El papel del experimento en laapropiacion de conceptos y en el

aprendizaje significativo de laelectrostatica

German Alveiro Gomez Gomez

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias

Medellın, Colombia

2022

El papel del experimento en laapropiacion de conceptos y en el

aprendizaje significativo de laelectrostatica

Trabajo final de maestrıa presentado como requisito parcial para optar al tıtulo de:

Magıster en Ensenanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Director:

MSc., Ing. Fısico, Wilmer Daniel Alfonso Pardo

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias

Medellın, Colombia

2022

Agradecimientos

Son varias personas que a traves de este recorrido por el conocimiento tuvieron un apor-

te muy valioso en la culminacion de este trabajo final. En primer lugar, debo reconocer el

aporte de mi director de tesis MSc ing. Fısico Wilmer Daniel Alfonso Pardo, el fue la persona

que me brindo un apoyo constante, siempre estuvo pendiente de los avances en el escrito y

sin importar la hora o el dıa siempre me brindo un espacio para la orientacion del trabajo

final.

Tambien rescato los aportes de todos los docentes de las asignaturas cursadas en la maestrıa,

ya que de todos aprendı algo, en especial del profesor Rodrigo Covaleda quien nos enfatizo

lo importante de escribir de la mejor manera los primeros capıtulos del trabajo de grado.

Por ultimo quisiera agradecer los valiosos aportes de la evaluadora, Prof. Tatiana Cristina

Munoz, para que este trabajo fuera de la mejor calidad posible.

iv

Resumen

La presente Monografıa de revision consiste en una busqueda historica, con enfasis episte-

mologico, de los conceptos: carga electrica, capacitancia y potencial electrico. Se reproducen

algunos experimentos con el fin de ayudar a los alumnos a comprender los conceptos ante-

riores, tan difıciles de asimilar por parte de estos. Tambien, se propone la construccion de

algunos aparatos para la medicion y almacenamiento de la carga y una serie de actividades

que se pueden llevar a cabo en el aula de clase. El objetivo general consiste en identificar

a partir de las fuentes originales el significado de los conceptos previamente mencionados,

que permitan disenar implementaciones para el aula, favoreciendo el redescubrimiento de los

mismos y reduciendo la brecha en apropiacion por parte de los estudiantes. La propuesta se

fundamenta en algunos de los principios del aprendizaje significativo de Moreira y emplea

la metodologıa investigacion accion. Se espera que esta investigacion sirva de insumo y com-

plemento a las actividades propias dadas en el aula y de las experiencias en el laboratorio.

Palabras clave: Electrostatica, Aprendizaje significativo crıtico, Epistemologıa de la

electrostatica, Ensenanza de la Fısica, Experimentos historicos.

AbstractThe role of the experiment in the appropriation of concepts and in the significant learning

of electrostatics.

This Monographical review consists of a historical search, with an epistemological emphasis,

of the concepts: electric charge, capacitance and electric potential. Some experiments are

reproduced in order to help students to understand the previous concepts, which are so

difficult for them to assimilate. Also, the construction of some devices for the measurement

and storage of charge and a series of activities that can be carried out in the classroom is

proposed. The main goal is to identify from the original sources the meaning of the previously

mentioned concepts, such that it allows us to design classroom activities, that encourages

or favors the re-discovery of concepts, and to reduce the gap in the learning process of

the students. The proposal is based on some of Moreira’s principles of meaningful learning

and uses the action research methodology. It is expected this research will contribute as an

input and complement to the activities given in the classroom and the experiences in the

laboratory.

Keywords: Electrostatics, Critical meaningful learning, Electrostatic Epistemology,

v

Physics Teaching, Historical experiments.

Contenido

Agradecimientos III

Resumen IV

Introduccion 1

1 Diseno teorico 5

1.1 Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Formulacion de la pregunta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5.2 Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2 Marco Referencial 13

2.1 Marco Teorico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 Marco Disciplinar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3 Marco Legal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4 Marco Espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Diseno metodologico 20

3.1 Tipo de Investigacion: Monografıa de Revision . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2 Metodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.3 Enfoque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.4 Instrumento de recoleccion de informacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica 24

4.1 Desarrollo y sistematizacion de la propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2 La carga electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2.1 Origen del concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Contenido vii

4.2.2 Gilbert y la teorıa de Efluvios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.3 La repulsion electrica y la Conductividad . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.2.4 Electricidad vıtrea y electricidad resinosa . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2.5 Las botellas de Leyden y las experiencias de Franklin . . . . . . . . . 35

4.2.6 Sobre el Anexo A.1: Descubriendo la carga electrica - Ideas para el aula 37

4.3 Medicion de la carga electrica: experimentos de Coulomb . . . . . . . . . . . 39

4.3.1 Ley de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.3.2 Sobre el Anexo A.2: Medicion de la carga electrica - Ideas para el aula 42

4.4 Capacitancia y Potencial electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.4.1 Capacitancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.4.2 El potencial electrico: trabajos de Volta . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.4.3 La pila de Volta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.4.4 Sobre el Anexo A.3: Capacitancia y potencial electrico. Ideas para el

aula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.5 Maquinas electrostaticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.5.1 Maquina de Von Guericke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.5.2 Maquina de Hauskbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.5.3 Maquina de Ramsden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.5.4 Maquina de Le Roy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.5.5 Maquina de Nairne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.5.6 Maquina de Rouland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.5.7 Maquina de Carre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.5.8 Maquinas y medicina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.5.9 Otras maquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.5.10 Sobre el Anexo A.4: Maquinas electrostaticas. Ideas para el aula . . . 67

5 Conclusiones y recomendaciones 69

5.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.2 Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

A Anexos 74

A.1 Descubriendo la carga electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

A.1.1 Experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

A.1.2 Complemento conceptual: Formas de cargar un cuerpo . . . . . . . . 77

A.1.3 Algunos aparatos para evidenciar la presencia de cargas . . . . . . . . 79

A.1.4 Distincion de cuerpos electrizados y los imanes . . . . . . . . . . . . . 85

A.1.5 Clasificacion de los materiales en la serie triboelectrica segun convencion 88

A.2 Medicion de la carga electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

A.2.1 El electroscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

A.3 Potencial electrico y Capacitancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

A.3.1 Electroforo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

A.3.2 Experimentos de capacitancia: Botella de Leyden . . . . . . . . . . . 102

A.4 Maquinas electrostaticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Bibliografıa 105

Lista de Figuras

4-1 Ambar amarillo. Imagen tomada de Teixeira (2018). . . . . . . . . . . . . . 27

4-2 Versorium de Gilbert. Tomado de Gilbert (1600). . . . . . . . . . . . . . . . 30

4-3 Ilustracion original de la primera maquina electrica por (von Guericke, 1672,

Cap. XV). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4-4 Una ilustracion del experimento de Stephen Gray, muy popular a mediados

del siglo XVIII. El Flying Boy o nino suspendido, podıa transmitir la virtud

electrica de una maquina basada en el principio de Von Guericke hasta otra

nina, que parada sobre un barril (aislado) puede atraer pequenas laminas de

oro. Tomado de (Watson, 1748). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4-5 Ilustracion del descubrimiento de Musschenbroek condensando fluido electri-

co en una botella de Leyden. De Louis Figuier, Les merveilles de la science,

1867. Tomado de Linda Hall Library. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4-6 Balanzas de Coulomb usadas para medir la repulsion electrica (izquieda) y

la atraccion electrica (derecha). Tomada de Coulomb (1785-1789). . . . . . 40

4-7 Izquierda: Botella de Leyden con revestiduras metalicas. Derecha: Baterıa

con 4 botellas de Leyden conectadas en paralelo. La carga total almacenada

puede ser medida en el electroscopio superior dotado de medidor de angulo.

Tomada de: https://es.wikipedia.org/wiki/Botella de Leyden . . . . 44

4-8 Aparato de Volta apilado (Volta, 1800) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4-9 Cadena de vasos de Volta en disposicion horizontal (Gomez y Sorge, 1978). 50

4-10 Replica funcional de la universidad de Oldenburg de la primera maquina

electrostatica de Von Guericke. (Queiroz, 2018, p. 1) . . . . . . . . . . . . . 61

4-11 Maquina electrica de Hauskbee.(Queiroz, 2018, p. 1) . . . . . . . . . . . . . 61

4-12 Maquina electrica de Ramsden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4-13 Maquina electrica de LeRoy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Lista de Figuras ix

4-14 Maquina electrica de Nairne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4-15 Maquina electrica de Rouland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4-16 Maquina electrica de Carre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4-17 Generadores Wimshurst (izquierda) y Van Der Graaff (derecha). Tomada de

https://www.facebook.com/pg/Sci-Supply-122343561134034/posts/?ref=

page internal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

A-1 Experimento 1: Dos tipos de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

A-2 Serie triboelectrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

A-4 Electroscopio de Henley con materiales comunes. Construccion propia. . . . 79

A-3 Electroscopio de Henley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

A-5 Versorium: Primer modelo. construccion propia. . . . . . . . . . . . . . . . 82

A-6 Versorium: Segundo modelo. construccion propia. . . . . . . . . . . . . . . . 82

A-7 Versorium: Tercer modelo. construccion propia. . . . . . . . . . . . . . . . . 83

A-8 Versorium: Cuarto modelo. construccion propia. . . . . . . . . . . . . . . . 84

A-9 Versorium: Quinto modelo. construccion propia. . . . . . . . . . . . . . . . 85

A-10 Electroscopio electronico. El circuito contiene dos leds, uno azul, que indica

la presencia de cargas negativas, y otro rojo, que indica le presencia de cargas

positivas. Construccion propia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

A-11 Electroscopio: Primer modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

A-12 Imagen de los cortes para la hojuela fija. Tomada de Frascino (2021) . . . . 91

A-13 Imagen de los cortes para la hojuela movil. Tomada de Frascino (2021) . . . 92

A-14 Imagen de hojuelas recortadas. Construccion propia. . . . . . . . . . . . . . 94

A-15 Imagen de electroscopio de hoja lata. Construccion propia. . . . . . . . . . 94

A-16 Izquierda: Carga por contacto. Derecha: Reaccion del electroscopio previa-

mente cargado y ante la aproximacion de carga externa. Figura tomada de

Aristizabal (2018). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

A-17 Descarga de un cuerpo cargado negativamente (izquierda) y positivamente

(derecha). Figura tomada de Aristizabal (2018). . . . . . . . . . . . . . . . 96

A-18 Electroscopio cargado positivamente (izquierda) y negativamente (derecha)

por induccion. Figura tomada de Aristizabal (2018). . . . . . . . . . . . . . 97

A-19 Electroscopio de Henley y electroforo construido con lamina de aluminio

muy delgada (izquierda) y Electroforo construido de mejor funcionamiento

(derecha). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

A-20 Pila casera con 6 monedas de $100, arandelas y carton con vinagre alcanzando

a prender un led. Imagen propia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

A-21 Baterıa en serie con vinagre y electrodos. Imagen propia . . . . . . . . . . . 101

A-22 Botellas de Leyden caseras. Izquierda: Recubierta con papel aluminio en

el interior y exterior. Derecha: Llena de agua con sal en el interior y con

recubrimiento de papel aluminio en el exterior. Construccion propia. . . . . 102

Lista de Tablas

2-1 Normograma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Introduccion

La problematica de la falta de comprension de los fenomenos electrostaticos por parte de los

alumnos de bachillerato y primeros semestres de universidad, el bajo rendimiento reflejado en

los estudiantes que reprueban y/o cancelan la asignatura es una realidad a la que se enfrentan

los profesores del area. Lo anterior se evidencia, tal vez, por que al momento que el alumno

debe enfrentarse al curso de fısica II (Electromagnetismo) tiene debilidades en asimilar los

conceptos de carga electrica, campo electrico, fuerza electrica y potencial electrico. Esto

ocurre especialmente por dos razones: 1. Son conceptos abstractos y 2. Los estudiantes no han

desarrollado el pensamiento analıtico que facilite la asimilacion del pensamiento abstracto

con la correspondiente comprension de los conceptos mencionados. A raız del problema

anterior se procede a formular una pregunta:

¿Favorece indagar en los conceptos y experimentos ‘originales’ para que se de un ‘redescu-

brimiento’ del concepto y este conlleve a un aprendizaje significativo?

Con esta propuesta de enfoque epistemologico, que pretende resaltar el experimento como

estımulo al redescubrimiento, se propone llegar a la comprension de conceptos propios de

la electrostatica. Para ello, se deja a disposicion este material con el que el profesor pue-

de encontrar un desarrollo historico de los conceptos, que no se da en los textos guıas, y

como complemento se desarrollan o sugieren algunos experimentos, recreando el origen del

experimento real. En el documento tambien encontrara algunas preguntas orientadoras que

encaminan a la asimilacion de los conceptos por parte del alumno.

Para la investigacion se plantea un objetivo general (Sec. 1.5): Investigar, seleccionar y discu-

tir el origen, el contexto historico, el desarrollo epistemologico y los experimentos relevantes,

usando fuentes originales y/o traducciones confiables, de los conceptos: carga electrica, po-

tencial electrico y capacitancia, que permitan disenar implementaciones para el aula, favore-

ciendo el redescubrimiento de los mismos y reduciendo la brecha en apropiacion, motivacion

y desempeno academico de los estudiantes.

La propuesta tiene como referente teorico (Sec. 2.1) el aprendizaje significativo crıtico de Mo-

2 Introduccion

reira. Especialmente se trabajara con los principios del conocimiento previo Moreira (2005):

Aprendemos a partir de lo que ya sabemos.

Ensenar/aprender preguntas en lugar de respuestas.

El principio del conocimiento como lenguaje.

El principio de la conciencia semantica.

El principio de la no centralizacion en el libro de texto.

En el marco conceptual (Sec. 2.2) se resalta la importancia de la electrostatica para la inter-

pretacion, con bases cientıficas, de fenomenos que ocurren en nuestro diario vivir. Diversas

investigaciones apuntan a la importancia de la experimentacion como una estrategia vital

en el proceso de aprendizaje: “Enfrentar al estudiante al fenomeno fısico serıa una estrate-

gia para que este se formule la pregunta del por que de ese fenomeno y que la respuesta

se convierta en la motivacion para la elaboracion de un formalismo” (Marulanda y Gomez,

2006). Tambien, se resaltan las aplicaciones al tema de la electrostatica y como por medio

de la medicion de diferencias de potencial en el cuerpo se pueden realizar, por ejemplo, los

encefalogramas o electrocardiogramas.

La metodologıa (Cap. 3) empleada se basa parcialmente1 en la investigacion-accion, ya que

esta puede llegar a transformar los procesos educativos en el aula. En dicha metodologıa,

el profesor puede profundizar en el problema a solucionar; en este sentido, autores que

han trabajado sobre la investigacion-accion como Herreras (2004), dice: “el proposito de

la investigacion-accion, desde un enfoque interpretativo, es profundizar la comprension del

profesor de su problema, tambien interpreta lo que ocurre desde el punto de vista de quienes

interactuan en la situacion problema”.

