Lista de materiales del curso STEM: Metal Focus

Antecedentes

La experimentación práctica es esencial en la educación STEM, especialmente en física, donde se concretan ideas abstractas como la fuerza, la conductividad y las propiedades térmicas. Para aprender eficazmente sobre mecánica, electromagnetismo y óptica, disponer de materiales reales que los representen tiene un valor incalculable. Un grupo de materiales con diversas aplicaciones son las muestras metálicas, como las aleaciones de cobre, aluminio y titanio. Pueden utilizarse para demostrar la variación de densidad, resistencia, conductividad eléctrica y conductividad térmica, correlacionando la teoría con la práctica.

Resumen del tema

Dado que la física domina la educación STEM en este caso, los estudiantes deben tener una buena información sobre las propiedades de los materiales. Utilizando muestras de metal, los estudiantes pueden:

-Realizarcomparaciones de densidades para predecir cómo se comportarán los materiales en condiciones de peso y volumen.

-Realizarpruebas de resistencia mecánica y estudiar la tensión-deformación en los metales.

-Experimentarcon la conductividad eléctrica y por qué los cables de cobre se utilizan para la electrónica.

-Probarla conductividad térmica, ilustrando por qué el aluminio se utiliza en disipadores de calor.

Al asociar estas características con aplicaciones cotidianas, como la industria aeroespacial, la electrónica y la construcción, los estudiantes pueden ver la relevancia de los principios fundamentales de la física.

Materiales necesarios

Opcional: abrazaderas, alfombrillas aislantes y guantes de seguridad para la manipulación de muestras metálicas durante los experimentos. Para materiales más avanzados, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Instrucciones paso a paso

1.Medición de la densidad

Para determinar la densidad de las muestras metálicas y compararlas con los valores teóricos, necesitarás una balanza digital, un calibre o regla, una probeta graduada (para cuantificar el desplazamiento de agua) y tus muestras metálicas (aluminio, cobre y Ti-6Al-4V). La densidad es la masa sobre el volumen.

Paso 1: Medición de la masa

Enciende la balanza digital y ponla a cero.

Coloca cada muestra de metal en la balanza y determina su masa ((m)) en gramos (g).

Realice la medición dos veces para mayor precisión.

Paso 2: Medición del volumen

Para las muestras de forma regular (cubos, cilindros):

-Registrelas medidas (longitud, anchura, altura o diámetro) utilizando un calibre o una regla.

-Aplicala fórmula geométrica adecuada para hallar el volumen (V).

Para muestras de forma irregular

-Colocaruna cantidad conocida de agua en una probeta graduada.

-Sumerjacompletamente la muestra y lea el cambio de volumen.

-Ladiferencia es el volumen de la muestra en centímetros cúbicos (cm³).

Paso 3: Determinar la densidad

Utiliza la fórmula

ρ= m/V

donde ρ es la densidad en g/cm³, m es la masa en gramos y V es el volumen en cm³.

Calcular para cada muestra de metal.

Paso 4: Comparar con los valores teóricos

Compara las densidades medidas con los valores típicos:

-Cobre: ~8,96 g/cm³

-Aluminio: ~2,70 g/cm³

- Aleación detitanio (Ti-6Al-4V): ~4,43 g/cm³

Explique cualquier discrepancia y las posibles fuentes de error (precisión de la medición, burbujas de aire, etc.).

2.Demostración de la resistencia mecánica

Para explorar la resistencia mecánica y la elasticidad, emplee un sistema simple de palanca o muelle, masas y una regla o un reloj comparador para medir las lecturas de deformación. Este experimento demuestra cómo responden los materiales a la adición de tensión.

Paso 1: Preparar el equipo

Construya un sistema de palanca simple o utilice una viga apoyada en ambos extremos.

Coloque la muestra de metal en la región donde debe aplicarse la fuerza y fíjela firmemente.

Paso 2: Aumento gradual de la fuerza

Añada gradualmente peso o ejerza presión sobre el punto medio de la viga.

Observe y registre cada vez que se produzca una flexión o deformación aparente.

Paso 3: Registro de datos

Mida la fuerza (F) y la deformación correspondiente (ΔL) en cada paso.

Repita la prueba en cada una de las muestras metálicas.

Paso 4: Observación de los resultados

Comente la relación tensión-deformación y compare la rigidez mediante el módulo de Young (E):

-Cobre: ~110-130 GPa

-Aluminio: ~69 GPa

-Ti-6Al-4V: ~110 GPa

Explica por qué algunos materiales se doblan más fácilmente y otros resisten la deformación.

