizan los cálculos necesarios en conjunto con los estudiantes y se consignan los mismos en las tablas destinadas para tal fin dentro de la guía de laboratorio. Se realizan las gráficas necesarias y con esto termina la fase de inducción y explicación de la práctica.

- Los estudiantes desarrollan de manera autónoma los puntos restantes de la práctica.


7.3.3 CUESTIONARIO POSTERIOR A LA PRÁCTICA Posterior al desarrollo de la práctica de laboratorio, se aplicó nuevamente el cuestionario con el fin de verificar si las respuestas cambiaron y si la justificación de las respuestas tiene fundamentos verdaderos basados en la experiencia obtenida con la práctica desarrollada, así como verificar si la percepción grafica de los resultados obtenidos es correcta. Luego de llevar a cabo nuevamente el cuestionario se obtuvieron los resultados descritos en el Anexo 3.

Estos datos indican un 100% de respuestas correctas, así como la correcta interpretación de la parte gráfica, esto puede ocurrir debido a que los estudiantes acababan de ver el funcionamiento y de interactuar con el modulo.

En el módulo de potencial eléctrico se obtuvieron los siguientes resultados antes y después del uso del módulo:


81

Figura 58 Resultados prueba potencial eléctrico antes y después de la práctica

7.4 PRUEBA MODULO INDUCCIÓN MAGNÉTICA Para este módulo se desarrolló un cuestionario el cual consta de 6 preguntas que buscan identificar los conocimientos sobre la transmisión inalámbrica de energía eléctrica. En la Figura 59 se observa el cuestionario utilizado.

7.4.1 CUESTIONARIO PREVIO A LA PRÁCTICA Durante el semestre 2016-3, se desarrollaron las pruebas descritas en el numeral anterior, en esta ocasión las pruebas fueros desarrolladas con los estudiantes de la asignatura Transporte de energía eléctrica, del plan de estudios de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, los cuales ya habían cursado la asignatura campos electromagnéticos. Para esta práctica participaron 12 estudiantes, obteniendo los resultados mostrados en el Anexo 3.

Estos resultados muestran para la pregunta 1, que solo tres de los estudiantes respondieron adecuadamente, los restantes 9 estudiantes no contestaron o no respondieron correctamente a esta pregunta.

La pregunta 2 tiene respuestas correctas, donde los estudiantes no toman en cuenta el hecho de que la inducción electromagnética no necesita ni se ve afectada por los medios físicos en que se encuentre, a menos que estos sean diseñados para el efecto contrario.

En la pregunta 3, 8 de los estudiantes afirman que la tensión de salida sí se verá afectada, pero no explican claramente su respuesta, dos estudiantes no dan respuesta y dos estudiantes responden de forma negativa al cuestionamiento. Algo similar ocurre con las respuestas a las preguntas 4 y 5. Esto muestra que la concepción del grupo evaluado es uniforme pero no se tiene una clara justificación de las respuestas.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%



Después de la practica 100% 0% 0%



82

Finalmente, en la pregunta 6 todos los estudiantes respondieron que tener un medio para visualizar e interactuar con algunos de los efectos del electromagnetismo, facilitaría la comprensión y el aprendizaje de los diferentes conceptos estudiados.

Figura 59 Consulta inducción magnética (ANEXO 11)

7.4.2 PRÁCTICA DE LABORATORIO La práctica de laboratorio se llevó a cabo en dos grupos diferentes de clase abarcando el total de los 12 estudiantes descritos anteriormente, siguiendo esta metodología:


- Se procedió a realizar el ensamble de la base y a energizar el módulo según la guía práctica (Anexo 10).

- Posteriormente se ubicaron las diferentes bobinas receptoras y se verificó la presencia de tensión en las mismas con ayuda de las diferentes herramientas incluidas en el módulo y se dio explicación a los fenómenos presentados y a sus diferentes causas.


83

- Se ubicó el motor dc en todas las bobinas para apreciar en cual se podía inducir tensión a mayor distancia.

- Luego se conectaron leds para evidenciar la presencia de tensión; además, las bobinas receptoras se ubicaron debajo de la mesa para que los estudiantes vieran que el efecto se produce en diferentes direcciones y no solo al utilizar la guía.

