Voltaje, corriente y resolución de circuitos a través de las leyes de Maxwell

Abstract

Los conceptos de voltaje y corriente son ejes centrales de todo ingeniero electrónico, tanto en su formación como en su vida profesional. No obstante, la forma en que se enseñan deja oculto el verdadero significado de conceptos como la corriente del condensador o el voltaje de la bobina, y mantienen como verdades absolutas conceptos, como las leyes de Kirchhoff de circuitos o la idea de que voltaje es diferencia de potencial, que sólo son válidos en casos particulares. Este trabajo presenta e implementa una estrategia diferente para construir los conceptos precisos de voltaje y corriente, y para enseñar a solucionar circuitos eléctricos utilizando: la ley de conservación de la carga y la ley de Faraday, que toman el papel de las leyes de Kirchhoff en el caso general. La secuencia didáctica propuesta consta de ocho sesiones de 2 horas cada una, utiliza montajes demostrativos, videos y modelos mecánicos para construir los conceptos de voltaje y corriente. La propuesta se implementó con 17 estudiantes de tercer semestre del programa de ingeniería electrónica de la Universidad Popular del Cesar (período 2017-I), y se evaluó mediante un diseño pre-experimental con pre-test y post-test, usando para ello una prueba de 21 preguntas diseñada para tal fin, que permitió, además, conocer los conceptos previos de los alumnos. Los resultados evidencian una mejora significativa en el desempeño de los estudiantes. La secuencia constituye una propuesta valiosa para la enseñanza de estos conceptos a nivel universitario.

Abstract. The concepts of voltage and electrical current are central for every electronic engineer, both in his background as in his professional work. The way they are traditionally taught, however, hide the true meaning of concepts as the current of a capacitor or the voltage on a solenoid and, shows as general concepts that are valid only at particular cases, like Kirchhoff’s laws of circuits or the idea that voltage equals a difference in electrostatic potentials. This work introduces and implements a novel didactic strategy to construct the precise concepts of voltage and current and, to teach how to solve electrical circuits by using: Faraday’s law and the conservation of charge equation, which assume the role of Kirchhoff laws in the general case. The proposed didactic sequence is developed in eight sessions, of two hours each, using experiments in class, videos and mechanical models to illustrate the concepts of voltage and electrical current. The proposal was implemented with 17 2nd-year students of the electronic engineering program at the Universidad Popular del Cesar, Colombia (semester 2017-I). It was assessed in a pre-experimental design with pre- and posttest, using 21-question test. The results show a significant improvement in student’s learning. The sequence constitutes a valuable contribution for the teaching of these concepts at undergraduate level.