En el metodo (Sec. 3.2) se desarrollan las fases de la propuesta. La primera es la fase

diagnostica: en esta se selecciono un tema y surge una pregunta, se plantea una propuesta

de caracter experimental, con enfasis epistemologico, de la ensenanza de la electrostatica, y

se propone un objetivo general y algunos especıficos. Luego, seguimos con la fase de elabora-

cion de un plan de accion: en esta fase se desarrolla el marco teorico que tiene como soporte

1Como la investigacion llevada a cabo es del tipo monografıa, principalmente debido a la emergencia

sanitaria ocasionada por el COVID-19 y a la consecuente virtualidad de las instituciones educativas

durante el desarrollo de la presente investigacion, no hay etapa de accion y evaluacion, quedando esta

ultima abierta para un trabajo futuro.

Introduccion 3

el aprendizaje significativo crıtico de Moreira, donde se utilizan cinco de los principios. Se

elabora el marco conceptual donde se evidencia la importancia del tema a ensenar en la

disciplina misma y como aporta a otras disciplinas.

Despues, se pasa a la fase de ejecucion, escritura y experimentacion (Cap. 4). En esta fase,

desarrollamos la propuesta, se montan las experiencias con base en la literatura y se disenan

las actividades que formaran parte de la propuesta didactica de ensenanza-aprendizaje.

El impacto esperado con la propuesta es que los profesores, y a traves de ellos, los alumnos,

vean una manera didactica, argumentativa y ludica de acercarse a los conceptos, por medio

de experiencias con materiales comunes y, a traves de ello, despertar el espıritu investiga-

tivo en los jovenes. Tambien se pretende que el alumno se ponga en el contexto historico

de los experimentos llevados a cabo en las epocas de los desarrollos de estos. No pretende-

mos con lo anterior descalificar los esfuerzos en los manuales de laboratorio estandar. Sin

embargo, ofrecemos este trabajo como alternativa y esperamos que su uso, adaptacion o

aplicacion combinada con los manuales de laboratorio, mejoren la apropiacion de conceptos

y el aprendizaje significativo por parte de la poblacion estudiantil.

El desarrollo de la monografıa empieza con una investigacion exhaustiva de los conceptos

(Cap. 4): carga electrica, capacitancia y potencial electrico. En el se evidencian los principales

exponentes de cada uno de los conceptos y la epoca en la cual se dan. Se busca reproducir

los experimentos mas relevantes (a nuestro leal saber y entender) que dieron origen a los

fenomenos o conceptos que se pretenden desarrollar. Luego, se hace una serie de preguntas

orientadas hacia la comprension y asimilacion de estos. Esta fase se desarrolla en los anexos

(Sec. A).

Mas detalladamente, en el Cap. 4 de la monografıa se desarrollan las siguientes secciones:

Carga electrica (Sec. 4.2), en donde se empieza con la historia y desarrollo del con-

cepto de carga electrica desde los griegos en el siglo VII A.C, pasando por Gilbert, en

el siglo XVII, quien acuno el termino de electricidad, cuerpos electricos y anelectricos,

y que hoy en dıa corresponden a conductores y aislantes. Luego, en el siglo XVIII,

aparece Du Fay, estableciendo la teorıa del doble fluido electrico que categorizo como

vıtreo (que era lo contrario al ambar), y resinoso (como el ambar), pasando luego a la

teorıa del fluido unico de Franklin. Dicho fluido podrıa encontrarse en exceso, carga

positiva, o en defecto, carga negativa.

Medicion de carga electrica (Sec. 4.3), en la que se expone como se llego a medir

la carga electrica gracias a los experimentos de Coulomb. En los anexos se podran

4 Introduccion

encontrar una serie de experimentos con electroscopios de sencilla construccion y se

proponen actividades para el aula.

Capacitancia y potencial electrico (Sec. 4.4), en el se hace una busqueda del con-

cepto, se pasa por la historia con el desarrollo de la botella de Leyden, que se puede

considerar el experimento mas importante del siglo XVIII, ya que con este podıan

almacenar la carga electrica. Se describen los experimentos de Volta y se reproducen

algunas construcciones de botellas de Leyden, electroforo y otros experimentos mas

que simulan las principales experiencias de la epoca con materiales comunes y se adap-

tan para ser desarrollados en el aula con preguntas que orientan al estudiante a la

comprension del concepto: potencial electrico. Esto se encontrara en el anexo (A.4).

Maquinas electrostaticas (Sec. 4.5). En esta seccion se hace una busqueda de las

principales maquinas electrostaticas desarrolladas para la epoca y como los medicos de

la epoca utilizaron algunas maquinas electrostaticas en las terapias de pacientes.

Por ultimo, presentamos las conclusiones y recomendaciones (Cap. 5), en donde se

dan recomendaciones para la fabricacion de los aparatos desarrollados y como se pueden

implementar en el aula para complementar las practicas de laboratorio. Tambien se dan las

conclusiones de la investigacion y el alcance de los objetivos trazados, teniendo en cuenta

que la investigacion es de caracter monografico con aportes didacticos para llevar al aula.

Consecuentemente, que no fue implementada debido a la pandemia COVID-19. Se deja

abierta la implementacion en el aula para cualquier docente que la quiera aplicar, incluso

para el propio investigador en el desarrollo de cursos futuros.

1. Diseno teorico

1.1. Antecedentes

La falta de comprension de fenomenos electrostaticos en el comunidad estudiantil lleva a la

reprobacion o desercion de la asignatura de fısica de electricidad y magnetismo. Numerosas

investigaciones en el campo de la ensenanza de la fısica han llegado a la conclusion que

para minimizar tales efectos se hace fundamental enfatizar en estrategias que conduzcan a

mejoras en la conceptualizacion y el acercamiento fenomenologico de los estudiantes con la

electricidad y el magnetismo.

Como lo expresa Julia Salinas, citada por Castaneda (2012): “Sin un vınculo claro entre la

teorıa y los fenomenos reales no hay una clara vision del mundo real y el significado basado

en los hechos y no en lo teorico ”.

Tambien, Castaneda (2012), citando a Marulanda y Gomez (2006), afirma que ellos sostie-

nen la idea anteriormente expuesta, al decir que es notoria la dificultad que presentan los

estudiantes en el aprendizaje de la fısica, pues hay conceptos que resultan ser muy abstractos

para el alumno en el sentido que el estudiante no tiene un referente concreto. Dicha situacion

origina apatıa hacia la asignatura que va a afectar el rendimiento academico.

El problema del aprendizaje del campo electrico y del potencial electrico fue abordado por

investigadores tales como Furio, Guisasola, y Zubimendi (2016), que ven un problema en la

falta de aprendizaje significativo de conceptos. Otros autores como (Llancaqueo, Caballero, y

Antonio, 2003, p. 230) refuerzan esta idea diciendo que un aprendizaje significativo del con-

cepto de campo es necesario para la formacion cientıfica de los estudiantes, su comprension

de fenomenos fısicos, entre otros:

6 1 Diseno teorico

Para los fines de la educacion en ciencias, entendida como hacer que el alumno comparta

significados en el contexto de las ciencias, e interprete el mundo desde el punto de vista de

las ciencias, generando nuevas capacidades representacionales que hagan posible nuevas

formas de conocimiento, que se alejen de la inmediatez de los conocimientos intuitivos,

un aprendizaje significativo de conceptos cientıficos claves, como el concepto de campo,

es una condicion necesaria para la formacion cientıfica de los estudiantes...

(Llancaqueo et al., 2003)

Como referentes teoricos citamos a Furio-Mas y Aranzabal (1999), en su escrito titulado

Concepciones alternativas y dificultades de aprendizaje en electrostatica. Seleccion de cues-

tiones elaboradas para su deteccion y tratamiento. En dicho trabajo los autores se enfocan

en el campo de la electricidad y evaluan una serie de situaciones centradas en los conceptos

tales como carga, campo y potencial, y ponen en evidencia las dificultades en el aprendizaje

de la electrostatica.

Furio y Guisasola tienen otro trabajo (Furio-Mas y Aranzabal, 1998) tambien muy enfocado

en los conceptos de carga y campo electrico, estudiando dos frentes. Por un lado, las dificul-

tades de aprendizaje que tienen los estudiantes de bachillerato y universidad en la teorıa y

conceptos de los fenomenos electrostaticos, y por otro lado, analizan el paralelismo entre las

dificultades de estos con los problemas epistemologicos que tuvo que superar la historia de

la electricidad para constituirse en ciencia.

En Llancaqueo et al. (2003), artıculo titulado: El concepto de campo en el aprendizaje de la

fısica y en la investigacion en educacion en ciencias, se destaca la importancia del aprendi-

zaje del concepto de campo como pieza fundamental y clave de la fısica clasica y contem-

poranea para una comprension del mundo fısico. Otros autores que enfocan su trabajo en la

electrostatica son Aloma y Martins Vieira (2008), de la Universidad de Simon Bolıvar, en

Venezuela, quienes investigan como ensenar el concepto de flujo electrico.

1.2. Planteamiento del problema

El ser humano ha buscado respuestas a las preguntas basicas de su cotidianidad a traves de

un metodo cientıfico innato a su ser: preguntar, lanzar hipotesis y desarrollar metodos que

le permitan verificar o descartar su pensamiento inicial. Es decir que, la duda, como base del

metodo socratico, es solo el inicio de un ciclo cientıfico. Este proceso se ha intentado incluir en

1.2 Planteamiento del problema 7

las aulas educativas y que se vuelva el centro de la ensenanza. Sin embargo, diversos factores

afectan que los estudiantes completen el ciclo y desarrollen las habilidades que posibiliten la

adquisicion de los conocimientos establecidos.

En este caso, aunque el area de las ciencias naturales no es la unica que genera espacios para

desarrollar estas competencias cientıficas, sı esta en el foco de sus clases moldear, en palabras

de Piaget, estructuras mentales cientıficas. Empero, aunque en los diferentes documentos del

Ministerio de Educacion Nacional se contempla el desarrollo de las diferentes habilidades

cientıficas, al compararlo con la realidad de los jovenes que acceden a programas de corte

cientıfico en las universidades, estos no tienen las competencias necesarias para asumir los

retos propios de la Universidad.

La fısica es una de las asignaturas de mayor complejidad para los alumnos de primeros

semestres de ingenierıa, esto se debe a diversos factores tales como las pocas competencias

matematicas que les impiden acceder a procesos mayores de pensamiento y la dificultad para

comprender conceptos abstractos propios de la materia.

La ensenanza de la electricidad y el magnetismo, tanto a nivel universitario como en bachille-

rato, se hace difıcil para el docente por ser una tematica que poco comprenden los estudiantes,

ya que se manejan conceptos poco tangibles como carga electrica, campo electrico, poten-

cial electrico, entre otros. Los docentes tratan de hacer todo a su alcance para facilitar la

comprension de los mismos, tanto desarrollando la parte teorica como experimental, muchas

veces sin fortuna. Esto se evidencia en la perdida de la asignatura o en su cancelacion, o en

muchos casos provoca incluso la desercion de la universidad.

Otro factor relevante, que contribuye a la poca asimilacion de los conceptos en el area de

la electricidad y el magnetismo esta relacionado con la agenda curricular, especialmente a

nivel universitario, donde el docente dispone de poco tiempo (en ocasiones, una sola sesion

de clase) para presentar los fundamentos de esta teorıa y se ve forzado a entrar en detalles

de formalismo matematico en aras de precision y rapidez expositiva. Consecuencia de lo

anterior, y siendo necesaria una alta abstraccion para la asimilacion, el estudiante encuentra

poca familiarizacion e incluso apatıa con los temas de la asignatura.

Es ası como se identifica un problema especıfico en la ensenanza-aprendizaje de la electricidad

y el magnetismo, cuya solucion favorecerıa a la reduccion de ındices de perdida, cancelacion

o desercion de la asignatura. Este problema, que guiara la presente investigacion, podemos

enunciarlo como sigue:

8 1 Diseno teorico

La escasa dedicacion en el aula, motivada por la restriccion de numero de clases asignadas

al estudio de fundamentos en electrostatica y el grado de abstraccion de los conceptos aso-

ciados: carga electrica, potencial electrico y capacitancia, junto con la precaria exploracion

epistemologica de los mismos en la mayorıa de textos guıa, juegan en contra del progreso

intelectual del estudiante, incrementando la brecha para comprender situaciones de mayor

complejidad y el trasfondo de las Leyes que rigen la teorıa electromagnetica.

1.3. Formulacion de la pregunta

De acuerdo con Velazco y Salinas (2001): La ensenanza y aprendizaje de los conceptos de

campo, potencial y energıa electrica plantea serias dificultades a estudiantes y docentes. Sus

resultados muestran la necesidad de complementar la instruccion con abordajes cualitativos,

conceptuales y comprensivos, que habitualmente se enfocan en formalismos matematicos,

cuyo significado fısico no queda claro ante los estudiantes.

Con respecto a lo anterior se establece la pregunta:

¿Favorece indagar los conceptos, sus orıgenes epistemologicos y reproducir los experimentos

originales para disenar intervenciones en el aula mas eficaces que promuevan un redescubri-

miento del concepto y esto conlleve a un aprendizaje significativo en la electrostatica dentro

de un tiempo prudente para su posterior formalizacion en enunciados matematicos?

1.4. Justificacion

Diferentes investigadores han abordado el problema de la dificultad del aprendizaje de la

electricidad, tanto en la educacion media como en los primeros semestres de universidad,

apuntando hacia las estrategias didacticas para disminuir la problematica, enfocados hacia

la experimentacion como una posible solucion a la misma. Es por medio de ella que los

alumnos podrıan ser los actores de su propio conocimiento. Segun (Marulanda y Gomez,

2006, p.7): “Enfrentar al estudiante al fenomeno fısico serıa una estrategia para que este

se formule la pregunta del por que de ese fenomeno y que la respuesta se convierta en la

motivacion para la elaboracion de un formalismo.”

Con referencia a los estudiantes de ingenierıa y ciencias, la asignatura de electricidad y

magnetismo es vital para identificar principios, leyes y conceptos fısicos involucrados, para

1.4 Justificacion 9

posteriormente plantear soluciones dentro de un marco teorico adecuado. Tambien aporta

al desarrollo de la competencia investigativa, a la cual apunta la formacion universitaria. La

ensenanza de la electrostatica basada en practicas experimentales provee una metodologıa

que puede ayudar en los procesos de aprendizaje de contenidos procedimentales. Tambien,

favorece el pensamiento cientıfico del alumno, al igual que desarrolla competencias inves-

tigativas. A favor de lo anterior hay investigadores, tal como Perez (2012, p. 10-11) que

resalta:

El desarrollo de competencias investigativas implica saber utilizar el conocimiento en for-

ma adecuada, afianzando habilidades para observar, preguntar, argumentar, sistematizar,

a fin de crear o gestionar el conocimiento, sobre la base del interes, la motivacion hacia

la investigacion, el desarrollo de sus capacidades y la realizacion personal del estudiante.

En cuanto a la importancia del curso de electricidad y magnetismo, se entiende que este

es primordial para entender fenomenos y principios de funcionamiento de muchos aparatos

tecnologicos que nos hacen mas facil la vida, tales como la nevera que nos permite preservar

los alimentos por mucho mas tiempo, los telefonos celulares que nos permiten comunicarnos,

la energıa electrica, el internet, el horno microondas, y tambien da cuenta de fenomenos que

apreciamos a diario, como el rayo, el encendido de una bombilla, los impulsos nerviosos,

entre otros.

