Fig. 1:Com estan constituïts aquests imants de nevera des del punt de vista magnètic?
|
| Fig. 1:Com estan constituïts aquests imants de nevera des del punt de vista magnètic? |
Entre el professorat hi ha un acord bastant acceptat pel que fa a la conveniència d’iniciar els estudiants de secundària en la investigació científica de fenòmens físics, com un apropament a la metodologia científica. En els darrers anys han aparegut projectes educatius que donen especial atenció a aquest aspecte. De tota manera la investigació fa temps que està present en les aules de ciències, però l’aspecte que, normalment, queda més negligit és el de l’elaboració d’hipòtesis i la seva contrastació.
En aquest treball mostrem una activitat que es centra en aquest
aspecte de la investigació. El rerafons didàctic es basa en l’anomenada
investigació guiada, en la qual l’estudiant actua com aprenent de científic
guiat pel professor que actua com a científic expert. La feina del professor
és la de suggerir, en el moment oportú, possibles camins o dificultats,
per tal que sigui l’alumne qui realment trobi la solució del problema
sense necessitat de cenyir-se a un esquema preestablert.
Penso que no s’arriba al coneixement científic aplicant un procediment
inductiu, sinó mitjançant un mètode amb què intentem
donar resposta a problemes que ens plantegem, contrastant-la amb les dades experimentals.
Model que s’acosta més a l’activitat habitual del científic. S’han
suggerit diversos models metodològics per realitzar una investigació.
Si bé els models són lleugerament diferents segons l’autor, hi
ha un esquema més o menys comú. Darrerament, la majoria d’ells
donen una gran importància a la contextualització del problema
i que aquest sigui el més proper a la vida diària dels alumnes.
D’altra banda, és habitual que el professorat proposi diverses activitats
que abasten alguns aspectes de l’activitat de recerca científica. És
poc corrent, però, que els estudiants realitzin activitats d’investigació
en les quals passin per totes i cada una de les etapes de l’esquema general
d’una investigació científica, excepte quan fan el crèdit
de síntesi o el treball de recerca al final de l’etapa. De manera parcial,
sí que els estudiants fan activitats de recerca. Més concretament,
solen fer activitats experimentals (de laboratori), l’objectiu de les quals
és, bàsicament, comprovar una llei ja coneguda i estudiada anteriorment
a classe. Però rarament fan activitats en què hagin d’elaborar
hipòtesis, contrastar-les amb experiments i, en funció del resultat,
reelaborar una nova hipòtesi.
L’activitat que presentem a continuació consisteix a saber com estan
constituïts els imants de nevera des del punt de vista magnètic.
 |
| Fig. 2: A l’esquerra hi representem un imant en forma de barreta, la fletxa indica la direcció de la seva magnetització. A la dreta un imant de nevera i una primera hipòtesi de com estaria orientat el seu camp magnètic; la cara superior seria el pol nord i la cara inferior seria un pol sud. |
Realitzem l’activitat de manera que els alumnes disposin de
diversos imants de nevera com els de la figura 1(els podem demanar que els portin
de casa). És important, però, que com a mínim n’hi hagi
dos d’iguals. Quan tenen els imants sobre la taula llancem, sense més
ni més, la pregunta (presentació de la situació problemàtica)
“com estan fets els imants de nevera?”. Primer els alumnes fan cara de sorpresa,
però reaccionen ràpidament i de seguida suggereixen una o dues
possibilitats. Això sí, sense ni mirar-se els imants que, en definitiva,
són l’objecte d’estudi.
La primera hipòtesi que fan és considerar que
l’imant de nevera és com un imant de barreta, però extremadament
curt. Un cop elaborada la hipòtesi s’ha de comprovar.
Els imants en forma de barra estan imantats en la direcció del seu eix,
tal i com s’indica a la Figura 2. La cara superior és un pol magnètic
i la inferior l’altre pol magnètic (nord i sud, per exemple). Sabem,
millor ho comprovem, que l’imant atrau un objecte de ferro quan l’acostem a
un dels seus pols (qualsevol d’ells, l’efecte és el mateix si l’apropem
al pol nord que si l’apropem al pol sud). Però l’atracció és
molt menor (gairebé inapreuable en algun imant) quan l’acostem a les
cares laterals, sobretot si ho fem pel seu centre. Si l’imant de nevera fos
com un imant de barreta però molt curt, s’hauria d’enganxar a la nevera
tant si el posem per una cara com si el posem tocant per la cara oposada. Però,
si ho fem (a classe no tenim cap nevera, però podem utilitzar les potes
de les taules que, habitualment són de ferro), observem que això
no passa, només s’enganxa per una cara. Això vol dir que el model
(la nostra hipòtesi) no és adequat, ja que no explica satisfactòriament
els experiments que fem.
