Memoria ID-0246. Ayudas de la Universidad de Salamanca para la innovación docente, curso 2016-2017

Hernández López, María Auxiliadora

López Díaz, Luis

Torres Rincón, Luis

Zazo Rodríguez, Marcelino

Spanish

Gestion del Repositorio Documental de la Universidad de Salamanca

Memoria de Ejecución del Proyecto    PROYECTO DE INNOVACIÓN Y MEJORA DOCENTE CURSO 2016/2017   Título del proyecto:    Elaboración de material docente para la enseñanza de electromagnetismo en materiales avanzados   Código del proyecto: ID2016/246   Coordinador del proyecto:    Marcelino Zazo Rodríguez         Facultad de Ciencias  UNIVERSIDAD DE SALAMANCA    ÍNDICE    I.- Relación de los miembros de la Universidad de Salamanca participantes en el proyecto ……………………………………………...........................................................   1  II.- Introducción ……………………………………………..............................................   1  III.- Cumplimiento de objetivos ........................................................................................   3  IV.- Memoria económica ....................................................................................................   5  V.-Anexos:  Anexo I.- Ejemplo de presentación de una clase magistral…………………….   6  Anexo II.- Ejemplo de guion de práctica de una experiencia……………….....   8  Anexo III.- Ejemplo de presentación teórica introductoria a las prácticas de simulación en el aula de informática...………………….………………….…...  13  Anexo IV.- Ejemplo de tareas individuales para el alumno y que entregará al profesor para su revisión ...………………….………………….…....…….…...  15  Anexo V.- Fotografías de experiencia de laboratorio…..……………….…….  16    1   I. Relación de los miembros de la Universidad de Salamanca participantes en el proyecto  María Auxiliadora Hernández López Luis López Díaz Luis Torres Rincón Marcelino Zazo Rodríguez   II. Introducción   El presente documento presenta la Memoria de Ejecución del Proyecto titulado “Elaboración de material docente para la enseñanza de electromagnetismo en materiales avanzados”, concedido dentro de la convocatoria del Programa de Mejora de la Calidad  (Proyectos de innovación y mejora) del curso 2016/2017.  Hay que indicar que la implantación del nuevo Máster de Física y Matemáticas implica la tarea de realizar nuevo material docente para cada una de las asignaturas. El objetivo principal de este proyecto es elaborar los recursos docentes necesarios para la asignatura de Electromagnetismo en materiales avanzados y aplicaciones, incluida dentro de la especialidad de Física Aplicada. Es una asignatura importante de dicha especialidad, ya que en las aplicaciones tecnológicas actuales es necesario caracterizar los materiales desde el punto de vista electromagnético. El empleo de un material u otro para la fabricación de distintos dispositivos electrónicos en muchas ocasiones depende de sus propiedades electromagnéticas.   Por otro lado, a la hora de la preparación de la asignatura se ha tenido en cuenta el semestre en el que se imparte y la afinidad con otras asignaturas que se imparten dentro de la especialidad de Física Aplicada del Máster de Física y Matemáticas. Dicha asignatura es del primer semestre y se complementa principalmente con la de Materiales para la Nanotecnología y sirve como punto de partida para dos asignaturas del segundo cuatrimestre, la Caracterización de Materiales y Dispositivos y Física de Sensores.  El objetivo principal de este proyecto de innovación y mejora docente es elaborar los recursos de aprendizaje y autoaprendizaje que el alumno necesita para conocer las propiedades de algunos materiales desde un punto de vista electromagnético. El planteamiento de la asignatura se ha realizado desde un punto de vista teorico-práctico, donde además de los conocimientos teóricos que tiene que adquirir el  2alumno, éste se familizarice con una serie de experiencias y técnicas de medida, que le permitiriran una caracterización básica electromagnética de los materiales. Se ha preparado el material didáctico más adecuado, de manera que permita al alumno el estudio de la asignatura indicada anteriormente de la manera más efectiva posible. Una parte importante de la docencia es de carácter experimental y, por ello, se ha tratado de elaborar un conjunto de experiencias para que el alumno adquiera habilidad y destreza en el manejo de algunos equipos prácticos para el estudio de las propiedaes de ciertos materiales por su interés en aplicaciones tecnológicas. También, se han preparado algunas experiencias de simulación para realizar en el aula de informática.   