Con el estudio de la electrostatica podrıamos entender por que al quitarnos una camisa de

poliester esta cruje, o cuando pasamos por una alfombra y tocamos el pomo metalico de una

puerta o rozar sin querer a un amigo, hayamos experimentado una sensacion poco agradable

de una especie de calambre. Todo lo anterior es debido a la electricidad estatica.

La electricidad tambien es la responsable de que podamos pensar, sentir, reflexionar y hacer

preguntas, ya que hay cargas electricas que saltan entre innumerables millones de los apro-

ximadamente 100.000 millones de celulas que componen nuestro cerebro. Al mismo tiempo,

si podemos respirar es gracias a que los impulsos electricos producidos por los nervios hacen

que varios musculos de nuestro pecho se contraigan y se relajen en una complicada sinfonıa

de movimientos (Lewin y Goldstein, 2012, p. 131).

El desarrollo de algunos aparatos biomedicos se basa en principios de la electricidad y fun-

cionan debido a una diferencia de potencial, tales como el electrocardiograma, que consiste

en unos electrodos que se colocan en diferentes partes del cuerpo y se miden las diferen-

cias de potencial entre ellos. El electroencefalograma, donde los electrodos se colocan en

puntos especıficos de la cabeza y se miden las diferencias de potencial que caracterizan el

10 1 Diseno teorico

comportamiento del cerebro. Otras aplicaciones que utilizan los principios de la electricidad

son las fotocopiadoras, donde el tambor xerografico es un cilindro de aluminio recubierto de

selenio. El aluminio es un buen conductor mientras que el selenio es un fotoconductor, es

decir, es aislante en la oscuridad, pero se convierte en conductor cuando se expone a la luz.

En consecuencia, una carga positiva depositada en la superficie de selenio permanecera ahı,

si el selenio esta a oscuras. Cuando el tambor se expone a la luz, los electrones del aluminio

pasan a traves del selenio conductor y neutralizan la carga. Las anteriores son algunas de

las muchas aplicaciones tecnologicas de los principios de la electricidad.

El diseno de buenas practicas docentes en ciencias experimentales sugiere el desarrollo de

las competencias conceptuales, procedimentales y actitudinales por parte de los estudiantes.

Con respecto a las competencias, Insausti y Merino (2016, p. 97) dicen:

En los disenos curriculares de ciencias experimentales aparecen con frecuencia claramente

diferenciados los contenidos conceptuales, los procedimentales y los actitudinales. Esto

presenta el peligro de inducir a pensar erroneamente que los tres tipos de contenidos son

objetos didacticos desconectados, que se han de tratar por separado. Esto es inexacto, ya

que los tres tipos de contenidos han de ser tratados integrada y coordinadamente.

Un impacto esperado con el presente trabajo es contribuir a estrategias que permitan desa-

rrollar de forma integradora los tres contenidos anteriormente mencionados. Otro aspecto en

el que podra ayudar es el trabajo con materiales comunes porque no se necesita el espacio

fısico de un salon, adecuado como laboratorio, que sirva para desarrollar las actividades,

sino que ellas se pueden realizar en cualquier lugar, fomentando el aprendizaje no solo en el

aula sino en diferentes espacios. De acuerdo con Urbina (2002), la experimentacion se vuelve

primordial en el proceso de aprendizaje:

En el caso particular de las ciencias naturales, hoy mas que nunca se hace indispensable

un proceso de ensenanza-aprendizaje mas vivencial, primero: que los ninos y jovenes se

sientan mas motivados en su aprendizaje, ya que son estas disciplinas las que, en mayor

medida, les ayudaran a comprender mejor el mundo que los rodea.

Se debe aclarar que la idea del diseno de las actividades propuestas no es que el estudiante

siga una “receta”, sino que tenga la capacidad de hacerse preguntas, ası no tengan las

respuestas para ellas. En este sentido, Insausti y Merino (2016, p. 97) afirman: “El uso que

tradicionalmente viene haciendose del laboratorio, basado en la realizacion de practicas-

receta en las que el alumno sigue fielmente las indicaciones escritas en un guion es una forma

pobre y obsoleta de utilizar este recurso didactico tan importante”.

1.4 Justificacion 11

En esta misma lınea Espinosa-Rıos, Gonzalez-Lopez, y Hernandez-Ramırez (2016, p. 269)

argumentan que:

Muchos docentes tienen conceptos erroneos de las practicas de laboratorio respecto a

las dificultades en la ensenanza. Creen que la intencion de la practica es confirmar algo

tratado en una leccion de tipo expositivo. Segun ellos, los estudiantes deben seguir una

receta para llegar a la conclusion predeterminada, en consecuencia, la demanda cognitiva

en el laboratorio tiende a ser muy baja. De igual forma, se presentan mayores dificultades

en los procesos de ensenanza-aprendizaje al implementar estas estrategias didacticas,

ya que se conciben como espacios que permiten comprobar la teorıa; esta practica trae

consigo graves consecuencias, ya que la experimentacion sirve para obtener un producto

esperado, descartando otras posibilidades de aprendizaje como las ideas previas que tienen

los estudiantes y los errores que ellos pueden cometer durante su realizacion. La rigidez,

el control y seguir instrucciones desplazan el desarrollo de los procesos cognitivos en los

estudiantes.

Sobre referencias que se enfoquen a la construccion de manuales experimentales de fısica,

empleando materiales cotidianos, esta el trabajo de Castaneda (2012), quien desarrollo un

manual de laboratorio empleando materiales cotidianos, enfocado en guiar a los estudiantes

hacia el descubrimiento de los conceptos basicos de la fısica en el grado decimo.

En conclusion, para no incurrir en una practica de laboratorio tipo receta que no aporta

mucho al estudiante, se pretende utilizar los materiales cotidianos y desarrollar experiencias

de laboratorio donde la finalidad principal es que el alumno pueda comprender conceptos

vistos en la teorıa, desde un enfoque epistemologico; que ellos se den a la tarea del redescu-

brimiento del concepto por medio de la reproduccion (o al menos asemejarse al mismo) de los

experimentos llevados a cabo en la epoca en que surgio el concepto. Para ello habra algunas

preguntas orientadoras que permitan desarrollar en los alumnos procesos de pensamiento,

pero ademas, ellos podran proponer preguntas y respuestas a las mismas, enriqueciendo ası

su conocimiento sobre los fenomenos vistos.

12 1 Diseno teorico

1.5. Objetivos

1.5.1. Objetivo General

Investigar, seleccionar y discutir el origen, el contexto historico, el desarrollo epistemologico

y los experimentos relevantes, usando fuentes originales y/o traducciones confiables, de los

conceptos: carga electrica, potencial electrico y capacitancia, que permitan disenar imple-

mentaciones para el aula, favoreciendo el redescubrimiento de los mismos y reduciendo la

brecha en apropiacion, motivacion y desempeno academico de los estudiantes.

1.5.2. Objetivos Especıficos

Objetivo Especıfico 1. Investigar y seleccionar los artıculos originales o traducciones

posteriores en donde se postulan los principales hallazgos en relacion con los conceptos

de carga electrica, capacitancia y potencial electrico.

Objetivo Especıfico 2. Sistematizar y discutir el material recopilado ası como tam-

bien, identificar los experimentos mas relevantes y su posible reproduccion.

Objetivo Especıfico 3. Realizar los experimentos seleccionados y proponer activi-

dades para el aula que sirvan de apoyo para fomentar el redescubrimiento de dichos

conceptos con materiales comunes y el uso de la investigacion epistemologica.

2. Marco Referencial

2.1. Marco Teorico

En el estudio de la electricidad hay conceptos abstractos y de difıcil comprension para el

estudiante, por ello se desea llevar a cabo una propuesta de ensenanza que favorezca la

comprension de los conceptos propios de la electrostatica.

Esta propuesta tendra como referente teorico el aprendizaje significativo crıtico de Moreira,

que es una perspectiva que permite al sujeto formar parte de su cultura y, al mismo tiempo,

estar fuera de ella. A traves de dicho aprendizaje es como el alumno podra aprender crıti-

camente y, en donde el alumno es el protagonista en su proceso de aprendizaje a traves de

la participacion activa en actividades colaborativas. De esta forma el sujeto puede tener una

postura crıtica frente a los escenarios que se le presentan y puede enfrentar la ambiguedad

y la incertidumbre sin perderse. El aprendizaje significativo crıtico propone once principios

facilitadores del conocimiento significativo crıtico Moreira (2005).

Los principios del aprendizaje significativo crıtico que sustentaran esta propuesta de en-

senanza de caracter experimental, con enfasis epistemologico, son los siguientes:

Principio del conocimiento previo. Aprendemos a partir de lo que ya sabemos.

Para propiciar un aprendizaje significativo crıtico es necesario que previamente se haya

dado un aprendizaje significativo en el sentido de construir, elaborar, mejorar y asimilar

significados socialmente construidos y aceptados. El conocimiento previo es definitivo para

obtener un conocimiento significativo crıtico, es el pilar fundamental del que debemos partir

para llevar a nuestros alumnos a este tipo de aprendizaje, es decir, un aprendizaje en donde

el alumno este en la capacidad de cuestionar lo que esta aprendiendo.

Comentario: Con base en este principio se propone hacer una indagacion de los conocimientos

previos que tienen los alumnos sobre la electrostatica para tener un punto de partida en la

implementacion de la propuesta de ensenanza del tema en cuestion.

14 2 Marco Referencial

Principio de la interaccion social y del cuestionamiento. Ensenar/aprender pre-

guntas en lugar de respuestas. Para que haya un acto de ensenanza es indispensable

que entre alumno y profesor se de un intercambio de significados mediante una ensenanza

basada en preguntas. Ademas, estas preguntas por parte del alumno deben ser sistematicas,

relevantes, sustantivas y apropiadas, que privilegien el aprendizaje significativo crıtico, y en

donde se presente la colaboracion entre ambos interlocutores para construir significados, y

no se favorezca la transmision de respuestas por parte del docente a las preguntas de sus

alumnos.

Principio del conocimiento como lenguaje. Conocer el lenguaje propio de una disciplina

es la puerta de entrada para la comprension del conocimiento de la misma. El lenguaje es

complice en las formas de percibir el mundo, pues “cada lenguaje, tanto en terminos de

su lexico como de su estructura representa una manera singular de percibir la realidad.

Practicamente todo lo que llamamos conocimiento es lenguaje” (Moreira, 2005, p. 91). Para

comprender un conocimiento o un contenido es indispensable conocer su lenguaje, con ello

nos referimos a su lexico, sus sımbolos, sus signos, sus instrumentos de forma sustantiva y

no arbitraria. Tambien se deben conocer sus significados a traves de la conciencia semantica.

Principio de la conciencia semantica. Este principio facilitador del aprendizaje signi-

ficativo crıtico nos habla de las concientizaciones que debemos tener de los significados, ya

que ellos dependen de lo que perciben las personas y no de las palabras. Otra concientizacion

que se debe tener es que las palabras no son aquello a lo que se refieren, ya que, la palabra

es algo, pero no significa ese algo. Las palabras son una representacion, el significado es

una abstraccion. Tambien hay que resaltar que cuando se usan palabras para nombrar las

cosas, los significados tienen direccion, hay significados connotativos que son aquellos inten-

cionales, subjetivos y personales y significados denotativos que son extensionales, objetivos y

sociales; para el caso del aprendizaje significativo lo que se quiere compartir son significados

connotativos.

Otro aspecto que se debe mencionar es que las palabras cambian, pero las utilizaciones de

nombres para las cosas tienden a fijar aquello que se nombra, lo que puede dificultar la

percepcion del cambio. En la medida que el alumno sea capaz de desarrollar la conciencia

semantica tendra claro que las respuestas no tienen que ser necesariamente ciertas o falsas

o que las decisiones solo son con respuestas de sı o no, sino que hay un abanico mas amplio

para responder a las situaciones planteadas.

Comentario. Como sera analizado posteriormente en el capıtulo 4, muchos de los conceptos de

la electrostatica fueron establecidos como resultado de la interpretacion de experimentos y de

2.2 Marco Disciplinar 15

buscar analogıas, especialmente en el area de la fısica de los fluidos (Ejemplo: Condensacion,

corriente, etc.), dado el caracter microscopico (no visible) de los fenomenos, que requerıa

mayor abstraccion. Es entonces recomendable que como actividad de aprendizaje facilitadora

de los anteriores principios se introduzcan experimentos semejantes a las originales que con

suficiente orientacion por parte del docente y su interlocucion con los estudiantes, permitan

construir el lenguaje y la conciencia semantica, asociada a esta disciplina.

Principio de la no centralizacion en el libro de texto. Del uso de documentos,

artıculos y otros materiales educativos. De la diversidad de materiales educa-

tivos. Se inclina porque la ensenanza este enfocada por informacion sacada de diferentes

fuentes y no solamente de un libro guıa. Este principio nos invita al uso de diferentes ma-

teriales, lo cual es sin duda un elemento fundamental en la ensenanza en estos tiempos,

debido a la gran facilidad de encontrar informacion en internet, donde podemos tener acceso

a artıculos de revistas cientıficas, bases de datos, diferentes libros, entre otras fuentes de

consulta. La finalidad de las diferentes fuentes de informacion es facilitar en el alumno un

aprendizaje significativo crıtico, ya que, seguir solamente un libro como texto guıa es una

practica docente que no es formadora, pues allı se limita el cuestionamiento, y este podrıa ser

favorecido mediante fuentes como artıculos de revistas, cuentos, cronicas, relatos entre otros.

La aplicacion de este principio puede descompactar el conocimiento y ello lleva a cuestiona-

mientos, que van en la ruta del aprendizaje significativo crıtico que se pretende desarrollar

en los alumnos.

2.2. Marco Disciplinar

La fısica es la ciencia que tiene como objeto de estudio los principios basicos del universo, es

decir, es la encargada de estudiar la materia, la energıa, el espacio, el tiempo, las interacciones

entre los cuerpos y las relaciones entre ellos. Los desarrollos de la tecnologıa se fundamentan

en las leyes de la fısica. Por ejemplo, las telecomunicaciones se basan en las leyes de las ondas

electromagneticas, al igual que el motor electrico, por nombrar algunos. Es indudable que

gracias a leyes de la fısica se ha dado un gran avance tecnologico en nuestro planeta. Basado

en los principios del electromagnetismo se ha avanzado en la tecnologıa con la que contamos

hoy en dıa.

Ahora bien, refiriendonos a la electrostatica, ella se encarga de estudiar las cargas en reposo,

la fuerza entre las cargas y el comportamiento de los materiales, clasificandolos como buenos

conductores, malos conductores o aislantes. Es primordial el estudio de la electrostatica para

16 2 Marco Referencial

despues poder continuar con el estudio de las cargas en movimiento, es decir las corrientes

electricas, y luego, llegar al magnetismo y las relaciones entre los fenomenos electricos y

magneticos.