La segona hipòtesi que fan els alumnes és (està esquematitzada a la Figura 3.) suposar que l’imant de nevera està magnetitzat en la direcció
 |
| Fig. 3: Imant de barreta i una altra possible manera de com estaria dirigit el camp magnètic produït per un imant de nevera. |
perpendicular a la que hem considerat en la hipòtesi
anterior. Aquesta nova hipòtesi no és gratuïta ja que podem
comprovar que un imant de barreta queda enganxat sobre una nevera (o la pota
d’una taula) si el posem longitudinalment. Però aquesta segona hipòtesi
tampoc supera un parell de proves senzilles. Si l’imant de nevera fos tal com
suposem, s’hauria d’enganxar per les dues cares; cosa que, realment, no passa.
A més, quan apropéssim una de les seves cares laterals (les més
primes) a la nevera hauríem de notar una atracció relativament
intensa, ja que aquestes cares serien un pol magnètic que és la
regió on el camp magnètic creat per l’imant és més
intens. Cosa que tampoc observem.
Així doncs, les dues hipòtesis donades de manera
bastant intuïtiva, sense pensar gaire en el problema, no expliquen els
fenòmens observats. Aquestes hipòtesis estan molt poc elaborades,
gens podem dir, i es basen en la generalització de propietats d’objectes
coneguts: els imants de barreta (que són els imants més senzills
des del punt de vista geomètric) que són ben coneguts pels estudiants,
els quals, segurament, hi han jugat alguna vegada anteriorment.
En aquests moment “no se’ns acut res” és la frase més repetida pels alumnes. Per tant “necessitem fer alguna cosa” per provocar l’elaboració d’una nova hipòtesi. Fins aquí el paper del professor ha estat el de suggerir proves per comprovar (i refutar) les primeres hipòtesis. Ara el seu paper canvia. El professor pot suggerir als alumnes que diguin quines formes d’imant coneixen; lògicament sortiran dos tipus d’imants: el que té forma de barreta i el de ferradura. Proposem que comparin les seves propietats, analogies i diferències (haurem de portar a classe uns quants imants d’aquestes formes). Una de les diferències més notables és que l’imant de barreta “s’enganxa pels dos costats” mentre que l’imant de ferradura “només s’enganxa per un costat”. El lector, segurament entendrà què volen dir aquestes expressions.
 |
| Fig. 4: Fotografies dels espectres magnètics d’un imant de barreta i d’un imant de ferradura, situats perpendicularment a la superfície on estan col•locades les partícules de tòner. |
És interessant que abans de suggerir una altra hipòtesi,
els alumnes coneguin una mica millor el sistema que han d’explicar. Això
vol dir que els alumnes agafin un parell d’imants de nevera i hi “juguin” una
mica, mirant per quin costat s’enganxa, per quin no s’enganxa, etc. Recordem
que els imants de nevera només s’enganxen per una cara. Per tant podem
dir que només una cara està imantada. Fet que pot sorprendre inicialment,
ja que tots els imants que coneixem tenen dos pols i s’enganxen al ferro per
dues cares. Afegim que l’Electromagnetisme avançat demostra que no poden
existir pols magnètics aïllats, si hi ha un pol nord necessàriament
ha d’haver un pol sud. A més, les vores dels imants de nevera no atrauen
els objectes de ferro.
Seguim jugant. Quan apropem dos imants de nevera per les cares imantades, a
partir d’una certa distància notem que s’atrauen i, si els deixem anar,
s’enganxen. Un cop enganxats els imants, el professor pot suggerir (si no se’ls
acut als alumnes), de desplaçar els dos imants un sobre l’altre, lentament,
d’una manera similar de quan ens freguem les mans. Primer en una direcció
i després en la direcció perpendicular. Observarem un fenomen
curiós. El desplaçament dels imants és a salts, no es fa
de forma contínua tal i com llisca un llibre sobre la taula. És
més, el desplaçament és tant a sotragades què no
podem fixar els imants en qualsevol posició, tot sols s’escapen. Hi ha
posicions en que no podem mantenir els imants, semblen posicions prohibides.
Si girem els imants i els desplacem per les cares no imantades llisquen fàcilment,
com si no fossin imants. Tampoc notem salts si apropem una cara imantada a una
que no ho està, simplement queden enganxats i prou. Per fer aquest experiment
és millor utilitzar dos imants iguals. Els flexibles de propaganda van
molt bé.