- Finalmente se presenta una aplicación práctica de la transmisión inalámbrica de energía, la cual fue utilizar el modulo como un cargador para teléfono celular, con lo cual la práctica se dio por finalizada.


7.4.3 CUESTIONARIO POSTERIOR A LA PRÁCTICA Al finalizar la práctica de laboratorio se procedió a realizar nuevamente el cuestionario para verificar la percepción de los estudiantes basados en la experiencia obtenida. Luego de llevar a cabo nuevamente el cuestionario se obtuvieron los resultados descritos en el Anexo 3.

Los resultados, como en los casos anteriores, evidencian una unificación de criterios y un aumento de respuestas y justificaciones correctas, excepto para la pregunta 3, en la cual 4 estudiantes que en principio dieron una respuesta positiva la cambiaron a negativa.

En el módulo de inducción magnética se obtuvieron los siguientes resultados antes y después del uso del módulo:

Figura 60 Resultados prueba inducción magnética antes y después de la práctica

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%






84

7.5 CONCLUSIÓNES DE LA APLICACIÓN DE LOS CUESTIONARIOS En estos cuestionarios se puede apreciar un cambio en las respuestas de los estudiantes y una percepción más evidente de los conceptos en los fundamentos en los que basan sus respuestas indicando una notable mejora en la apreciación de los conceptos y el porqué de los fenómenos allí cuestionados y explicados por los estudiantes.

Ya que los conceptos son recientes y los estudiantes los tienen fijos en su mente durante este corto espacio de tiempo los resultados obtenidos son los esperados, pero como ejercicio adicional sería interesante repetir el cuestionario nuevamente en un lapso de tiempo mayor y así poder evaluar no solo el aprendizaje sino la fijación del concepto en la mente de estos estudiantes, lo cual se sale del alcance de este trabajo.

La Figura 61 muestra los resultados totales de la aplicación de todos los módulos y se evidencia una alta mejoría en el número de respuestas correctas de los estudiantes luego de utilizar cada uno de los módulos.

Figura 61 Resultados totales antes y después del uso de los módulos

Antes de usar los módulos el 45% de respuestas fue correcta y luego de realizar los diferentes laboratorios utilizando el banco didáctico desarrollado en este trabajo esta cifra aumento al 95% de respuestas correctas. Esto evidencia que el uso del banco sí ayudo en el aprendizaje de los diferentes conceptos de campos electromagnéticos. Adicionalmente, se recibieron buenos comentarios por parte de los estudiantes que dan muestra de la aceptación de este tipo de herramientas.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%





85

8 CONCLUSIONES El banco didáctico es una herramienta de apoyo enfocada en la experimentación, la cual permite interactuar con fenómenos del electromagnetismo tales como flujo magnético, campo magnético, campo eléctrico, potencial eléctrico, inducción electromagnética entre otras variables, ayudando de esta manera a la comprensión de las temáticas vistas en las aulas de clase.

Las ayudas experimentales y visuales aportan al entendimiento de los conceptos del electromagnetismo que se ven en clases teóricas, aportando a la formación de los estudiantes y desarrollando la parte práctica que es tan importante para los ingenieros.

Las simulaciones realizadas permitieron observar el comportamiento de cada módulo antes de su construcción, esto con el fin de poder determinar el funcionamiento y datos esperados de cada uno de los módulos evitando errores en el diseño.

Luego de aplicar los diferentes cuestionarios, se pudo evidenciar que existe una necesidad de crear herramientas que ayuden a los estudiantes a visualizar y a interactuar con los diferentes fenómenos del electromagnetismo para comprender sus conceptos y facilitar su comprensión, como se logró luego de utilizar los diferentes módulos desarrollados.

Durante la ejecución de los laboratorios, se pudo ver que el uso de este tipo de herramientas crea interés por parte de los estudiantes. Incluso, en varias ocasiones ellos mismos desarrollaron la práctica sin necesidad de más explicaciones y obtuvieron las respuestas a las preguntas a través de la interacción con los diversos fenómenos.

El banco didáctico tiene la versatilidad de ser utilizado en diferentes asignaturas que involucran temáticas relacionadas con el electromagnetismo, como lo son circuitos eléctricos, campos electromagnéticos, conversión electromagnética, transporte de energía, apoyando de manera didáctica la enseñanza.