Más información: Los 10 materiales más resistentes conocidos por el hombre

3. Ensayo de conductividad eléctrica

Para realizar una prueba de conductividad eléctrica y una comparación de muestras, necesitará una fuente de alimentación de CC, multímetro(s), cables con pinzas cocodrilo y sus muestras metálicas. La conductividad se obtiene a partir de la tensión, la corriente y la geometría de la muestra medidas.

Paso 1: Conecte el circuito

-Cree un circuito en serie: coloque la fuente de alimentación, la muestra metálica y el multímetro en un bucle.

-Para medir la corriente (I), el multímetro debe estar en serie.

-Para medir la tensión (V), coloca las sondas en paralelo a través de la muestra.

Si sólo dispone de un multímetro, mida la tensión y la corriente en mediciones separadas.

Paso 2: Medir la corriente y la tensión

-Coloque el multímetro en el modo correcto (tensión o corriente continua).

-Mida la corriente a través del circuito y la caída de tensión en la muestra.

Paso 3: Calcular la conductividad

1. Utilice la ley de Ohm para calcular la resistencia:

R = V/I

2. Utiliza la fórmula de la conductividad

σ = L/(R*A)

donde (L) = longitud de la muestra, (A) = área de la sección transversal, (R) = resistencia.

Paso 4: Comparar resultados

Conductividades esperadas:

-Cobre: ~5,96 × 10⁷ S/m (muy alta)

-Aluminio: ~3,5 × 10⁷ S/m

-Ti-6Al-4V: ~1,8 × 10⁶ S/m (muy inferior)

Discuta por qué varía la conductividad-utilizando la estructura atómica y la movilidad de los electrones.

4. Observación de la conductividad térmica

Este experimento demuestra la velocidad a la que se transmite el calor en diferentes metales. Necesitarás una fuente de calor (por ejemplo, una placa caliente), un termómetro o una sonda térmica y varillas metálicas del mismo tamaño.

Paso 1: Prepare las muestras

Coloque muestras de cobre, aluminio y Ti-6Al-4V de aproximadamente el mismo tamaño en una superficie resistente al calor.

Inserte sondas térmicas a lo largo de las mismas.

Paso 2: Introducir calor

Caliente lentamente un extremo de cada muestra mientras mantiene los otros a temperatura ambiente.

Suministre el mismo tiempo e intensidad de calentamiento.

Paso 3: Medir la distribución de la temperatura

Mida las temperaturas a lo largo de las varillas a intervalos de tiempo iguales (por ejemplo, 10 segundos).

Observe lo rápido que se calienta el extremo más alejado de cada muestra.

Paso 4: Comparar y analizar

Explique la conductividad térmica y la eficiencia de la transferencia de energía:

-Cobre: ~401 W/m-K

-Aluminio: ~237 W/m-K

-Ti-6Al-4V: ~6,7 W/m-K

Explique por qué el cobre se calienta más rápidamente y la aleación de titanio más lentamente en términos de vibración de la red y enlace.

Preguntas más frecuentes

P: ¿Qué hace que los metales sean valiosos para las aplicaciones industriales y de laboratorio?

R: Su resistencia, conductividad y densidad los hacen adecuados para el cableado, los dispositivos quirúrgicos y los reactores químicos.

P: ¿Qué relación guardan las conductividades eléctrica y térmica con la estructura atómica?

R: Los metales de electrones libres (como el cobre y el aluminio) son conductores del calor y la electricidad y muestran los principios de la física cuántica y del estado sólido.

P: ¿Es posible que estas propiedades afecten al diseño de fármacos o equipos químicos?

R: Sí, el acero inoxidable o el titanio se utilizan habitualmente en reactores y tuberías por su estabilidad térmica, solidez y resistencia a la corrosión.

Conclusión

El uso de muestras metálicas en cursos STEM basados en la física proporciona una experiencia de aprendizaje táctil y basada en datos. Los estudiantes pueden medir, comparar y probar propiedades significativas de los materiales que influyen en la ingeniería y las aplicaciones industriales. En estos experimentos, conceptos como densidad, resistencia y conductividad dejan de ser abstractos para convertirse en tangibles, medibles y concretos. El aprendizaje práctico hace que el aprendizaje sea más sólido y esté listo para su aplicación en la resolución de problemas de ingeniería, química y física aplicada.

Recursos adicionales

-Stanford Advanced Materials (SAM) - Base de datos de propiedades de los metales

-Callister, W.D., Ciencia e ingeniería de los materiales: An Introduction, 10th Edition

- Manuales delaboratorio para los programas STEM de física de bachillerato y licenciatura

- Tutorialesen línea: Experimentos de densidad, conductividad y conductividad térmica