Hay que indicar que el material necesario para realizar las experiencias prácticas de laboratorio se ha conseguido por las siguientes vías:  - Financiación del presente proyecto: ha permitido adquirir una sonda de 4 puntas BSCCO para la caracterización de un material superconductor y un criostato de arena para analizar su comportamiento con la temperatura.  - Uso del equipamiento e infraestructura existente en el laboratorio del área de Electromagnetismo en la Facultad de Física.  3III. Cumplimiento de objetivos   El objetivo fundamental del presente proyecto era que el alumno conozca en detalle la las propiedades básicas electromagnéticas de algunos materiales de gran importancia para aplicaciones tecnológicas. Por ello, se han realizado una serie de transparencias, empleadas en las clases magistrales, donde se ha explicado los puntos más importantes e interesante de dichas propiedades. Esto permitirá al alumno adquirir una buena base de conocimiento sobre materiales electromagnéticos. Para complementar la parte teórica se han diseñado y preparado una serie de experiencias de laboratorio. Aunque ya disponíamos de algunas prácticas, ha sido necesario mejorarlas y desarrollar algunas nuevas para completar la caracterización de los materiales. Con el presupuesto del proyecto de innovación hemos comprado un equipo que nos ha permitido preparar una serie de experiencias para estudiar las propiedades electromagnéticas de los materiales superconductores. Por otro lado, en el diseño de dispositivos tecnológicos actuales es de gran importancia la caracterización de los materiales empleados en su fabricación, por ello en muchas ocasiones se realizan simulaciones para analizar su comportamiento. Teniendo en cuenta lo indicado anteriormente, hemos preparado algunas prácticas de simulación que permiten al alumno estudiar el comportamiento micromagnético de algunos materiales.  En conclusión, podemos decir que se han elaborado un conjunto de presentaciones, experiencias, guiones de prácticas y se propusieron un conjunto de tareas o trabajos, todo ello para que los estudiantes adquieran las competencias y resultados de aprendizaje más adecuados.  En todos los casos el material ha sido accesible a los estudiantes en la plataforma Studium de la Universidad de Salamanca, accediendo a la correspondiente asignatura. Se incluyen algunos ejemplos en los anexos de la memoria.  A continuación se indica el material didáctico elaborado por los miembros del proyecto:  - Presentaciones que han permitido preparar las clases magistrales, donde el profesor ha explicado los contenidos propios de la materia (anexo I).  - Se han diseñado distintas experiencias para realizar en el laboratorio y en el aula informática y se ha preparado el siguiente material didáctico: Guion de práctica para realizar las experiencias (anexo II)  Presentación teórica introductoria a las prácticas de simulación del aula de informática (anexo III)  4  - Colección de tareas para realizar el alumno (anexo IV).  Por otro lado, el proyecto de innovación docente se ha desarrollado según lo previsto en la solicitud. El del material didáctico necesario para que el alumno adquiera los conocimientos teóricos de las asignaturas ha sido realizado principalmente por profesor D. Marcelino Zazo Rodríguez. El desarrollo de las experiencias prácticas de la asignatura ha sido realizado por los profesores D. Luis Torres Rincón y         D. Luis López Díaz, y la parte correspondiente a la simulación en el aula de informática, fue llevada a cabo por la profesora Dª. María Auxiliadora Hernández López. En cualquier caso, ha existido una comunicación continua y fluida entre los profesores para conseguir una asignatura compacta, de manera que el alumno haya podido adquirir las competencias asignadas a dicha asignatura.   