Las relaciones entre la electricidad y el magnetismo se empezaron a evidenciar en el ano 1820

cuando Oersted y Ampere demostraron que efectos magneticos podıa evidenciarse debido

a corrientes electricas. Luego Faraday, en 1831, demostro la generacion de corriente electri-

ca a partir de campos magneticos. Gracias a los trabajos de Oersted, Ampere y Faraday

se sientan las bases experimentales del electromagnetismo. Adicionalmente, Faraday, es el

responsable de introducir el concepto de campo para poder describir las fuerzas electricas

y magneticas. Luego Maxwell, gracias a los trabajos de los anteriores, y de cientıficos tales

como Gauss, realiza la formulacion matematica de los fenomenos electromagneticos y gracias

a ello podemos disfrutar de un sinnumero de aparatos que basan su funcionamiento en el

electromagnetismo.

La buena comprension y estructuracion de los conceptos vistos en la electrostatica, tales

como carga, fuerza electrica, campo electrico, potencial electrico, capacitancia, al igual que

el concepto de flujo, ayudaran al estudiante a enfrentar las dificultades del aprendizaje de la

electricidad y el magnetismo.

Ahora bien, el estudio de la electricidad, enfocada desde el MEN (1998), resalta la impor-

tancia de una buena formacion cientıfica, tal como se expresa en el documento previamente

citado: “Llevar a cabo procedimientos sencillos de naturaleza cuantitativa; razonar y ar-

gumentar logicamente; enfrentar los posibles hechos futuros manejando adecuadamente la

incertidumbre que sobre ellos hay: imaginar, evaluar y criticar posibles alternativas de solu-

cion”.

Con respecto al papel del laboratorio, el documento del MEN (1998) resalta la importancia

del mismo ya que “el experimento tiene el papel de confirmar o falsear las hipotesis que el

cientıfico ha construido sobre la base de sus idealizaciones acerca del Mundo de la Vida”.

Segun los lineamientos del MEN (1998), el tema de la electrostatica se empieza a ensenar

en los diferentes grados de escolaridad en Colombia. Los lineamientos curriculares estan

discriminados por grados de escolaridad. La electrostatica se menciona en los grados cuarto,

quinto y sexto, abordando las cargas electrostaticas, los rayos y los pararrayos. Luego, en los

grados de septimo, octavo y noveno, se retoman las cargas electrostaticas desde un punto

cuantitativo. En los grados decimo y undecimo se aborda el concepto de campo electrico y

de campo magnetico. Relaciones cuantitativas entre carga, corriente y resistencia.

2.3 Marco Legal 17

Por otra parte, segun los derechos basicos de aprendizaje de la electrostatica, presente en El

Derecho Basico de Aprendizaje (D.B.A) 2. afirma: Comprende que la interaccion de las cargas

en reposo genera fuerzas electricas y que cuando las cargas estan en movimiento genera

fuerzas magneticas. Entre las evidencias de aprendizaje estan: Identifica el tipo de carga

que adquiere un material cuando se somete a procedimientos de friccion o contacto. Como

se puede ver, la ensenanza de la electrostatica es fundamental para desarrollar el espıritu

cientıfico de los alumnos y tener las bases necesarias para dar explicacion a muchos fenomenos

que se encuentran en el diario vivir, ası como de entender el principio de funcionamiento de

muchos aparatos que se basan en el electromagnetismo para funcionar.

2.3. Marco Legal

El marco normativo, esta constituido por las leyes, decretos y documentos que reglamenta

el gobierno colombiano para la educacion a todos los niveles, desde primaria, pasando por

basica y tambien a nivel universitario.

En particular nos importan las leyes o artıculos que tengan que ver con la basica secundaria

y universitaria, ya que este trabajo va enfocado a grado undecimo y primeros semestres de

universidad.

El marco legal se hara en forma de normograma (ver Tabla 2-1) para facilitar la ubicacion

de la ley o artıculo (primera columna), en la segunda columna va la descripcion del artıculo

y en la tercera columna un contexto de la ley.

18 2 Marco Referencial

Artıculo Texto Contexto

Constitucion polıtica

de Colombia (1991)

Artıculo 67. La educacion es un derecho de la persona y un

servicio publico que tiene una funcion social; con ella se busca

el acceso al conocimiento, a la ciencia, a la tecnica, y a los

demas bienes y valores de la cultura.

Artıculo 67 Acceso a

la educacion del indivi-

duo como un derecho y

servicio publico

Constitucion polıtica

de Colombia.

Se garantiza la autonomıa universitaria. Las universidades

podran darse sus directivas y dirigirse por sus propios estatus,

de acuerdo con la ley.

Artıculo 69 Libertad

de las universidades

para sus directivas y

estatutos

Ley General de Educa-

cion. Ley 115 de 1994

El desarrollo de la capacidad crıtica, reflexiva y analıtica que

fortalezca el avance cientıfico y tecnologico nacional, orientado

con prioridad al mejoramiento cultural y de la calidad de la

vida de la poblacion, a la participacion en la busqueda de

alternativas de solucion a los problemas y al progreso social y

economico del paıs.

Artıculo 5 Importan-

cia de la educacion pa-

ra potenciar las com-

petencias en los indivi-

duos.

Ley 115 de 1994

a) Propiciar una formacion general mediante el acceso, de

manera crıtica y creativa, al conocimiento cientıfico,

tecnologico, artıstico y humanıstico y de sus relaciones

con la vida social y con la naturaleza ...

b) Ampliar y profundizar el razonamiento logico y analıti-

co para la interpretacion y solucion de los problemas

de la ciencia, la tecnologıa y de la vida cotidiana.

c) Fomentar el interes y desarrollo de actitudes hacia la

practica investigativa.

Artıculo 20. Objetivos

generales de la educa-

cion basica.

MEN. ley 30 de 1992 Las caracterısticas generales mas importantes de la educa-

cion superior en Colombia son: Es entendida como un servicio

publico que puede ser ofrecido tanto por el Estado como por

particulares, y se realiza con posterioridad a la educacion me-

dia.

a) Se han definido varios tipos de Instituciones segun su

naturaleza y objetivos (Instituciones Tecnicas Profe-

sionales, Instituciones Tecnologicas, Instituciones Uni-

versitarias y Universidades).

b) Existe un Sistema Nacional de Aseguramiento de la

Calidad.

c) El Estado garantiza la calidad del servicio educativo a

traves de la practica de la suprema inspeccion y vigi-

lancia de la Educacion Superior

Resalta las carac-

terısticas que debe

tener la educacion

universitaria en Co-

lombia.

Tabla 2-1.: Normograma.

2.4 Marco Espacial 19

2.4. Marco Espacial

La institucion universitaria Politecnico Grancolombiano (Poligran), de la cual el autor es do-

cente, esta ubicada en la cra 74 # 52-20, de Medellın, Antioquia, Colombia. Inicio labores en

1980 en la ciudad de Bogota como una alternativa educativa para ofrecer carreras tecnologi-

cas que permitieran un rapido acceso al empleo. En 2013 la Institucion da apertura a su sede

en Medellın donde se ofrece un portafolio conformado por programas academicos de forma-

cion tecnologica, profesional y de especializacion. En cuanto a la posicion socioeconomica de

la poblacion que maneja la institucion, se puede decir que en promedio es de estrato 3. Se

tienen convenios con el Sena para la poblacion menos favorecida y otras ventajas, tales como

becas que hacen que estudiantes de los estratos mas bajos puedan acceder a la educacion en

la institucion. Algunos principios institucionales son: • Universalidad: Entendida desde la

concepcion de brindar educacion universal o integral, no solo para disciplinas o profesiones,

sino para construir proyectos de vida con sentido, con un gran conocimiento del ser humano,

de la persona en sı misma, de la historia, de la familia, de la naturaleza, del entorno, de la

sociedad, del mundo en proceso de globalizacion y de la cultura en general. • Integridad: Al

concebir la educacion como un proyecto social y cultural en un sistema de valores, con un

proceso de formacion para la autodeterminacion del ser humano en libertad; y como uno de

los medios indispensables para progresar hacia la igualdad de oportunidades. • Idoneidad:

A traves de la reflexion concertada entre todos los representantes de su comunidad, con

base en los criterios de libertad academica, investigacion, aprendizaje y catedra, dentro del

respeto a la Constitucion, la Ley, la etica y el rigor cientıfico, y sobre la base del equilibrio

entre su autonomıa institucional y su responsabilidad civil. • Accesibilidad: Educacion de

alta calidad que permita la incorporacion de grupos sociales generalmente excluidos de la

educacion superior, ofreciendo diferentes modalidades de formacion, presencial y virtual, a

precios justos.

En cuanto a la propuesta de caracter experimental del tema de la electrostatica, se espera

que impacte en el Poligran, ya que serıa la primera vez que se aborde la ensenanza de

la electrostatica, uno de los temas del curso de fısica II, de una manera menos teorica

y mas experimental, que privilegie no solo el desarrollo de las habilidades manipulativas

si no tambien habilidades intelectuales y de comunicacion. Se espera que el impacto en

la comunidad universitaria del Poligran sea positivo y que ayude al mejoramiento en la

comprension del proceso ensenanza aprendizaje de la electrostatica.

3. Diseno metodologico

3.1. Tipo de Investigacion: Monografıa de Revision

La presente investigacion es de tipo monografico. Una Monografıa se define como una in-

vestigacion detallada sobre un topico. Busca resumir, confrontar, explicar o aclarar conceptos

(Lopez Jordi, Piovesan, y Patron, 2016). Segun Umberto Eco: debe decir cosas que no han

sido dichas, revisar las que ya han sido dichas, ser util a los demas y ser relevante para

enfrentar problemas concretos y/o contribuir al conocimiento universal (Eco, 2014).

De los tipos de Monografıa, la presente pertenece a Monografıa de revision, compilacion

y/o actualizacion, en donde el autor analiza lo expuesto por otros autores sobre el tema,

expone los distintos puntos de vista y luego presenta su vision personal.

Basado en las anteriores definiciones, este trabajo trata sobre un estudio detallado del origen

epistemologico de los conceptos de la electrostatica, indagando los trabajos originales o

fuentes de recopilacion, con el objetivo de aportar a los metodos de ensenanza/aprendizaje

del topico en cuestion en educacion media y de primeros semestres de universidad. De forma

complementaria y por el alto valor que tuvieron los experimentos en el desarrollo de los

conceptos previamente mencionados, la Monografıa es acompanada con guıas experimentales,

desarrolladas por el autor, y que pueden ser implementadas por el docente interesado.

3.2. Metodo

A continuacion, se desarrollan las fases de la propuesta:

Fase de diagnostico: Con base en la experiencia en el Poligran, ası como tambien en otras

instituciones donde el autor se ha desempenado como docente, incluyendo colegios, se realizo

3.2 Metodo 21

un diagnostico entre las diferentes areas de la fısica, identificando que el curso de fısica de

electricidad y magnetismo debido a los conceptos que son difıciles de asimilar, es donde se

presenta mayor numero de perdidas y deserciones. En particular, se selecciono el tema de

la electrostatica ya que en este se presentan los conceptos que seran base para entender los

fenomenos que se desarrollan a lo largo del curso de electricidad y magnetismo. Es por ello

se busca una alternativa de abordar los conceptos de carga, fuerza electrica, campo electrico

y potencial electrico y capacitancia de una manera experimental, dando origen a la pregunta

de investigacion

¿Favorece indagar los conceptos, sus orıgenes epistemologicos y reproducir los experimentos

originales para que se de un redescubrimiento del concepto y esto conlleve a un aprendizaje

significativo en la electrostatica?

Se proponen unos objetivos especıficos que apuntan a encaminar a los docentes y alumnos a

desarrollar experimentos con materiales comunes que conduzcan a lograr el objetivo general

que se propone en el trabajo.

Fase de elaboracion de un plan de accion: Despues de la etapa de diagnostico se pasa al

plan de accion que se encuentra apoyado en el marco teorico, en el aprendizaje significativo

crıtico de Moreira, y se procede a explorar, seleccionar y recopilar los artıculos originales

(cuando esto ha sido posible) o fuentes alternativas donde se revelen las hipotesis, metodos,

resultados y conclusiones, obtenidas durante el descubrimiento y establecimiento de la teorıa

electrostatica.

Fase de ejecucion, escritura y experimentacion: En esta fase desarrollamos la propues-

ta, se extraen las ideas que (a nuestro juicio) consideramos mas relevantes en la formulacion

de los conceptos, se identifican los principales experimentos y su viabilidad para implementar

en el aula y se sistematiza en el escrito de esta investigacion. Dichos experimentos, junto con

los analisis epistemologicos constituyen el insumo para las actividades sugeridas que faciliten

el aprendizaje significativo crıtico sobre la electrostatica.

Las fases de accion y observacion y la de evaluacion y reflexion, propias del metodo inves-

tigacion-accion, quedan abiertas para docentes interesados en implementar este trabajo de

investigacion en el aula, ya que en el marco de la monografıa de revision, se enfatizara en

los conceptos, su desarrollo y el diseno de experimentos sencillos y relevantes, que faciliten

la comprension de los fenomenos o conceptos explorados en el escrito.

22 3 Diseno metodologico

3.3. Enfoque

La propuesta a desarrollar tendra un enfoque cualitativo interpretativo, con base en el analisis

exhaustivo de las fuentes originales y en la experiencia docente.

La aplicacion del enfoque cualitativo interpretativo se lleva a cabo para dar respuesta a la

pregunta:

¿Favorece indagar los conceptos, sus orıgenes epistemologicos y reproducir los experimentos

originales para que se de un redescubrimiento del concepto y esto conlleve a un aprendizaje

significativo en la electrostatica?

La Monografıa propone una implementacion de ensenanza/aprendizaje basada en la metodo-

logıa de la investigacion-accion, la cual permite que el profesor tenga el papel de investigador

y a su vez de participante, donde es el protagonista en la formulacion, desarrollo y evaluacion

de su proyecto investigativo.

En ese mismo sentido, el metodo cualitativo puede ser visto como un termino que cubre

una serie de metodos y tecnicas con valor interpretativo que pretende describir, analizar,

decodificar, traducir y sintetizar el significado de hechos que se suscitan mas o menos de

manera natural Alvarez-Gayou et al. (1999). Posee un enfoque interpretativo naturalista

hacia su objeto de estudio, por lo que estudia la realidad en su contexto natural, interpretando

y analizando el sentido de los fenomenos de acuerdo con los significados que tiene para las

personas involucradas. Es decir, las metodologıas cualitativas no son subjetivas ni objetivas,

sino interpretativas, incluye la observacion y el analisis de la informacion en ambitos naturales

para explorar los fenomenos, comprender los problemas y responder las preguntas.

La metodologıa de la investigacion-accion (I-A) puede llegar a transformar los procesos edu-

cativos en el aula, ya que en esta el profesor pueda profundizar en el problema a solucionar.

En este sentido, investigadores que han trabajado sobre la I-A como Herreras (2004) dice:

“el proposito de la investigacion-accion desde un enfoque interpretativo es profundizar la

comprension del profesor de su problema. Tambien, interpretar lo que ocurre desde el punto

de vista de quienes interactuan en la situacion problema”.

En la I-A debemos entender la ensenanza como un proceso de investigacion y de continua

busqueda donde cada profesional reflexiona sobre su propia practica, la planifique e intro-

duzca mejoras progresivas. La metodologıa de la I-A se orienta hacia el cambio educativo

y se caracteriza por ser un proceso que se construye desde y para la practica misma, que

3.4 Instrumento de recoleccion de informacion 23

pretende mejorar la practica a traves de su transformacion, que implica la realizacion de un

analisis crıtico de las situaciones y que se da un ciclo continuo de planificacion, observacion

y reflexion.