Després d’aquesta activitat per conèixer millor el sistema que
volem explicar, és possible que els alumnes suggereixin alguna altra
hipòtesi. Segurament, la nova hipòtesi estarà basada en
l’imant de ferradura. L’imant de nevera no pot ser un únic imant de ferradura
molt pla, ja que, suposant que fos així, en apropar dos imants d’aquest
tipus s’atraurien i quedarien enganxats, o bé es produiria un desplaçament
de manera que, també, quedarien enganxats els pols oposats de cada un
dels imants.
Un aspecte que pot ajudar a donar un model de com estant constituïts els
imants de nevera és tenir una imatge de com és el camp magnètic
que creen. El camp magnètic produït per un imant no es pot veure,
evidentment, però els espectres magnètics ajuden a fer-se una
idea de com es distribueix a l’espai. Habitualment, els espectres magnètics
es fan amb llimadures de ferro espolsades sobre cartolina, les llimadures s’agrupen
de manera que sobre la cartolina es formen unes línies que corresponen
a les línies del camp magnètic. Es fa servir la cartolina per
evitar que les llimadures de ferro s’enganxin a l’imant ja que costa molt de
desenganxar-les.
Podeu fer els espectres magnètic d’un imant amb tòner
de fotocopiadora o d’impressora làser. Les partícules del tòner
són més petites que les llimadures de ferro i els resultats són
molt millors, això ens permet poder fer un espectre dels imants de nevera.
Amb llimadures de ferro és gairebé impossible. L’inconvenient
és que el tòner embruta molt, cal prendre les precaucions per
no tocar-lo amb les mans. El més recomanable és posar el tòner
en una capseta de plàstic transparent, així no caldrà tocar-lo
i, a més, si bufem no s’escamparà el tòner. Té un
altre avantatge la utilització d’una capseta transparent i és
que podrem projectar a la pissarra o a la paret la imatge dels espectres amb
un retroprojector, i comentar les seves característiques amb tota la
classe.
Seguim amb els imants de nevera. Féu els espectres magnètics d’un
imant de barreta, un de ferradura, situats al llarg de la superfície
on teniu el tòner i situats perpendicularment a aquesta superfície.
Els espectres corresponents a la primera posició són els que habitualment
podeu trobar en els llibres de text. Per al nostre problema tenen més
interès els espectres corresponents als imants situats perpendicularment
a la superfície que conté el tòner. Podeu veure una fotografia
a la figura 4. En els dos casos observem una acumulació bastant important
de tòner a les puntes, els extrems dels imant, això vol dir que
el camp magnètic en aquestes zones és molt intens. Aquests espectres
no són tan bonics com els resultants de posar l’imant paral•lel a la
superfície on tenim el tòner però ens ajudaran a donar
una resposta al problema que ens hem plantejat. Fins i tot podem assegurar que
el camp magnètic va dirigit perpendicularment a les superfícies
que constitueixen els pols de l’imant.
 |
| Fig. 5: Fotografia de l’espectre magnètic de la cara que atreu els objectes de ferro d’un imant de nevera.. |
Fem els espectres d’un imant de nevera, per la cara que “enganxa”
i per l’oposada. A la figura 5 hi trobareu una fotografia de l’espectre magnètic
d’un imant de nevera per la cara que queda adherida als objectes de ferro. S’hi
veu que el tòner s’acumula en petites regions de la superfície
de l’imant molt ben delimitades. Per altra banda, aquestes muntanyetes es van
repetint periòdicament, tant al llarg com a l’ample de l’imant d’una
manera molt ordenada. Si feu l’espectre de l’imant per la cara oposada, aquella
que no s’enganxa a les superfícies de ferro, no veurem cap ordenació
del tòner, el que ens indica que el camp magnètic és molt
feble, o nul.
De l’anàlisi comparativa entre els espectres dels imants
de nevera i els de barreta i de ferradura, no serà estrany que algun
alumne suggereixi que els imants de nevera poden estar constituïts per
petits imants de barreta, situats un al costat de l’altre, de la mateixa manera
com quedarien arranjats un conjunt de botons que es posessin un al costat de
l’altre. Vegeu la figura 6. Aquesta agrupació d’imants, donaria un espectre
com el que hem observat pels imants de nevera, però el seu espectre seria
el mateix per les seves dues cares, cosa que no succeeix amb els imants de nevera.
Per tant, aquesta agrupació tampoc ens dona una explicació plenament
satisfactòria. A més s’atraurien entre ells fos quina fos la cara
enfrontada, cosa que tampoc succeeix exactament.