5 IV.- Memoria económica  En el proyecto de innovación y mejora de docente presentado se solicitaban 349 € para comprar un equipo para la caracterización electromagnética de materiales superconductores. El precio final del material fue de 338,80 €. La financiación concedida por el proyecto de innovación fue de 180 €, que se ha complementado con el dinero asignado al departamento, de manera que se ha podido adquirir el equipo. Con el equipamiento e infraestructura existente en el laboratorio del área de Electromagnetismo de la Facultad de Física y el material comprado hemos diseñado y preparado alguna de las experiencias del laboratorio para la caracterización de materiales superconductores.     6Anexo I  EJEMPLO DE PRESENTACIÓN DE UNA CLASE MAGISTRAL        7       8Anexo II  EJEMPLO DE GUION DE PRÁCTICA DE UNA EXPERIENCIA   DEPENDENCIA DE LAS PROPIEDADES CON LA TEMPERATURA DE UN SUPERCONDUCTOR DE ELEVADA TEMPERATURA CRÍTICA  Planteamiento  En el año 1911, el científico holandés Kamerlingh Onnes, de la Universidad de Leiden, logró reducir la temperatura de una muestra de mercurio a la del helio líquido observando una notable propiedad. Se dio cuenta de que la resistividad eléctrica del mercurio por debajo de su temperatura crítica (Tc = 4.15K) se hacía nula, lo que se denominó superconductividad. Estos materiales superconductores presentan también un diamagnetismo perfecto. En efecto, años más tarde, en 1933, los científicos Meissner y Ochsenfeld descubrieron que los materiales superconductores tienen la propiedad de repeler el campo magnético actuando como un material diamagnético perfecto (susceptibilidad magnética m=-1). Esto es conocido como efecto Meissner y es tan intenso que se puede hacer levitar a un imán colocado sobre un material superconductor. Las perspectivas de aplicación de estos materiales resultaron pronto evidentes de forma que se impulsó fuertemente la investigación encaminada a conseguir nuevos materiales superconductores con temperaturas críticas cada vez mayores. En 1962, la compañía Westinghouse desarrolló el primer cable superconductor comercial, una aleación de niobio y titanio. Pero no fue hasta 1986 cuando se descubrieron materiales con temperaturas críticas claramente superiores. Bednorz y Müller, investigadores del IBM Research Laboratory de Zurich, encontraron un compuesto cerámico superconductor, Ba-La-Cu-O, con la más alta temperatura registrada hasta entonces (35-38K). Este descubrimiento, (que les hizo merecedores del Premio Nobel de Física en el año 1987), fue especialmente notable ya que generalmente las cerámicas son aislantes. Multitud de laboratorios de todo el mundo compitieron por conseguir superconductores de alta temperatura crítica. Entre las composiciones de interés destaca la serie de Y-Ba-Cu-O (Tc=93K) y otras de mayor temperatura crítica, pues permiten trabajar sin recurrir al helio líquido realizando las experiencias con nitrógeno líquido (mucho más barato) cuya temperatura de ebullición es 77K. Actualmente, el récord mundial de temperatura crítica para un superconductor es de 138K y es un material compuesto de mercurio, talio, bario, calcio, cobre y oxígeno. Bajo presiones extremas (3105 atmósferas) su temperatura puede subir unos 25 o 30 grados más. En la tabla se muestran algunos superconductores y sus temperaturas críticas.  