3.4. Instrumento de recoleccion de informacion

Dentro de los instrumentos disponibles para recoger la informacion durante la fase de im-

plementacion de las estrategias de ensenanza/aprendizaje desarrolladas en esta Monografıa

estan:

1. Pruebas escritas: Se busca llevar registro por medio de las pruebas de seguimiento,

en la que los alumnos dan cuenta de los principales conceptos desarrollados en las clases

e interpretan un fenomeno de la vida comun, contextualizando el aprendizaje.

2. Talleres: Se realizan talleres con preguntas orientadas a la comprension de los fenome-

nos electrostaticos donde se podra evidenciar que nivel de aprendizaje tienen los alum-

nos. Estos talleres se sugieren para ser realizados por fuera de clase y entregados en

un tiempo del orden de ocho dıas despues de ser asignados.

3. Participacion en clase: Con la participacion en clase se puede evidenciar los alumnos

que muestran mayor aprehension de los conocimientos que se van desarrollando en las

clases y que se van construyendo entre el profesor y los alumnos; para ello se puede

hacer registro audiovisual.

4. Informes de actividades experimentales: En la practica con materiales comunes

los estudiantes, en grupos, podran mostrar la comprension de fenomenos de acuerdo

al desarrollo de la practica y a las conclusiones que saquen de la misma.

Enfatizamos que por directrices de la Coordinacion del programa de Maestrıa, motivadas

por la pandemia COVID-19, esta investigacion no contempla resultados de fase de imple-

mentacion y evaluacion. Lo anterior dado que en el tiempo de ejecucion del trabajo no se

siguio con la presencialidad en las instituciones educativas. Consecuentemente, las activida-

des quedaran propuestas para el docente interesado, incluyendo la futura implementacion

por parte del autor en el Poligran u otras instituciones.

4. Sobre el experimento y su contexto

historico en la ensenanza de la

electrostatica

4.1. Desarrollo y sistematizacion de la propuesta

En este capıtulo se presentan los resultados de investigacion asociados a esta monografıa.

Centrados en el papel del experimento y de su contexto historico en la ensenanza de la

electrostatica, se revisan algunos de los hallazgos mas destacados, sus autores, su contexto

y los experimentos mas relevantes que condujeron a la construccion de los conceptos: carga

electrica, potencial electrico y capacitancia.

Con el objetivo de facilitar la implementacion de estas ideas en el aula y probar que la experi-

mentacion fundamentada en el redescubrimiento de leyes naturales juega un rol fundamental

en el aprendizaje significativo de las ciencias y especialmente, del electromagnetismo, este

capıtulo se apoya en disenos de intervencion para el aula localizados en el capıtulo Anexos

(ver Anexo A). Dicho material ha de ser considerado como un conjunto de guıas orientadoras

que resalta el papel de experimentos fundamentales en la construccion de conceptos. Con-

tiene preguntas que a nuestro juicio pueden estimular explicaciones fenomenologicas sobre

los hechos experimentales y que pueden ser enriquecidas, reformuladas o contextualizadas

por el docente que las lleve a la practica. Es tambien importante resaltar que a diferencia

del estandar para guıas de laboratorio, este material no tiene el proposito de validar leyes

previamente establecidas. En su lugar, son orientadas hacia la formulacion de las mismas,

el redescubrimiento y la aplicacion del metodo inductivo que parte de encontrar comporta-

mientos regulares y extrapolar una generalizacion o ley natural.

Este escenario propuesto es motivado especialmente por razones historicas, pues fue de esa

forma como se construyeron las nociones y conceptos fundamentales de la electrostatica

4.2 La carga electrica 25

explorados aquı. Pero ademas, porque dota al estudiante de gran libertad, no coarta la ma-

ravillosa sensacion del asombro y estimula, bajo la orientacion adecuada, el descubrimiento

cientıfico, acercando la ciencia a los estudiantes, comprendiendo que ellos pueden llegar a si-

milares conclusiones que eminentes personajes de la historia, dando valor a sus propias ideas

y metodos, construccion de confianza en sı mismos y ofreciendo alternativas en su proyecto

de vida profesional.

No pretendemos con lo anterior descalificar los esfuerzos en los manuales de laboratorio

estandar. Sin embargo, ofrecemos este trabajo como alternativa y esperamos que su uso,

adaptacion o aplicacion combinada con los manuales de laboratorio, mejoren la apropiacion

de conceptos y el aprendizaje significativo por parte de la poblacion estudiantil.

4.2. La carga electrica

4.2.1. Origen del concepto

En casi todos los textos de Fısica para educacion media y universitaria se afirma que fue

Thales de Mileto, aproximadamente en el siglo VI A.C, quien por primera vez hizo referencia

al efecto de frotar el ambar amarillo con piel de animal o lana y de como este adquirıa la

propiedad de atraer objetos livianos como trozos de paja. Sin embargo, no se encuentra una

referencia explıcita a una obra donde Thales de Mileto realice esta afirmacion. Lo anterior

debido a que lo que se conoce de este gran pensador de la antigua Grecia, considerado por

muchos como el primer filosofo natural, es gracias a pensadores que lo sucedieron y cuyas

obras fueron conservadas a traves del tiempo.

Uno de ellos y de gran impacto en la filosofıa y la ciencia contemporanea fue Aristoteles

quien en su tratado Sobre el Alma (De Anima), escribio1:

Thales, tambien, juzgando a partir de lo que se sabe de el, parece haber sostenido que el

alma es una fuerza motriz, puesto que dijo que la magnetita (Lodestone - piedra iman)

tiene un alma debido a que mueve el hierro.

(Aristoteles, De Anima, Libro 1, Parte 2)

1De Anima fue escrito en 350 A.C y una traduccion al Latın reposa en la biblioteca del Vaticano. La

traduccion aquı reportada es tomada de J.A. Smith, The internet Classics Archive, MIT. http://

classics.mit.edu/Aristotle/soul.html

26 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

En esta obra, compuesta por tres libros, Aristoteles se propone hacer un estudio sobre la

naturaleza del Alma y para ello, en el Libro 1, analiza las teorıas establecidas por sus an-

tecesores entre los cuales esta Thales de Mileto. Es importante notar que en su discusion,

Aristoteles clasifica tres tipos de alma que pueden poseer los seres vivos. De acuerdo con el,

las plantas tienen la capacidad de alimentarse y reproducirse, exhibiendo un alma de nivel

basico. Los animales inferiores tienen ademas percepcion sensorial y movimiento propio, lo

cual los dota de un alma de jerarquıa mayor. Finalmente, el hombre posee todo lo anterior

mas la capacidad de intelecto y en consecuencia, un alma de jerarquıa superior. La cita

anterior se ubica entonces, en su analisis del conocimiento previo y de los pensadores que

afirmaron que el alma tiene su origen en el movimiento propio, los objetos animados estando

dotados de esta y consiguiendo por voluntad el movimiento de las demas cosas.

La cita no menciona al ambar, sin embargo, encontramos que el historiador griego Diogenes

Laertius del siglo III D.C, en su obra: Vidas de eminentes filosofos, (Laertius, 2018), agrega

el ambar a esta discusion:

Aristoteles e Hippias afirmaron que, de la magnetita y del ambar, [Thales] atribuyo un

alma o incluso vida a objetos inanimados.

(Laertius, Libro 1, Capıtulo 5)

Teofrasto, filosofo y discıpulo de Aristoteles, en su obra Peri Lithon o Tratado de las Piedras,

escrita en el siglo III A.C, habla sobre una piedra llamada Orina del Lince (Lyngourion) de

la cual afirma2:

... sirve igualmente para entallarlas, es muy dura como una piedra, atrae como el ambar.

Se dice incluso que no solo atrae las briznas de paja y de madera sino las de cobre y de

hierro si son muy menudas. Ası lo afirma Diocles. Es muy transparente y frıa. Es mejor

la producida por los animales salvajes que por los domesticos, por los machos que por las

hembras ...

(Teofrasto, Tratado de Piedras)

Independiente de si Thales descubrio la propiedad atractiva del ambar amarillo cuando es

frotado, o de si esta ya era conocida con anterioridad, es importante resaltar que dichos

atributos del ambar y de las rocas magneticas generaron gran interes en los pensadores de

la antiguedad.

2(Carrasco, Linan, Linan, Gamez Vintaned, y Gozalo Gutierrez, 2013)

4.2 La carga electrica 27

Figura 4-1.: Ambar amarillo. Imagen tomada de Teixeira (2018).

El ambar amarillo es una resina natural fosilizada, de origen vegetal, proveniente especial-

mente de bosques de conıferas3 que proliferaron el planeta hace millones de anos. En Europa,

se asocia a densos bosques de pino que crecieron en la actual ubicacion del mar Baltico. Eti-

mologicamente, su nombre proviene del arabe cuyo significado es “lo que flota en el mar”,

puesto que esta era una forma caracterıstica de su recoleccion. Dado que se origina como

resina de arbol suave y pegajosa, en ocasiones contiene insectos, animales o plantas inclui-

das (ver Fig. 4-1). Por su gran belleza natural y translucidez ha sido considerado desde la

antiguedad como una piedra semipreciosa empleada en amuletos, talizmanes y joyerıa.

Segun la mitologıa Griega, las Heliades, hijas de Helios, dios del sol, lloraron durante cuatro

meses la muerte de su hermano, Faeton, tras un accidente en el carruaje de su padre. Sus

lagrimas fueron convertidas en ambar y cayeron al rıo Erıdano.

Los griegos denominaban a esta resina fosilizada con la palabra Elektron (ηλεκτρoν) y fue a

partir de este vocablo que William Gilbert, en su obra De Magnete, denomino como electrico

a todo material que al ser frotado exhibe las propiedades de atraccion presentes en el ambar.

4.2.2. Gilbert y la teorıa de Efluvios

En 1600, William Gilbert escribe la obra De Magnete (Gilbert, 1600). En este tratado Gilbert

expone a partir de experimentos como llego a la conclusion de que la Tierra era magnetica

y que este era el motivo por el cual las brujulas senalan hacia el norte geografico. Siendo

el magnetismo el foco de atencion de la obra, Gilbert considero fundamental establecer

una clara diferencia con la propiedad atractiva del ambar, conocida desde la antiguedad

pero pobremente comprendida. Asigno el adjetivo electricus para referirse a todas aquellas

sustancias conocidas que se comportan como el ambar y, el sustantivo electricitas para

3Arboles de tronco recto y forma conica. El pino pertenece a esta clasificacion.

28 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

referirse como tal a la propiedad. Ambas palabras originarias del vocablo griego usado para

el ambar.

Del capıtulo II de esta obra, titulado: Sobre la atraccion ejercida por el ambar, extraemos

algunos fragmentos que consideramos relevantes para nuestra discusion:

Grande ha sido la fama de la magnetita y del ambar en los escritos de los sabios. Muchos

filosofos citan a la magnetita y al ambar para explicar misterios y cosas que van mas

alla del entendimiento humano, pero todos ignoran que las causas del movimiento en la

magnetita son muy diferentes de aquellos que dan al ambar sus propiedades.

... Los Griegos llamaron esta sustancia ηλεκτρoν [Elektron], porque cuando es calentada

por friccion, esta atrae a si mismo a la paja. Pero los Moros la llamaron carabe, por-

que ellos solıan ofrecerla en sacrificios para los dioses; en arabe carab significa oblacion

[ofrenda]. Muchos llaman a esta sustancia ambra (ambar), especialmente a aquella que

es traıda de la India y Etiopıa. El nombre Latın succinum parece provenir de succus, que

significa jugo...

... Es cierto que en mayor parte el ambar proviene del mar: traıdo a la costa despues de

fuertes tormentas, en redes y a traves de otros medios... algunas veces encontrados en la

costa de nuestra propia Bretana. Pero parece ser producido en la Tierra y a considerable

profundidad por debajo de su superficie.

... Los antiguos reportaron que el ambar atrae a la paja. Lo mismo hace el azabache, una

roca extraıda en Bretana, Alemania, y muchas otras regiones; es una concrecion de betun

negro, un tipo de transformacion de betun a roca...

... Pero no solo el ambar y el azabache atraen corpusculos livianos: lo mismo hacen el

diamante, el zafiro, carboncillo, la piedra iris, el opal, ametista, vincentina, la gema inglesa

y el cristal de roca.

... Similar poder de atraccion es poseıdo por el vidrio, especialmente claro, vidrio brillante,

gemas artificiales de pasta o cristal de roca y belemnitas...

Todos estos cuerpos (electricos) no solo atraen pajas y astillas, si no tambien a todos los

metales, madera, hojas, piedras, tierras, y tambien al agua y al aceite..

(Gilbert, De Magnete, Cap 2.)

Como podemos notar, Gilbert presenta un amplio conjunto de materiales conocidos para su

epoca que exhiben la propiedad electrica del ambar, termino por primera vez empleado en

la historia de la ciencia, y expande el conjunto de objetos que son afectados por este poder

de atraccion.

El capıtulo ofrece tambien un metodo experimental, antecedido por una crıtica contundente

a la forma en que sus antecesores, Griegos y contemporaneos, han explorado las propiedades

4.2 La carga electrica 29

del ambar y la magnetita. El siguiente es un fragmento que revela esta posicion:4

Muchos autores modernos han escrito sobre el ambar y el azabache como atractores de

pajas y sobre otros hechos desconocidos, o han copiado esto de otros escritores. Como

resultado... han llenado las librerıas y vendido muchas copias. Nuestra generacion ha

producido muchos volumenes sobre las reconditas, abstrusas y ocultas causas y maravillas,

y en todas ellas el ambar y el azabache son representados... pero nunca una prueba a partir

de experimentos, nunca una demostracion que encuentres en ellas.

Los escritores emplean solo palabras que no brindan claridad, tratan el tema esoterica,

milagrosa y mısticamente. Tal filosofıa no ofrece ningun fruto; reposa simplemente en unas

cuantas palabras Griegas o terminos inusuales – ası como nuestros barberos susurran

unas cuantas palabras en Latın en los oıdos ignorantes para presumir conocimiento y

ganar reputacion. No rinde fruto, porque solo pocos de los filosofos son investigadores,

o tienen contacto directo con las cosas; muchos son indolentes y no agregan nada al

conocimiento a traves de sus escritos, y son ciegos a las cosas que pueden traer una luz a

sus razonamientos...

... Para claramente entender por experiencia como tal atraccion tiene lugar, y que tipo de

sustancias deben ser tal que atraigan otros cuerpos, haga usted mismo una aguja rotante

(electroscopio - versorium) de cualquier tipo de metal, tres o cuatro dedos de longitud,

muy liviana, y ubıquela sobre una punta afilada en la forma de una aguja magnetica.

Acerque a un extremo de esta un pieza de ambar o una gema, ligeramente frotada, pulida

y brillante: de inmediato el instrumento rotara.

(Gilbert, De Magnete, Cap 2.)

Una ilustracion de su electroscopio o versorium (ver Fig. 4-2) es presentada en la misma

obra.