Ja estem a punt de trobar la solució. Gairebé segur que, en aquesta
alçada de la discussió, algú suggerirà, a crits:
“son petits imants de ferradura”. Bé, potser sí, però cal
que ho analitzem. A la figura 7 hi ha un esquema de com estarien distribuïts
els petits imants de ferradura que constituirien un imant de nevera, segons
aquesta darrera hipòtesi. Haurem de comprovar que aquesta nova hipòtesi
explica tots i cada un dels experiments que hem fet prèviament amb els
imants de nevera.
Bàsicament aquests experiments són:1. Els imants de nevera s’enganxen sobre objectes de ferro només per un costat.
2. Quan els movem un sobre l’altre enfrontant les cares imantades, es desplacen de forma discontinua, fent salts. Hi ha posicions en les que queden ben enganxats, d’altres en les quals no és possible mantenir-los encarats, s’escapen.
El nostre model permet explicar aquests dos fets? Sí, anem a veure-ho. Tinguem ben present el model representat a la figura 7.1. Efectivament, el nostre model només s’enganxarà per la cara on, alternativament, estan els pols dels petits imants. Per l’altra cara, l’imant pràcticament no s’enganxarà ja que el camp magnètic creat per tots els imants arrenglerats serà molt feble. Recordem que el camp magnètic d’un imant de ferradura és molt intents en els seus extrems i extraordinàriament feble a la part corba.
2. Per explicar aquest fenomen ens ajudarà la Figura 8. Quan encarem dos imants de nevera per les parts imantades es produirà una repulsió quan quedin enfrontats dos pols iguals i es produirà una atracció quan quedin enfrontats un pol nord amb un pol sud. El dibuix de la figura, evidentment, és molt esquemàtic i cal imaginar-se els petits imants de ferradura organitzats en línies paral•leles que presenten, en una cara de l’imant, pols nord i sud alternativament. Suposant que poguéssim veure els pols d’un imant, veuríem una línia de pols nord i sud, paral•lela a aquesta una altra línia de pols i així successivament. Fent l’espectre magnètic, tal i com hem explicat, podríem comprovar si la distància entre pols dins d’una mateixa línia correspon a la distancia entre línies, a la majoria d’imants no coincideix. Això farà que quan desplacem un imant sobre l’altre, seguint la direcció que coincideix amb l’alineament dels petits imants de ferradura, notarem que els imants s’enganxen a salts. Per això és important que els dos imants utilitzats per fer aquesta comprovació siguin iguals. A més, si els desplacem un sobre l’altre seguint una direcció perpendicular, aquest fenomen no serà tan notable, ja que difícilment quedaran enfrontats tots els pols nord d’un imant amb tots els pols sud de l’altre. I si els desplacem de manera que un es desplaci en una direcció inclinada respecte la direcció definida per l’alineament dels imants és gairebé segur que no observarem cap d’aquests comportaments. Encara podem afegir una altra particularitat: si fem aquests experiment amb una parella d’imants que siguin distints segurament la distància de pol a pol corresponent a cada un dels imants serà diferent i, per tant, és molt possible que no observem aquest fenomen explicat.
 |
| Fig. 6: Una possibilitat d’arranjament d’imants de barreta per explicar l’espectre magnètic d’un imant de nevera. Només explica l’espectre d’una cara, però. |
Així doncs, sembla que el nostre model d’imant de nevera
explica totes les observacions que hem fet, fins i tot suggereix algun altre
experiment i la seva interpretació: comprovar el comportament de dos
imants diferents o desplaçar dos imants iguals en diferents direccions.
Cal remarcar als alumnes que un bon model teòric, a més d’explicar
els fenòmens observats, també ha de suggerir nous experiments.
Finalment comprovem les nostres hipòtesis amb el que diu la comunitat
científica, que en aquest cas vol dir consultar algun article científic
on explica com estan constituïts els imants de nevera. Vegeu les referències
que donem al final d’aquest article, les quals confirmen que la hipòtesi
que hem fet sobre la constitució dels imants de nevera és correcta.
Per resumir. Amb aquesta activitat hem ajudat als alumnes a elaborar hipòtesis
de forma reflexiva, hipòtesis que s’han basat en l’anàlisi de
l’objecte d’estudi. El model teòric desenvolupat d’una d’elles ha permès
explicar els fenòmens observats.
 |
 |
| Fig. 7:Tall vertical d’un imant de nevera per veure com estan situats els petits imants que el constitueixen. L’esquema no guarda les proporcions entre les dimensions. | Fig. 8:Dos imants de nevera acarats per la part que presenten un camp magnètic. |
Autor d'aquesta pàgina: Xavier Bohigas Departament de Física i Enginyeria Nuclear. UPC.
Aquesta
obra està subjecta a una
Llicència
de Creative Commons