Las nociones de los estudiantes de los diferentes conceptos del electromagnetismo no son precisas aun cuando la asignatura ha sido cursada y aprobada con anterioridad, por lo que se busca que por medio de la experimentación se cree un recuerdo empírico que lleve a fortalecer el conocimiento teórico que se tiene de los diferentes temas del electromagnetismo.

El alto interés mostrado por los estudiantes en que la asignatura campos electromagnéticos contenga una componente práctica, se puede tomar como una muestra de inconformidad con el programa actual de la asignatura, e invita a replantearla y a buscar nuevas herramientas para el desarrollo de la misma.

El banco didáctico en principio estaba diseñado solamente para ser implementado en la asignatura de campos electromagnéticos, pero en el transcurso del diseño e implementación se determinó que los módulos se pueden utilizar en otras asignaturas como circuitos eléctricos, conversión electromagnética, física eléctrica entre otras asignaturas que tengan relación con la teoría electromagnética.


87

9 TRABAJOS FUTUROS Y RECOMENDACIONES

Se propone que en trabajos futuros se adicionen nuevos módulos al banco didáctico y de esta forma

crear una herramienta más completa como apoyo al aprendizaje, a su vez se recomienda trabajar

en los módulos ya creados para su mejoramiento y perfeccionamiento, por medio de nuevos

materiales, hallando nuevos efectos que se puedan experimentar y planteando nuevas prácticas,

para así poder utilizar todo el potencial y la versatilidad que este tipo de herramientas pueden

presentar.


89

10 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Students’, ideas about the source of magnetic field. GUISASOLA, J., ALMUDÍ, J.M. y CEBERIO, M.

1999, Proceedings of the Second International Conference of the European Science Education

Research Association (ESERA)., págs. 89-91.

2. Diseño de una propuesta para el proceso de enseñanza-aprendizaje del electromagnetismo.

Toribio, L. A., & Andrade, R. M. 7, 2009, Tecnología y desarrollo.

3. Teaching of Electromagnetics Theory at Kolej Universiti Teknikal. Mariam, C. K. Gan and M. G.

Johor Bahru, Johor, MALAYSIA : IEEE, 2005. págs. 175-178.

4. Concepciones previas en el aprendizaje significativo del electromagnetismo. P. A. Fontdevila,

Leonor Colombo de Cudmani. 3, 1990, Enseñanza de ciencias, Vol. 8, págs. 215-222.

5. La Física del profesor entre la Física del físico y la Fisica del alumno. Halbwachs. 2, 1985,

Enseñanza de la fisica, Vol. 1.

6. Algunos aspectos psicológicos de la estructura del conocimiento. AUSUBEL, D. Illinois : s.n.,

1973. Recopilacion Simposio Phi Delta Kappa.

7. D., Kolb A.- Kolb. Experiential Learning Theory: A Dynamic, Holistic Approach to Management

Learning, Education and Development. [aut. libro] S. J. & Fukami, C. Armstrong. Handbook of

Management Learning, Education and Development. Londres : Sage Publications, 2008.

8. secuencia de enseñanza sobre electromagnetismo. SAHELICES, MENESES VILLAGRÁ y

CABALLERO. 3, 1995, Enseñanza de las ciencias, Vol. 8, págs. 36-45.

9. Valverde, Rafael Lopez. Historia del electromagnetismo.

10. Mckeehan, L.W. Magnetismo. s.l. : Van Nostrand Momentum, 1971.

11. Bernal, J.D. La proyección del hombre historia de la fisica clasica. s.l. : Siglo XXI, 1975.

12. Cazenobe, J. ¿Fue Maxwell precursor de Hertz? s.l. : Mundo Cientifico,40, 1984.

13. Bocanegra, J.M. Ciencia y Sociedad en el Siglo XIX. Málaga : Cep Málaga, 1997.

14. Taton, R. Historia General de las Ciencias. s.l. : Orbis, 1988.

15. Macro‐micro relationships: the missing link between electrostatics and electrodynamics in

students’ reasoning. Eylon, B. S., & Ganiel‡, U. 1, 1990, International Journal of Science Education,

Vol. 12, págs. 79-94.