En su busqueda de diferenciar los efectos magneticos de los electricos, Gilbert propone una

clasificacion para la cual: los cuerpos electricos son aquellos que adquieren poder de atraccion

por friccion y los anelectricos (no electricos) son aquellos que no lo hacen, entre ellos las rocas

magneticas:

4Es importante resaltar que para el ano 1600 en que Gilbert publica De Magnete, la mayor parte de la

filosofıa era dominada por la escolastica, escrita por Platon, Aristoteles y la Iglesia. La obra de Copernico

sobre el heliocentrismo, publicada en 1543 y censurada por el Vaticano, habıa revelado la necesidad de

nuevos metodos. Pero el surgimiento de estos, y especialmente del metodo cientıfico, ocurre hasta 1620 con

Francis Bacon (1561-1626) y posteriormente con Galileo (1564-1642). Consecuentemente, la cita ofrece

una vision revolucionaria en el quehacer cientıfico.

30 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Figura 4-2.: Versorium de Gilbert. Tomado de Gilbert (1600).

Una gran pieza de ambar pulido atrae; una pieza pequena, o una pieza de ambar impuro,

parece no atraer sin friccion. Pero muchos cuerpos electricos (como piedras preciosas,

etc.) no atraen a menos que sean primero frotadas; mientras que otros cuerpos, y entre

ellos algunas gemas, no tienen poder de atraccion, y no pueden atraer, ni siquiera por

friccion: tales cuerpos [anelectrics -no electricos] son las esmeraldas, agata, cornalina,

perlas, calcedonia, alabastro, coral, ... , corindon, hueso, marfil; las maderas mas duras,

como el ebano; algunas otras maderas como el cedro, cipres; metales como la plata, oro,

cobre, hierro. La magnetita, aunque es susceptible de ser pulida, no tiene la atraccion

electrica.

(Gilbert, De Magnete, Cap 2.)

Finalmente, veamos como el autor explica el origen de estas dos propiedades, la electrica y

la magnetica:

Es conocido por todos que la masa de la Tierra, su entorno y su corteza, consiste de

materia de dos tipos, una fluida y humeda, y otra que es firme y seca. De estos dos

tipos de materia, o de concreciones simples de una de ellas, proviene todo lo que esta

a nuestro alrededor... aquellas que derivan su crecimiento principalmente de humores,

sean humores acuosos o mas densos, o que fueron formados hace muchas eras, si poseen

suficiente firmeza, y despues de ser pulidos son frotados, y brillan, tales sustancias atraen

a todos los cuerpos presentados a estos en el aire, a menos que sean muy pesados.

El ambar es una concrecion del agua; ası tambien lo son las gemas brillantes, cristales de

roca... el vidrio claro es reducido de la arena y de otras sustancias que tienen su origen

en jugos humedos. Pero las sustancias que contienen una gran cantidad de impurezas de

metales, los metales en si, rocas, madera, tierra; no atraen.

4.2 La carga electrica 31

Cristal de roca, mica, vidrio, y otros cuerpos electricos no atraen si ellos son quemados o

altamente calentados, dado que su humor primordial es destrozado por el calor, es altera-

do, y descargado como vapor. Ası todos los cuerpos que derivan su origen principalmente

de humores, y que son firmemente concretados, y retienen la apariencia y propiedad de

fluido en una firme masa solida, atraen todas las sustancias, sean humedas o secas... Los

que son parte de la verdadera sustancia de la tierra o difieren por poco de esta, parecen

tambien atraer, pero en una forma diferente, digamos, magneticamente.

...pero aquellos que consisten de agua y tierra mezclada, y que son resultado de una igual

degradacion de ambos elementos - en que la fuerza magnetica de la tierra es degradada

mientras que el humor acuoso, estropeado por la combinacion del mismo con una cantidad

de tierra, no forman una concrecion por si mismos, sino que se mezcla con la materia

terrenal - tales cuerpos son pobres de atraer o de repeler. Por esta razon ni los metales, ni

la madera, semillas, ni otras sustancias pueden atraer ni magneticamente ni electricamente

(por esto llamamos fuerza electrica a aquella que tiene su origen en humores). Pero

cuerpos formados principalmente por humores y que no son firmemente compactados por

naturaleza, crecen suaves o pegajosos y no atraen corpusculos... Pocos cuerpos sin friccion

entregan su verdadera y natural emanacion electrica y efluvio.

... En todos los cuerpos hay presentes dos causas o principios, materia y forma. los

movimientos electricos provienen de la materia, los magneticos de la forma primordial;

y estos difieren entre si y son opuestos ... uno es potente y el otro es menos potente

y confinado a prisiones, entonces su fuerza debe ser despertada por friccion hasta que

la sustancia retiene moderado calor y entrega un efluvio, y su superficie se hace brillar

... pero los magnetos, no precisan ser frotados ni calentados, incluso actuan dentro de

lıquidos, en aire o agua, atraen cuerpos magneticos, aun cuando se interpongan cuerpos

solidos o platos de metal. Un magneto atrae solo cuerpos magneticos; los electricos atraen

todo. Un magneto levanta grandes pesos; los electricos atraen solo pesos livianos...

Y ahora, ¿que es lo que produce el movimiento? ¿El cuerpo en sı es circunscrito por

su contorno? o ¿hay algo imperceptible a nosotros que fluye desde la sustancia hacia el

ambiente en el aire? (Esta parece haber sido la opinion de Plutarco, quien, en [la obra]

Cuestiones Platonicas, dice que hay algo en el ambar que es del tipo de una flama, o que

tiene la naturaleza de una exhalacion, y que esto, cuando los espacios son clareados por

friccion de la superficie, es emitido y atrae a los cuerpos)... Es probable que el ambar

exhale algo peculiar [un efluvio] que atrae los cuerpos en sı y no al aire. Esto puede

probarse si toma una candela con una ligera y clara flama, acerca una pieza de ambar,

cuidadosamente frotado, tomando un par de dedos de distancia, y ahora el ambar que

puede atraer objetos a un radio considerable, no causa movimiento en la llama, aunque

tal movimiento deberıa ser inevitable si el aire se pusiera en movimiento...

... el efluvio electrico difiere del aire, y ası como el aire es el efluvio de la tierra, los

electricos tienen su propio efluvio distintivo. cada efluvio particular tiene su propio poder

de conducir a la union, al movimiento hacia su origen, a su fuente, y al cuerpo que emite

el efluvio..

32 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Los cuerpos electricos son atraıdos a los electricos en una lınea recta hacia el centro de

electricidad; una roca magnetica atrae a otra roca magnetica sobre una lınea perpendicu-

lar a la circunferencia solo en los polos, oblicua y transversalmente. La materia del globo

terrestre es unida junta y mantenida junta electricamente. El globo terrestre es dirigido

y rota magneticamente..

(Gilbert, De Magnete, Cap 2.)

En conclusion, Gilbert considera que el proceso de atraccion electrica consiste en la liberacion

de un efluvio estimulado por la friccion. Asocia la existencia de estos efluvios en la naturaleza

acuosa de los materiales electricos y de tierra para los magneticos. Distingue las diferencias

principales entre estas dos interacciones aunque no hace referencia a la repulsion magnetica,

distintiva de la electrica que solo se descubrirıa posteriormente. Su teorıa de que la Tierra

esta unida por electricidad y que el magnetismo es en cambio responsable de la dinamica de

traslacion y rotacion, fue luego acogida por ilustres astronomos como Kepler, quien intento

explicar las orbitas planetarias a traves del magnetismo5.

4.2.3. La repulsion electrica y la Conductividad

En 1629 Niccolo Cabeo, filosofo y matematico Italiano, publica la obra: Philosophia Mag-

netica (Cabeo, 1629). Esta obra constituye una extension del trabajo de Gilbert sobre mag-

netismo terrestre. Cabeo considera que, a diferencia de la opinion de Gilbert, la tierra esta

en reposo y no se mueve por magnetismo. En sus experiencias, descubre otras sustancias

que presentan atraccion electrica y observa por primera vez la repulsion electrica que expe-

rimenta un cuerpo luego de entrar en contacto con un cuerpo electrizado. Senalo que dos

cuerpos de igual material, cargados bajo el mismo metodo, se repelen electricamente. En

su explicacion de la atraccion electrica tambien considera la existencia de un efluvio que es

liberado por friccion pero que al introducirse en el aire, lo desplaza. Entonces, cuando el aire

recupera su ubicacion original, trae consigo a objetos livianos y se evidencia atraccion. Con

base en estas ideas, otros personajes ilustres de la historia de la ciencia, entre ellos Robert

Boyle y Otto Von Guericke, realizan experiencias para confirmar o refutar las ideas de Cabeo

cuando los experimentos se proponen en vacıo6.

5La obra de Newton: Principios matematicos de filosofıa Natural, en donde se formula la Ley de Gravitacion

universal, fue publicada en 1687.6La bomba de vacıo fue inventada por Otto Von Guericke en 1650.

4.2 La carga electrica 33

Figura 4-3.: Ilustracion original de la primera maquina electrica por (von Guericke, 1672,

Cap. XV).

Von Guericke, disena un dispositivo capaz de generar electricidad (estatica) de manera efi-

ciente, el cual establece el principio de funcionamiento de las maquinas electrostaticas (o

generadores electrostaticos). Su diseno consiste en un globo de sulfuro montado sobre un

eje y puesto en rapida rotacion. Dicho globo, si es simultaneamente frotado con las manos,

adquiere electricidad (ver Fig. 4-3). Este diseno y el de otros muchos experimentos fue pu-

blicado en la obra Experimenta Nova (von Guericke, 1672) y puede consultarse online en

la librerıa Smithsoniana7. Von Guericke tambien reporta que pequenos cuerpos atraıdos al

globo son repelidos una vez entran en contacto con el.

En 1730 Stephen Gray, descubre que la propiedad electrica de los objetos frotados puede

ser transmitida si se utilizan los materiales y las precauciones adecuadas. Con el objeto de

comunicar su descubrimiento, construyo un experimento que lo hizo famoso. Su montaje se

basa en un marco de madera y de cuya viga superior se suspenden dos columpios con cuerdas

de seda. En dichos columpios es ubicado un nino en posicion horizontal, boca abajo, tal que

ninguna parte de su cuerpo tenga contacto con el suelo. Por otra parte, laminas delgadas

de oro son ubicadas en el piso, cerca de la posicion de los brazos del nino. Realizado el

montaje, se carga electricamente una maquina electrostatica y se establece contacto directo

con cualquier parte del cuerpo del nino. El resultado del experimento es que al extender

sus dedos cerca de las laminas finas de oro puestas en el piso, se consigue observar que las

laminas son atraıdas por los dedos del nino, permitiendo demostrar que el cuerpo humano,

bajo condiciones de aislamiento como la descrita, es un material que permite la conduccion

de la propiedad electrica entre puntos distantes (ver Fig. 4-4). Incluso, los que presenciaron

el experimento afirmaban ver chispas saliendo de los dedos del nino.

7https://library.si.edu/digital-library/book/ottonisdeguerick00guer

34 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Figura 4-4.: Una ilustracion del experimento de Stephen Gray, muy popular a mediados

del siglo XVIII. El Flying Boy o nino suspendido, podıa transmitir la virtud

electrica de una maquina basada en el principio de Von Guericke hasta otra

nina, que parada sobre un barril (aislado) puede atraer pequenas laminas de

oro. Tomado de (Watson, 1748).

En 1734 Charles Du Fay senalo que las lıneas de transmision electrica debıan sostenerse

por medio de cuerpos electricos (actualmente denominados aislantes o dielectricos) y que la

mejor propagacion de la virtud electrica se podıa obtener usando lıneas de transmision de

material no electrico (actualmente conocidos como conductores).

4.2.4. Electricidad vıtrea y electricidad resinosa

De acuerdo con Gomez y Sorge (1978), Du Fay en su estudio de las repulsiones concluye que

hay dos electricidades de diferente naturaleza, surgiendo ası la teorıa de los dos fluidos. De

Du Fay (1734) extractamos algunas conclusiones reportadas a la Royal Society, que estan

asociadas a la existencia de dos tipos de electricidad:

4.2 La carga electrica 35

... La suerte me ha hecho descubrir otro principio mas universal e importante del anterior

[sobre la repulsion electrica], y que da nueva luz sobre la electricidad. El principio es, que

existen dos tipos de electricidad, muy diferentes el uno del otro, una electricidad la llamo

vıtrea, la otra resinosa. La primera es la que se presenta en el vidrio, el cristal de roca, las

piedras preciosas, el pelo de los animales, la lana y muchos otros cuerpos. La segunda se

presenta en el ambar, el copal, la goma-laca, la seda, el lino, el papel y un gran numero de

otras sustancias. Las caracterısticas de estas dos electricidades son que cada una se repele

consigo misma y atrae a la otra. Entonces, un cuerpo de electricidad vıtrea repele todos

los otros cuerpos que poseen la electricidad vıtrea, y al contrario, atrae a todos aquellos

que posean electricidad resinosa. Los resinosos, tambien repelen los resinosos y atraen

a los vıtreos. Con este principio, se puede facilmente deducir la explicacion de un gran

numero de otros fenomenos y es probable que esta verdad nos lleve al descubrimiento de

muchas otras cosas.

(Du Fay, 1734)

4.2.5. Las botellas de Leyden y las experiencias de Franklin

El experimento de Stephen Gray, descubre que la propiedad electrica de los objetos frotados

puede ser transmitida si se utilizan los materiales y las precauciones adecuadas. Sin embargo,

aun no se conocıa como retenerla o almacenarla, o de hecho, si esto era posible. El siguiente

paso en la historia del desarrollo de la electricidad tuvo lugar en 1746 en Holanda, especıfi-

camente en la universidad de Leyden, y es considerado el experimento mas significativo del

siglo XVIII.

Con el objetivo de almacenar el fluido electrico (efluvio) generado por una maquina elec-

trostatica, Ewald von Kleist en Pomerania e independientemente, Pieter Van Musschem-

broeck, profesor de la Universidad de Leyden, pensaron que quizas este podıa condensarse

en una jarra con agua. Los resultados de von Kleist de 1745 parecen no haber tenido mucha

aceptacion dado que los experimentadores que intentaron replicar el experimento no obtu-

vieron resultados que confirmaran acumulacion de electricidad, esto quiza debido a falta de

detalles en la descripcion del proceso durante la carga de su dispositivo. Musschenbroek,

relata que en sus intentos tomo un frasco de vidrio con un poco de agua, y luego en su inte-

rior, puso un trozo de cable conductor que estaba conectado a una maquina electrostatica. El

dispositivo era ubicado en una base aislante pensando ası mantener la electricidad en el; pero

lo que sea que intentaba, la electricidad no se quedaba en el frasco. Un dıa por accidente, su

ayudante olvido poner el frasco sobre el aislante, y mientras sostenıa en una de sus manos

el frasco, con la otra toco la parte conectada a la maquina y recibio una descarga electrica

36 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Figura 4-5.: Ilustracion del descubrimiento de Musschenbroek condensando fluido electrico

en una botella de Leyden. De Louis Figuier, Les merveilles de la science, 1867.

