El Anillo de Thompson, un experimento que sorprende y enseña

EDUARDO A POGGIO FRACCARI; DAVID LEVITAN; PABLO GIUNTA; FEDERICO NORES PONDAL

San Miguel de Tucumán

Congreso; 101 Reunión de la asociación de física argentina; 2016

Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología UTN

Objetivos: Durante el presente trabajo se expone un caso de estudio, en el que los alumnos fijan los conceptos previamente aprendidos observando un experimento de laboratorio, explicado mediante un razonamiento que conduce a un absurdo y luego resuelto en detalle. Los objetivos entonces son mostrar que esta metodología 1) genera mayor participación del alumnado, y 2) ayuda a fijar mejor los conceptos teóricos.Presentación: La experiencia al corregir informes de laboratorio a lo largo de varios cuatrimestres demuestra que los alumnos suelen reproducir parcialmente aquello mencionado por el docente, por ello una explicación meramente cualitativa resulta insuficiente para fijar conceptos, y una en la que abunde el rigor matemático pierde la atención de la mayoría muy rápido.Los experimentos de laboratorio tienen como finalidad enfrentar a los alumnos a situaciones en las que los conceptos resultan visibles, y son tanto más efectivos cuanto más fuertemente captan la atención de inmediato. Precisamente, éste es el caso del Anillo de Thompson, un dispositivo que se suele mostrar en los cursos introductorios de Electricidad y Magnetismo. El mismo consiste en un anillo de aluminio, que se eleva por los aires por sobre un bobinado alimentado con corriente alterna, generando un impacto visual en el alumnado.Desarrollo de la experiencia: A lo largo de varios cursos (y cuatrimestres), se ha verificado que los alumnos suelen prestar atención luego de que han sido sorprendidos. Por ello resulta conveniente primeramente mostrar el fenómeno del anillo suspendido en el aire, y luego preguntar por qué ocurre.En ese momento, se puede afirmar que más de 35 de los 40 alumnos que suelen conformar un curso promedio, queda sorprendido y además intenta explicar el fenómeno. El docente inicia el proceso de exposición mostrando que un anillo cortado no experimenta fuerza alguna, concluyendo así que el fenómeno se manifiesta sólo en casos en los que se pueda establecer una corriente. En esta instancia se suele lograr la participación activa de 6 a 8 alumnos (15-20% del curso) que ayudan a construir una hipótesis para comprender lo observado, cuando en una clase regular sólo se animan a hablar en público 2 o quizás 3 en simultáneo (menos del 5%). Por lo tanto el primer objetivo del docente, captar la atención y motivar la participación, fue cumplido. La trampa: Una vez que se convenció al grupo de observadores que se trata de una fuerza debida a una corriente inducida, estos rápidamente asumen que dicha corriente se ha generado únicamente por el campo externo al anillo. La corriente del bobinado es proporcional a sen(wt), por lo tanto el campo B generado por ésta. El razonamiento suele ser el siguiente: si la fem inducida en el anillo es sólo proporcional a la derivada de B (cos(wt)), es decir, desfasa 90º, supuestamente también lo será la corriente inducida en el mismo. De este modo, la fuerza magnética que se opone a la de gravedad sería proporcional a sen(wt)*cos(wt). Sin embargo, al hacer las cuentas en detalle el docente muestra un resultado anómalo, el promedio temporal de la fuerza en un período resulta nulo. ¡Totalmente contrario a lo observado, si el anillo levita sobre el bobinado! ¿No será que olvidamos algo en el camino?La trampa fue que impusimos una hipótesis que nos llevó a un razonamiento absurdo: desestimamos la autoinducción L del anillo cuando calculamos la corriente. Generalmente cuando se llega a un absurdo los alumnos comienzan a dar opiniones al respecto, y se suele observar un grado aún mayor de participación activa, inclusive se duplica la cantidad respecto de los que originalmente colaboraron con el razonamiento, cerca del 25-30% donde también se observa que los restantes suelen tomar apuntes.La solución: Considerando ahora el término faltante de autoinducción, se muestra que la corriente inducida en el anillo y el campo del bobinado están ahora desfasados un valor distinto de 90º, y por lo tanto el promedio temporal de la fuerza magnética no es cero, y de este modo es capaz de balancear al peso. Así, el anillo se mantiene en el aire, concordando finalmente modelo y experimento.Conclusión: La modalidad de confrontar al alumno con una discrepancia entre el modelo y la observación fomenta su participación activa, la cual puede incluso duplicarse. Es importante la elección de un experimento que genere un impacto visual para captar la atención de los alumnos, como el anillo de Thompson.