90

16. "What is electric potential? Connecting Alessandro Volta and contemporary students".

Steinberg, M. S. 1992, Proceedings of the Second International Conference on the History and

Philosophy of Science and Science Teaching., Vol. 2, págs. 473-480.

17. "Research on students' conceptions-developments and trends.". Duit, Reinders. Ithaca, NY :

s.n., 1993. The Proceedings of the Third International Seminar on Misconceptions and Educational

Strategies in Science and Mathematics.

18. Furió, C y Guisasola, J. 3, 1999, Enseñanza de las Ciencias, Vol. 17, págs. 441-452.

19. Greca, I.M y Moreira, M.A. 2, 1998, Enseñanza de las Ciencias, Vol. 16, págs. 289-303.

20. Sadiku, Matthew N.O:. Elementos de electromagnetismo. Mexico : Oxford University Press,

2003.

21. Universidad de Cordoba. Grupo de investigacion de ingenieria electrica. [En línea]

http://www.uco.es/grupos/giie/cirweb/teoria/tema_11/tema_11_10.pdf.

22. Universidad de Vigo. Curso multimedia de electromagnetismo. [En línea] 02 de Marzo de 2012.

http://quintans.webs.uvigo.es/recursos/Web_electromagnetismo/electromagnetismo_circuitosma

gneticos.htm#Reluctancia.

23. Singer, Francisco L. Transformadores.

24. Sumitec. Acero grado maquinaria. Lima- Costa Rica : s.n.

25. PALACIO, DIANA MARCELA POSSO. ESTADO DEL ARTE DE LOS SUPERCONDUCTORES

ELECTRICOS Y SUS APLICACIONES. Santiago de Cali : s.n., 2010.

26. Rodriguez, Felipe Diaz del Castillo. Lecturas de ingenieria 24 Otras aleaciones. CUAUTITLÁN :

s.n., 2016.

27. ELAPLAS. PTFE Politetrafluoroetileno. Barcelona : s.n., 2016.

28. Fernandez, Juan C. Electromagnestismo 2004. Buenos aires : Universidad de Buenos Aires,

2004.

29. Universidad Politécnica de Madrid. Universidad Politécnica de Madrid (UPM). [En línea]

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/electro/campo_electr.html.

30. NAIDU, MS. HIGH VOLTAGE ENGINEERING.

31. Grey, Alexandre y Wallace. Electrotécnia,Fundamentos teóricos y aplicaciones prácticas.


91

32. Barcelona, Escola politècnica Superior d'edificació de. PRINCIPIOS BASICOS DE LA

TRANSMISIÓN INALAMBRICA DE ENERGÍA Y FORMULAS DE DESARROLLO. Barcelona : s.n.

33. Velazco, S y Salinas J. 3, 2001, Rev. Bras. Ens. Fis , Vol. 23.

34. Aportaciones de la didáctica de las ciencias y la historia de las ciencias a la enseñanza y el

aprendizaje del electromagnetismo. Solbes, J., Pomer, F. y Tarin, F. 1997, Didáctica de las Ciencias

Experimentales y Sociales., págs. 63-75.

35. Silva, Marco. Educación interactiva enseñanza y aprendizaje presencial y online. Barcelona :

Gedisa, 2005.

36. Santaella, Lucia. Navegar no ciberespaço: o perfil cognitivo do leitor imersivo. . s.l. : Paulus,

2004.

37. Aprendizaje, experiencia de trabajo y tecnología: el actor como sujeto de su práctica

productiva. Rojas, Eduardo. 1997, Pensamiento Iberoamericano: Revista de Economía Política,

págs. 247-304.

38. Plonus, Martin A. Electromagnetismo aplicado. s.l. : Reverte, 1994.

39. Pereyra Talamantes, Margarita. Relevancia de las matemáticas en el electromagnetismo.

Mexico D.F. : s.n., 2007.

40. Miñarro, Joaquin Recio. Quimica web. [En línea] 8 de Julio de 2014. [Citado el: 5 de Marzo de

2016.] http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema9/tema9.html.

41. Marino, Roberto Aparici. Conectados en el ciberespacio. Madrid : Editorial UNED, 2010.

42. Marín Hortelano, María Dolores y Ruiz Rojas, Manuel. Interacción electromagnética. Murcia :

s.n., págs. 22-35.