Elementos superconductorestipo I Tc  (K) Compuestos superconductores tipo II Tc  (K) Pt 0.0019 AuZn3 1.21 In 3.40 Nb0.6Ti0.4 9.8 Sn 3.72 (La,Ba)2CuO4 35-38 Hg 4.15 Yba2Cu3O7+ 93 Pb 7.2 Bi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Ox 115 C 15 Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 138  Los superconductores (tipo I y II) se describen atendiendo a la transición entre el estado normal y el superconductor. En los de tipo I, y de acuerdo al efecto Meissner (figura 1), para campos magnéticos aplicados menores que el campo crítico Hc, la inducción magnética no penetra en la muestra superconductora y esta permanece en ese estado. Para campos mayores que Hc, la inducción penetra y el estado superconductor se destruye pasando la muestra al estado normal. Existen otros tipos de superconductores, llamados tipo II, en los que el comportamiento magnético es más complicado. Para  9campos magnéticos bajos, el flujo se excluye completamente del material superconductor, lo que persiste hasta un campo magnético crítico bajo Hc1. Para campos por encima de este valor, el flujo penetra parcialmente formando vórtices de corriente (figura 2), pero la superconductividad no se destruye hasta que el flujo penetra completamente en el material. Ello ocurre para el campo crítico alto Hc2. Entre Hc1 y Hc2, el material tipo II no presenta efecto Meissner perfecto. Los superconductores tipo I corresponden esencialmente a metales puros que normalmente muestran elevada conductividad a temperatura ambiente. Los superconductores tipo II comprenden generalmente componentes metálicos y mezclas de ellos (óxidos de cobre; véase la tabla) que se comportan como aislantes a temperatura ambiente. Estos materiales superconductores alcanzan Tc y Hc mayores en comparación con los de tipo I, por un mecanismo que todavía no se ha explicado satisfactoriamente. En la figura 3 se muestra el comportamiento de ambos tipos de superconductores.  Figura 1    Figura 2  Figura 3  Experiencia 1: Resistencia frente a temperatura  En esta práctica vamos a analizar experimentalmente las propiedades de un superconductor de elevada temperatura crítica. Para ello analizaremos en primer lugar la variación de la resistencia con la temperatura tras introducir la muestra en nitrógeno líquido.  Para su realización práctica realizaremos el siguiente montaje:  -M   10 VASuperconductorR=100   A partir de las medidas del voltaje y de la corriente  en función de la temperatura podemos obtener el valor de la resistencia del superconductor. Para obtener  la temperatura de la muestra es necesario medir el voltaje entre los terminales del termopar. Mediante la tabla siguiente se puede obtener la temperatura a partir del voltaje. Una medida de  -0.04 mV indica la temperatura ambiente (298K) y +6.57 mV  corresponde a 77 K.  K 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 70 6.84 6.80 6.76 6.72 6.69 6.50 6.61 6.57 6.54 6.50 6.46 80 6.46 6.43 6.39 6.35 6.32 6.28 6.24 6.20 6.17 6.13 6.09 90 6.09 6.05 6.02 5.98 5.94 5.90 5.87 5.83 5.79 5.76 5.72 100 5.72 5.68 5.65 5.61 5.57 5.53 5.50 5.46 5.42 5.39 5.35 110 5.35 5.31 5.27 5.24 5.20 5.16 5.12 5.09 5.05 5.01 4.97  Para su realización práctica se dispone de una fuente de corriente continua, varios multímetros, una caja de resistencia y un criostato de nitrógeno líquido. El trabajo se compone de las siguientes etapas:  1. Realizar el montaje de la figura anterior. Es necesario colocar una resistencia de 100  para proteger al superconductor y mantener la corriente constante. Ajustar el voltaje de la fuente a unos 30V. No sobrepasar nunca la corriente de 0.5 A. Conectar el termopar a un voltímetro para poder obtener el valor de la temperatura. 2. Se enfría la muestra hasta la temperatura más próxima a 77 K. Dejar que se caliente lentamente hasta 120 K y anotar periódicamente el voltaje del superconductor, la corriente que circula a través de ella y el voltaje del termopar. Es conveniente tomar la medida cada 0.02 mV del termopar. 3. Obtener el valor de la resistencia del superconductor mediante la ley de Ohm,  representar gráficamente y comentar los resultados. 4. ¿Por qué acarrea tantas dificultades estudiar la transición al estado superconductor mediante medidas de resistividad?   