Tomado de Linda Hall Library.

tan poderosa que casi lo arroja al suelo. Una ilustracion de la experiencia puede apreciarse

en la Fig. (4-5) . Es ası como se descubre el primer dispositivo capaz de almacenar carga,

conocido posteriormente como botellas de Leyden y tambien como condensador, ya que se

suponıa que este condensaba el fluido electrico.

Transcurren 10 anos y vendrıa otro experimento inesperado. Benjamın Franklin, interesado

en comprender los fenomenos electricos y quien construyo botellas de Leyden altamente efi-

cientes, conectadas en configuraciones que el denomino baterıas, propuso que los relampagos

eran corrientes electricas del mismo tipo que las que se evidenciaban durante la descarga

de sus baterıas. Para demostrarlo, sugirio volar una cometa que tuviera una pieza metalica

durante una tormenta; pero, aunque Benjamın Franklin propuso esto, es casi seguro que

nunca lo haya realizado.

Fue Franklin a quien se le atribuye el concepto de carga electrica, el hizo una serie de expe-

rimentos para llegar a dicho concepto. Se extraen algunos apartes de Furio-Mas y Aranzabal

(1998):

4.2 La carga electrica 37

En una carta escrita a Collinson el 11 de julio de 1747, Benjamın Franklin describe

unos experimentos con un tubo de vidrio, y explica que la electricidad no se crea por

el frotamiento del vidrio, sino solamente el fluido asociado a una electricidad positiva se

transfiere al cristal desde el agente frotado, de tal modo que este agente pierde tanto

como gana el vidrio, y la cantidad total de electricidad en cualquier sistema aislado es

invariante. Esta conclusion es un precedente del que posteriormente serıa el principio de

conservacion de la carga electrica.

De esta forma se comprende la asociacion de los signos + y − al exceso y defecto de

electricidad del cuerpo respectivamente. Franklin en el comienzo de sus experimentos no

conocıa los descubrimientos de Du Fay, pero sus conjeturas sobre el fluido electrico son

similares a la electricidad vıtrea (positiva) de Du Fay. La electricidad resinosa (negativa)

de este autor serıa en el modelo de Franklin, simplemente la deficiencia de una cantidad

de electricidad vıtrea que se suponıa que poseıan de forma natural todos los cuerpos

ponderables. El modelo de Franklin tiene una ventaja de que no necesita suponer que

la electricidad vıtrea y resinosa se neutralizan en el estado natural de los cuerpos, tal y

como se creıa.

(Furio-Mas y Aranzabal, 1998, p.169-170)

Se nota entonces que la teorıa del unico fluido propuesta por Franklin, en el que existe un

fluido electrico y en donde positivo hace referencia a exceso y negativo a deficiencia conlleva

a lo que conocemos hoy como principio de conservacion de la carga. Notese tambien que

cargar o descargar es con referencia a la cantidad de fluido en el condesador.

4.2.6. Sobre el Anexo A.1: Descubriendo la carga electrica - Ideas

para el aula

La revision previa sobre el concepto de carga electrica revela que a la humanidad le costo

mucho tiempo y esfuerzo llegar a un modelo de aceptacion general, que fuera consistente con

lo observado y que permitiera hacer descubrimientos tan importantes como el del atomo y

sus constituyentes, para explicar la materia, sus interacciones y toda la ciencia moderna que

posibilito el desarrollo tecnologico actual.

Desde el siglo VI A.C al XVIII (veinticuatro siglos) grandes pensadores han participado en

formar las bases para que una verdadera revolucion cientıfica y tecnologica ocurriera. No es

entonces de extranar que sea este un topico de ensenanza y aprendizaje que genere grandes

retos y dificultades. El caracter abstracto e intangible detras del concepto de carga nos invita

a explorar diferentes aproximaciones pedagogicas y consideramos que una buena guıa sobre

38 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

las practicas de ensenanza la ofrece la experimentacion y el redescubrimiento, mediada por

una revision de los hallazgos mas importantes de sus autores. Ası como tambien, de los

debates que permitieron formalizar dicho conocimiento en constante evolucion.

Guiados por este principio, el Anexo (A.1): Descubriendo la carga electrica, presenta los

siguientes escenarios:

Promover una discusion orientada o mediada por una lectura de la seccion 4.2, o ayuda

audiovisual, en donde se presente la historia del ambar como evento anecdotico, su pro-

piedad de atraer objetos livianos cuando es frotado y las diferentes explicaciones desde

Thales de Mileto hasta Franklin. Debe resaltarse el origen de las palabras: electrico,

electricidad, conductor, aislante, carga, condensador, positivo y negativo.

Motivar experimentos que permitan clasificar materiales segun la distincion: electrici-

dad resinosa (negativo) y electricidad vıtrea (positivo). Lo anterior permite realizar la

construccion de una serie triboelectrica por grupo de estudiantes.

Motivar experiencias que permitan distinguir el comportamiento de los imanes y el de

los cuerpos electrizados por friccion.

Presentar el versorium - electroscopio y orientar la construccion de este con materiales

simples. Este instrumento permitira que el grupo de estudiantes (en el aula) corrobore

y consolide la clasificacion de materiales previamente hecha en su serie triboelectrica.

Fomentar la construccion de otras versiones de electroscopios y actividades para la casa

que inviten al estudiante a ver su entorno desde la perspectiva cientıfica, analizando a

que familia pertenecen los objetos de su cotidianidad.

(nivel avanzado) Proponer la construccion de un electroscopio digital. Este instrumento

servira para las demas actividades y permite evaluar si Franklin tenıa razon al afirmar

que en dıas de tormenta la atmosfera presenta electrizacion igual que en los objetos

frotados.

Las actividades experimentales y algunas preguntas orientadoras se exponen con detalle en

el anexo (A.1). Se sugiere evaluar la pertinencia, duracion y material didactico de forma que

sea acorde con el tiempo y posibilidades.

4.3 Medicion de la carga electrica: experimentos de Coulomb 39

4.3. Medicion de la carga electrica: experimentos de

Coulomb

En el siglo XVIII aparecieron las primeras medidas cuantitativas de los fenomenos electricos

y magneticos. John Michell, en 1750 utilizo una balanza de torsion para la medicion de las

fuerzas entre polos de los imanes, llegando a la conclusion que dicha fuerza varia como el

inverso al cuadrado de la distancia que los separa. Despues de 35 anos, Coulomb diseno una

balanza de torsion con la cual descubrio la ley del inverso del cuadrado de la distancia entre

cargas electricas8.

Tras la revision bibliografica, encontramos el libro titulado Sobre el Desarrollo historico

de la electricidad desde los orıgenes hasta Maxwell, escrito (a mano) por profesores de la

Universidad Nacional, Sede Medellın, el cual presenta una investigacion exhaustiva sobre

los trabajos mas importantes de esta fase del electromagnetismo, con referencias a las obras

originales de sus autores (Gomez y Sorge, 1978). Apoyado en esta obra, recopilamos los

aspectos mas relevantes sobre los trabajos de Coulomb.

4.3.1. Ley de Coulomb

En el siglo XVIII se estudiaba la electricidad de una manera cualitativa, el cambio radical en

la manera de estudiar los fenomenos electricos se debe a Charles Coulomb. En la primera de

sus memorias (Coulomb, 1785-1789), presentada a la Academia de las Ciencias de Francia9,

despues de haber descrito el aparato experimental consistente en una balanza electrica, en

la cual la fuerza de torsion observada en el alambre corresponde a la magnitud de la fuerza

electrica que experimentan las esferas cargadas (ver Fig.4-6), Coulomb llega a determinar la

ley segun la cual dos esferas a las cuales se haya comunicado la misma clase de electricidad

se repelen con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las

separa medida desde sus centros.

8Como se menciono, la Ley de Gravitacion universal de Newton fue publicada en 1687. Esta Ley, cuya

estructura es del inverso cuadrado de la distancia, inspiro la busqueda de un modelo para la fuerza

magnetica y la fuerza electrica, y su verificacion experimental, por Cavendish, se baso en el uso de una

balanza de Torsion.9Una recopilacion de las Memorias, publicadas de 1785 a 1789, puede ser consultada online en

la librerıa Smithsoniana, Chez Bachelier (1789), https://library.si.edu/digital-library/book/

mmoiressurllectr00coul

40 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Figura 4-6.: Balanzas de Coulomb usadas para medir la repulsion electrica (izquieda) y la

atraccion electrica (derecha). Tomada de Coulomb (1785-1789).

En esta primera memoria Coulomb obtiene la ley del inverso del cuadrado, en la cual, las

dos esferas se repelen. En la segunda memoria, utilizando un aparato experimental distinto

(ver Fig. 4-6) obtiene la misma ley para el caso de la fuerza atractiva, es decir, cuando los

dos cuerpos que se ponen a interactuar estan cargados de electricidad de diferente clase.

Coulomb sostiene, implıcitamente en las dos primeras memorias, la teorıa de los dos fluidos,

puesto que para diferenciar las electrizaciones positiva o negativa se refiere a la existencia de

dos fluidos distintos responsables de las dos clases de electrizaciones, suposicion que se hace

explıcita en la sexta memoria:

... Cualquiera que sea la causa de la electricidad, uno explicara todos los fenomenos,

y el calculo encontrara conforme con los resultados de las experiencias, al suponer dos

fluidos electricos en los que las partes del mismo fluido se repelen en razon inversa del

cuadrado de las distancias, y atraen las partes del otro fluido segun la misma razon inversa

del cuadrado de las distancias ... ... De acuerdo a esta suposicion los dos fluidos en los

cuerpos conductores tienden siempre a reunirse hasta lograr el equilibrio, es decir, hasta

que, por su reunion, las fuerzas atractivas y repulsivas se compensen mutuamente. Es

el estado en que se encuentran todos los cuerpos en su estado natural, pero sı, por una

operacion cualquiera, se hiciera pasar a un cuerpo conductor aislado una cantidad super

abundante de uno de los dos fluidos electricos, el sera electrizado, es decir, el repelera las

partes electricas de igual naturaleza y atraera las partes electricas de naturaleza distinta a

la del fluido superabundante del cual esta cargado ese conductor. Si el cuerpo conductor

electrizado se pone en contacto con otro cuerpo conductor aislado, repartira con el el

fluido electrico superabundante...

4.3 Medicion de la carga electrica: experimentos de Coulomb 41

... Pero si se le hace comunicar con un cuerpo no aislado perdera en un instante toda su

electricidad, ya que la repartira con el globo terrestre cuyas dimensiones con relacion a el

conductor son infinitas. ... yo prefiero la teorıa de los dos fluidos que ha sido ya propuesta

por varios fısicos, porque me parece contradictorio admitir al mismo tiempo en las partes

de los cuerpos una fuerza atractiva en razon inversa del cuadrado de las distancias, y una

fuerza repulsiva en la misma relacion inversa del cuadrado de la distancia entre las partes

que constituyen los cuerpos ...

(Gomez y Sorge, 1978)

Es evidente en el anterior apartado como Coulomb se aleja de la teorıa de un solo fluido de

Franklin y ve como los resultados de sus experimentos tienen sentido con la teorıa de dos

fluidos que es la responsable de dos clases de electrizaciones.

En la cuarta memoria publicada en 1786 Coulomb vuelve a utilizar la balanza con la cual

habıa determinado la ley de repulsion electrica y demuestra dos propiedades del fluido

electrico, primera: el fluido (positivo o negativo) se divide entre diferentes cuerpos puestos

en contacto a causa de su accion repulsiva y segunda: en los cuerpos conductores el fluido

en estado de equilibrio se reparte sobre la superficie de los cuerpos, pero no en el interior.

(Gomez y Sorge, 1978)

Los resultados cuantitativos obtenidos por Coulomb permiten salir de una etapa netamente

descriptiva y algo magica que rodeaba hasta entonces los fenomenos electricos y se deben a

que el, lejos de enfocarse en descripciones filosoficas de las causas que producen los fenomenos,

idea aparatos para medir los efectos.

Como se puede evidenciar en los apuntes tomados de Gomez y Sorge (1978) el primero

en hablar de carga electrica fue Franklin pero no presento experimentos para medirla. Fue

Coulomb que empleando teorıas analogas, como la de la gravitacion de Newton, relaciona por

primera vez la carga electrica, en valores absolutos, con magnitudes mecanicas fundamentales

para poder ası, ser sometida a calculos. Esta forma de razonar fue la que lo llevo a deducir

la ley de atraccion o repulsion entre partıculas cargadas que hoy en dıa conocemos como ley

de Coulomb.

42 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

4.3.2. Sobre el Anexo A.2: Medicion de la carga electrica - Ideas para

el aula

Basado en las ideas de Coulomb y de sus contemporaneos para construir instrumentos que

permitan evidenciar y/o medir la carga electrica y sus interacciones, presentamos en el anexo

A.2, algunos modelos didacticos10.

El objetivo de este anexo consiste en orientar formas diversas en que pueden construirse

detectores de carga electrica usando materiales cotidianos. Especıficamente, se presentan

modelos y aplicaciones sugeridas de dos electroscopios.

Como guıa didactica, el Anexo (A.2): Medicion de la carga electrica, sugiere los siguientes

escenarios:

Promover una discusion orientada en donde se presente la historia y funcionamiento de

una balanza de torsion y como gracias a esta fue posible verificar la Ley de Gravitacion

universal y la ley de interaccion entre cuerpos cargados electricamente.

Motivar la construccion de un electroscopio casero.

Motivar experiencias mediante el uso del electroscopio que permitan evidenciar la va-

riacion de la interaccion electrica con la distancia. En el caso en que el electroscopio

pueda calibrarse con medidor de angulos, podrıa permitir validar la ley inverso cua-

drado.

Proponer experiencias donde se pueda evidenciar el proceso de induccion de polariza-

cion y carga por contacto.

(Nivel avanzado) Proponer el paso a paso para la construccion de un electroscopio de

hojalata que sirva como instrumento de mayor sensibilidad para reconocer la presencia

de cuerpos cargados.

Las actividades experimentales y algunas preguntas orientadores se exponen en detalle en el

anexo (A.2). Se sugiere evaluar la pertinencia, duracion y material didactico de forma que

sea acorde con el tiempo y posibilidades.

10Ver tambien Anexo A.1 en donde se presenta la construccion del electroscopio de Henley y del Versorium

de Gilbert.

4.4 Capacitancia y Potencial electrico 43

4.4. Capacitancia y Potencial electrico

4.4.1. Capacitancia

Un capacitor (o condensador) consiste en un par de armaduras conductoras que entre ellas

tiene un dielectrico11. Su principal utilidad es almacenar carga electrica. Como fue presentado

en la Sec. 4.2.5, el descubrimiento del capacitor ocurrio en Holanda en 1746 por Pieter Van

Musschenbroek de la universidad de Leyden, y fue popularizado con el nombre Botellas de

Leyden.

Una de las primeras aplicaciones que tuvo la botella de Leyden fue como dispositivo para

almacenar carga en la maquina de Wimshurst (un diseno de maquina electrostatica) para que

los rayos fueran mas apreciables. Posteriormente, Daniel Gralath, combino en paralelo varias

botellas de Leyden formando lo que Franklin denominarıa una “baterıa”12, para incrementar

la capacidad de almacenamiento de la carga (ver Fig.4-7).

En 1749 Benjamın Franklin descubrio que las cargas en las botellas de Leyden no se alma-

cenaban en el agua sino en el borde del cristal. Esto abrio un camino para disenar botellas

cubiertas por hojas metalicas tanto en el interior como en el exterior de la botella.