43. María Mercedes Pintos Barral, Juan M. Ruso. Introducción al electromagnetismo. s.l. :

Universidad de Santiago de Compostela, 2008.

44. Litwin, Edith. Las configuraciones didácticas . Buenos Aires : Paidós, 1997.

45. KUHN, T. La estructura de las revoluciones científica. Breviarios. México : Ediciones del Fondo

de Cultura Económica, 1962.

46. J., DEWEY. Democracia y educación. Una introducción a la filosofía de la educación. Madrid :

Morata, 1995.


92

47. DIFICULTADES DE APRENDIZAJE DE LOS ESTUDIANTES UNIVERSITARIOS EN LA TEORÍA DEL

CAMPO MAGNÉTICO Y ELECCIÓN DE LOS OBJETIVOS DE ENSEÑANZA. GUISASOLA, J., ALMUDÍ,

J.M. y ZUBIMENDI, J.L. 1, 2003, Enseñanza de las ciencias, Vol. 21, págs. 79-94.

48. Modelo de aprendizaje experiencial de Kolb aplicado a laboratorios virtuales en Ingeniería en

Electrónica. González, Mónica L., Marchueta, Julián, Vilche, Ernesto A. Buenos Aires : s.n., 2011. I

Jornadas Nacionales de TIC e Innovación en el Aula.

49. García, José Ramón Menéndez. Conceptos de electromagnetismo. Oviedo : Universidad de

Oviedo, 1999.

50. Cheng, David K. Fundamentos de electromagnetismo para ingeniería. Atlacolmuco : Pearson

Educación, 1998.

51. Castro, Pablo Valdés. Fisica. La Habana : Editorial Pueblo y Educación, 2013.

52. ARTEAGA, EDWIN GERMAN GARCIA. LAS PRÁCTICAS EXPERIMENTALES EN LOS TEXTOS Y SU

INFLUENCIA EN EL APRENDIZAJE. Barcelona : s.n., 2011.

53. Pedagogía de la interactividad. Aparici Marino, R., & Silva, M. 2012, Comunicar, Vol. 38.

54. La visualización de conceptos matemáticos y el aprendizaje del electromagnetismo. Alvarez,

Teresa. 1, 2010, Latin-American Journal of Physics Education , Vol. 4, pág. 143.

55. Universitat Politècnica de Catalunya. Portal del coneixement obert de la UPC. [En línea]

[Citado el: 1 de Marzo de 2016.] http://upcommons.upc.edu/.

56. Internationale Gesellschaft für Elektrosmog-Forschung IGEF. [En línea] IGEF. [Citado el: 04 de

11 de 2014.] http://www.elektrosmog.com/espa%C3%B1ol/qu%C3%A9-son-los-campos-

electromagn%C3%A9ticos-cem/.

57. Universidad Autónoma de Guadalajara A.C. Campus Digital. [En línea] Universidad

Autónoma de Guadalajara A.C. [Citado el: 15 de Marzo de 2016.]

http://genesis.uag.mx/edmedia/material/fisicaII/electromagnetismo.cfm.

58. Dios Otín, Federico. Campos Electromanéticos. Barcelona : Edicions UPC, 1998.

59. Universidad Tecnologica de Pereira. Cobre. [En línea]

http://www.utp.edu.co/~publio17/cobre.htm.


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95

11 ANEXOS

Anexo 1 - Informe de encuesta transporte 2016.3

Anexo 2 - Datos cuestionario

Anexo 3 - Resultados cuestionarios módulos

Anexo 4 - MANUAL DE OPERACIÓN MODULO CTOS MAGNETICOS

Anexo 5 - PRACTICA CIRCUITOS MAGNÉTICOS

Anexo 6 - Laboratorio final circuitos 2

Anexo 7 - MANUAL DE OPERACIÓN MODULO POTENCIAL ELECTRICO

Anexo 8 - PRACTICA POTENCIAL ELECTRICO

Anexo 9 - MANUAL DE OPERACIÓN MODULO INDUCCIÓN MAGNETICA

Anexo 10 - Practica inducción magnética

Anexo 11 – Cuestionarios asociados a las practicas

banco didÁctico para campos electromagnÉticos

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