Experiencia 2: Susceptibilidad magnética frente a temperatura  En primer lugar vamos a visualizar la existencia del efecto Meissner mediante una experiencia muy sencilla. Un superconductor  por debajo de su temperatura crítica Tc expulsa el campo magnético de su interior. Esto implica que si un imán es situado encima del superconductor, éste expulsaría el campo magnético del imán, de manera que es repelido y levitaría (figura 4).    11 Figura 4 En esta práctica también vamos a analizar experimentalmente la transición superconductora, en ausencia de campo externo estático H, de una muestra de YBaCuO. Para ello en lugar de medir la conductividad del material, estudiaremos su susceptibilidad magnética colocando la muestra como núcleo de una bobina. La autoinducción L de la bobina resultará dependiente de la susceptibilidad del núcleo, de forma que midiendo aquella podemos observar la transición al estado superconductor y el comportamiento tipo II de la muestra. Para realizar la medida de la autoinducción realizaremos el siguiente montaje.  f = 1 kHzVARL LBobina R=100 A partir de las medidas del voltaje, de la corriente  y de la resistencia RL en función de la temperatura podemos obtener el valor L de la autoinducción de la bobina. Para obtener  la temperatura de la muestra es necesario medir el voltaje entre los terminales del termopar. Mediante la tabla siguiente se puede obtener la temperatura a partir del voltaje. Una medida de  -0.06 mV indica la temperatura ambiente (298K) y +6.42 mV  corresponde a 77 K. K 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 70 6.92 6.85 6.78 6.71 6.64 6.56 6.49 6.42 6.37 6.33 6.29 80 6.29 6.25 6.21 6.17 6.13 6.09 6.05 6.01 5.97 5.93 5.9 90 5.9 5.86 5.83 5.79 5.75 5.72 5.68 5.64 5.6 5.56 5.52 100 5.52 5.48 5.44 5.41 5.37 5.34 5.3 5.27 5.23 5.2 5.16  Para su realización práctica se dispone de un generador de funciones, varios multímetros, una caja de resistencia y un criostato de nitrógeno líquido. El trabajo se compone de las siguientes etapas:  5. Realizar el montaje de la figura anterior. Es necesario colocar una resistencia de 100  para proteger la bobina. Ajustar la frecuencia del generador a 1 kHz. Conectar el termopar a un voltímetro para poder obtener el valor de la temperatura. 6. Se enfría la muestra hasta la temperatura más próxima a 77 K. Dejar que se caliente lentamente hasta 110 K y anotar periódicamente el voltaje de la bobina y la corriente que circula a través de ella y el voltaje del termopar. Es conveniente tomar la medida cada 0.02 mV del termopar.  127. La resistencia RL de la bobina depende de la temperatura, por lo tanto es necesario determinar su variación con ella. Para ello sería necesario enfriar de nuevo la muestra. Se conectaría directamente la bobina a un ohmímetro y dejaríamos que la muestra se caliente hasta 110 K. Como el proceso de medida es largo no se va a realizar. Para determinar su valor se puede utilizar la siguiente recta de ajuste: RL() = 0.051 T(K) + 0.4911 8. Representar los valores del voltaje y la impedancia de la bobina en función de la temperatura. 9. Obtener los resultados de la inducción de la bobina (L) a partir de los valores de su impedancia y su resistencia, representar gráficamente y comentar los resultados. 10. ¿Cómo se podría obtener el valor de la susceptibilidad magnética a partir de la autoinducción de bobina?   13Anexo III  EJEMPLO DE PRESENTACIÓN TEÓRICA INTRODUCTORIA A LAS PRÁCTICAS DE SIMULACIÓN EN EL AULA DE INFORMÁTICA        14       15  Anexo IV  EJEMPLO DE TAREAS INDIVIDUALES PARA EL ALUMNO Y QUE ENTREGARÁ AL PROFESOR PARA SU REVISIÓN         16Anexo V FOTOGRAFÍAS DE EXPERIENCIA DE LABORATORIO  Montaje para la caracterización electromagnética de un superconductor     Criostato con portamuestra para las medidas en temperatura    

Elaboración de material docente para la enseñanza de electromagnetismo en materiales avanzados

https://gredos.usal.es/bitstream/10366/135307/1/MID_16_246.pdf

Elaboración de material docente para la enseñanza de electromagnetismo en materiales avanzados

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Gestion del Repositorio Documental de la Universidad de Salamanca