Botellas de Leyden

La primera botella de Leyden que se construyo consistıa en una botella de cristal llena de

agua; sin embargo, la carga que acumulaba no era suficiente para generar una descarga visible

en la forma de una chispa. William Watson, en 1747, demostro que al recubrir la botella con

laminas de metal, la carga almacenada en la botella era mayor. Las botellas de Leyden se

usaron hasta aproximadamente el ano 1900.

La botella de Leyden consta de tres revestiduras en paralelo: una lamina conductora en el

interior que esta en contacto electrico con un alambre metalico central, otra revestidura que

puede ser de vidrio o plastico (la botella) y finalmente, otra lamina conductora en el exte-

11Un dielectrico es un material que en condiciones normales se comporta como aislante.12El termino baterıa era empleado en el contexto militar para denominar un conjunto de canones cuyos

efectos en el campo de la estrategia militar eran mas notables que tener solo uno. Franklin adopta esta

nocion para denominar un conjunto de botellas de Leyden conectadas, cuyos efectos son superiores en

comparacion con un solo elemento.

44 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Figura 4-7.: Izquierda: Botella de Leyden con revestiduras metalicas. Derecha: Baterıa con

4 botellas de Leyden conectadas en paralelo. La carga total almacenada puede

ser medida en el electroscopio superior dotado de medidor de angulo. Tomada

de: https://es.wikipedia.org/wiki/Botella de Leyden

rior (ver Fig.4-7). Al conectar el alambre metalico central con un generador electrostatico,

habiendo conectado la lamina exterior a tierra, se acumula carga en la lamina interior (con

igual signo de las cargas del generador) y por medio de induccion, se carga la otra lamina

con igual magnitud pero de signo contrario, dichas cargas son drenadas desde la conexion a

tierra. El alambre que comunica el interior con el exterior de la botella cumple con la funcion

de descarga si se realiza un contacto electrico entre la lamina exterior y dicho cable.

En la actualidad los capacitores13 o condensadores se hacen bajo el mismo concepto que el

de la botella de Leyden, aunque hoy en dıa los podemos encontrar en diferentes formas y

tamanos. Los condensadores comerciales son de distintos tipos. Algunos son fabricados de

laminas metalicas alternadas con un dielectrico que se enrollan formando un cilindro para

que ası ocupen menos espacio, otros se fabrican con materiales ceramicos y una tercera

clase son electrolıticos que suelen almacenar gran cantidad de carga a voltajes relativamente

pequenos, estos consisten en una lamina metalica en contacto con una solucion electrolıtica.

Los capacitores se encuentran en dispositivos tales como los desfibriladores, en radios para la

sintonizacion de una emisora, en los parabrisas de los automoviles, en las teclas del compu-

tador, en el flash de las camaras fotograficas, incluso la misma atmosfera se puede ver como

un condensador donde una placa serıa la superficie de la Tierra y la otra placa esta formada

por las nubes, o la ionosfera, que serıa la placa positiva.

13El termino capacitor fue adaptado para indicar que dicho dispositivo tiene cierta capacidad de almacenar

carga. Dicha capacidad es cuantificable en una magnitud llamada capacitancia y su unidad en el Sistema

Internacional (SI) es el Faradio.

4.4 Capacitancia y Potencial electrico 45

Para introducir el concepto de capacitores se puede emplear la botella de Leyden, debido a

la simplicidad que representa su construccion (ver A.3.2). Es una forma didactica de poder

abordar los capacitores y que el estudiante se entusiasme y sepa la historia del desarrollo del

concepto y de como hoy en dıa los capacitores son un elemento clave para el funcionamiento

de circuitos electronicos y el desarrollo tecnologico.

Un aspecto clave a recordar es que el nombre de condensador esta implıcitamente relacionado

con la forma como se concebıa el fenomeno electrico en sus inicios. Es decir, como un fluido

(efluvio). En consecuencia, para almacenar dicho fluido, se consideraba necesario un proceso

de condensacion (cambio de estado desde uno tipo gaseoso, o etereo, a otro tipo lıquido y

controlable).

4.4.2. El potencial electrico: trabajos de Volta

Alessandro Volta fue un personaje importante en el desarrollo historico de la electricidad.

Hizo aportes fundamentales tales como la invencion del electroforo y la pila electrica, entre

otros. En esta seccion presentaremos los orıgenes epistemologicos asociados con el concepto

de potencial electrico y el desarrollo de la pila.

Orıgenes del concepto: Potencial electrico

Quiza el concepto de diferencia de potencial haya surgido por William Watson. El in-

trodujo el concepto de diferencia de densidades como la causa del movimiento del fluido

electrico, lo que llevo a un gran salto cualitativo, pues el fluido electrico tendrıa una cierta

compresibilidad. Esta presion del fluido electrico fue considerada como un primer concep-

to cualitativo que puede preceder a lo que hoy conocemos como diferencia de potencial y

que luego Georg Ohm lo explico.

(Furio y Guisasola, 1997, p.261)

De acuerdo con la anterior cita, una diferencia de potencial era asociada a las variaciones en

la densidad del fluido electrico. En aquellas regiones del espacio en donde la densidad era muy

alta, comparada con regiones cercanas, el fluido presentaba mayor “potencial” para establecer

una corriente electrica, la cual tendrıa direccion privilegiada de la zona de mayor densidad a

46 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

la zona de menor densidad. Volta14 se refiere a dicha propiedad del fluido como “Tension”,

puesto que ha sido comun en la historia de la fısica definir los nuevos hallazgos usando

imagenes, conceptos y modelos, a partir de aquello que mejor conocemos. En esa epoca la

tension superficial de un fluido, las diferencias de presion y sus consecuencias dinamicas (Ej.

ley de Bernoulli) eran conocidas. De tal forma que, si el fluido electrico era tal, deberıa tener

tambien comportamientos similares.

Con el desarrollo de mejores electroscopios15, se pudieron caracterizar dos magnitudes: can-

tidad de fluido electrico y grado de electrizacion. Dicha medicion permitio consolidar el

concepto de potencial electrico. Georg Ohm obtiene una serie de resultados experimentales

al analizar circuitos electricos que llevaron a la construccion de la primera teorıa coherente

de la conduccion electrica. Fue quien definio la palabra Tension (en sus escritos en aleman

utilizo la palabra “spannung”) en una porcion del circuito como la diferencia entre las fuerzas

electroscopicas en sus extremos (Guisasola et al., 2008).

... En el siglo XIX se plantea el concepto de potencial electrico desde dos perspectivas,

una desde la electrostatica y otra desde la electrodinamica. ... El estudio del comporta-

miento de su electrometro condensador, sugirio a Volta el concepto de “tension”. Desde la

perspectiva de la electrodinamica: Los estudios de Fourier sobre la propagacion del calor

sirvieron para que los investigadores de la epoca se enfocaran en la transmision del fluido

electrico. Uno de ellos fue Ohm, que al estudiar el comportamiento de un conductor entre

los bordes de un conjunto de pilas, supone que el gradiente termico de la temperatura

debe ser analogo a una magnitud que denomino “fuerza electroscopica” de la pila, lo

que se conoce hoy en dıa como fuerza electromotriz (f.e.m). A mediados del siglo XIX se

establecen las diferentes clases de energıa, sus transformaciones y su conservacion. Es ası

como Kirchhoff detecta con un electroscopio, aquello que lo lleva a concluir que: “grado

de electrificacion”, “funcion de fuerza”, “potencial”, “tension” y “fuerza electroscopica”

son equivalentes.

Criado Perez y Criado Garcıa-Legaz (1988)

14La palabra “Tension” parece haber sido primero empleada por Ohm, de acuerdo con (Guisasola, Montero,

y Fernandez, 2008)15Los electroscopios permiten evidenciar la presencia de carga. La mejora en sus disenos facilito ademas

cuantificar la cantidad de carga. Si el electroscopio presenta dicha cualidad, se denomina electrometro.

4.4 Capacitancia y Potencial electrico 47

4.4.3. La pila de Volta

En esta seccion presentamos apartes historicos sobre la invencion de la pila de Volta y las

circunstancias que lo llevaron a culminar con exito su aparato.

De acuerdo con Aranzabal, Zubimendi, Garcıa, y Ceberio (2008, p.178), a comienzos del

siglo XIX solo se conocıa la existencia de dos tipos de electricidad, como almacenarla en

botellas de Leyden y como generarla con maquinas electrostaticas, pero el origen mismo de

la electricidad continuaba siendo un misterio:

... Por otra parte, los intentos de Franklin, Volta y Cavendish, para dar explicacion al

funcionamiento de la botella de Leyden, ayudaron a un salto cualitativo enorme en la

electricidad del siglo XVIII. A comienzos del siglo XIX, los cientıficos se enfrentaban a la

explicacion de fenomenos relacionados con el proceso de acumulacion de carga en cuerpos

y a indagar sobre la naturaleza electrica de la materia, lo que implico buscar nuevas

hipotesis sobre la necesidad de definir magnitudes como potencial electrico y capacidad

electrica, estos conceptos fueron evolucionando empleandose en contextos electrostaticos

como de corriente electrica y adquirir el significado que tienen en el marco teorico actual.

(Aranzabal et al., 2008, p.178)

Con referencia al orıgen del fenomeno electrico y su relacion con la materia, uno de los

aportes mas importantes de finales del siglo XVIII y comienzos del siglo XIX se debe a Luigi

Galvani. Galvani, medico y fısico italiano, conocedor de las maquinas electrostaticas, se veıa

atraıdo por la electricidad en tratamientos medicos. Muchos de sus colegas contemporaneos,

incluyendolo, conocıan de los efectos y sensaciones que eran generados ante una descarga de

las maquinas electricas: adormecimiento, contraccion muscular, entre otros. Es entonces como

se empieza a sugerir que el uso de estas maquinas podrıa curar enfermedades musculares e

incluso, enfermedades mentales o del sistema nervioso (Ej. epilepsia).

Con base en estas experiencias, Galvani decide hacer distintas pruebas, ideando una serie de

experimentos, entre ellos, electrificar cadaveres humanos para hacerlos mover. Es conocida

la historia popularizada sobre como, por casualidad, evidencia contraccion muscular en las

ancas de una rana disectada ante la presencia de una descarga electrica de una de sus

maquinas electrostaticas presentes en el laboratorio. Este hecho, ampliamente explorado por

Galvani, condujo a una serie de hipotesis que fueron difundidas en la comunidad cientıfica.

Entre dichas hipotesis, estaba que en el interior del sistema nervioso de la rana existıa una

electricidad cuyo origen era distintivo respecto a la electricidad generada por las maquinas

electrostaticas. Dicha electricidad fue denominada electricidad animal.

48 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Volta, que no estaba de acuerdo con la teorıa de Galvani de la electricidad animal, convenci-

do de que esta era de la misma naturaleza que la electricidad ordinaria, disena una serie de

experimentos. Su guıa de pensamiento era que la contraccion muscular de las ancas de rana

se debıa al contacto directo de dos metales distintos y el tejido animal. En dichos experimen-

tos, y basado en investigaciones sobre la anatomıa de peces capaces de producir descargas

similares a las maquinas electrostaticas, encontro un diseno con la capacidad de producir

electricidad, aparentemente ilimitada. Sus disenos, evolucionaron al que hoy conocemos co-

mo la pila de Volta, por consistir en un apilamento de discos metalicos con discos de carton

humedecidos en solucion salina. En dicho debate, Volta demuestra que la electricidad tiene

un origen universal, siendo el mismo para la maquina electrostatica que para las experiencias

relatadas por Galvani. Sin embargo, en la actualidad, es conocido que los seres vivos pueden

generar su propia electricidad y una muestra de ello se da en el proceso mismo de pensar.

Desarrollo historico de la Pila de Volta

Siendo uno de los objetivos de esta Monografıa presentar una recopilacion16 de las ideas

originales en relacion con la electrostatica, los experimentos que las acompanaron y las

conclusiones que condujeron a la construccion de los conceptos actuales, se hace relevante

una exposicion que de cuenta de como se llego al descubrimiento de la pila por parte de Volta.

Se entiende que tal revision toma valor si analizamos textualmente los reportes presentados

por Volta ante sus descubrimientos. Es en este sentido en que nos basaremos en traducciones

literales de esos reportes, tomadas de Gomez y Sorge (1978) y de del Colombo (2000).

Volta desarrollo algunos experimentos que dio a conocer a la Royal Society. El primer expe-

rimento lo describe de la siguiente manera:

16usualmente no disponible en los textos tradicionales que acompanan los cursos a nivel escolar y de primeros

semestres de universidad

4.4 Capacitancia y Potencial electrico 49

... Algunos extraordinarios resultados a los cuales he llegado al desarrollar mis experi-

mentos sobre la electricidad excitada por el simple contacto mutuo de dos metales de

diferente clase, y aun por el contacto de otros conductores ... es la construccion de un

aparato el cual, en sus efectos que produce, en los brazos, etc., parece una botella de

Leyden, o mejor aun baterıas electricas debilmente cargadas, que actuan incesantemente

o de tal manera que su carga despues de cada descarga se restablece ası misma; la cual,

en una sola palabra, proporciona una carga ilimitada o impone una accion perpetua o

impulsion sobre el fluido electrico, pero que es, por otra parte, esencialmente diferente

de esta, debido a su accion continuada que es su propiedad y porque, en lugar de estar

hecho, como lo estan las botellas ordinarias y las baterıas electricas, de uno o mas discos

aislantes en delgadas capas de aquellos cuerpos que se piensan son los unicos cuerpos

electricos, cubiertos con conductores o cuerpos llamados no electricos, este nuevo apara-

to esta formado completamente de varios de estos ultimos cuerpos, escogidos entre los

mejores conductores y por consiguiente los mas alejados de la naturaleza electrica.

(del Colombo, 2000)

El aparato disenado por Volta consistıa en un ensamble de conductores dispuestos de la

siguiente forma: cobre o plata con estano o zinc, y entre cada par de ellos se pone un carton

o material esponjoso con agua salada o jabonosa, siempre puestos en el mismo orden. El

aparato lo describe Volta de la siguiente manera (ver Fig. 4-8):

Sobre una base ponıa una primera placa metalica, por ejemplo, una de plata (Ag), sobre

ella la segunda placa de zinc (Zn) y sobre esta segunda el disco empapado de agua salada,

sobre ella coloca de nuevo una placa de plata, sobre esta una de zinc y sobre la de zinc

un disco empapado de agua salada, y ası sucesivamente formando una columna tan alta

como se pueda sin que se caiga...

del Colombo (2000)

Este aparato permitıa muchas variaciones. Entre ellas divulgo el que llamo cadena de vasos,

el cual consistıa en una fila de muchos vasos hechos de cualquier material (menos de metal),

los cuales estarıan medio llenos de agua salada y se juntan por medio de arcos de metal.

Estos arcos presentan a su vez pequenas placas soldadas en sus extremos, una de zinc y la

otra de plata (ver Fig. 4-9).

Sobre el funcionamiento de la pila Volta expone lo siguiente:

50 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Figura 4-8.: Aparato de Volta apilado (Volta, 1800)

Figura 4-9.: Cadena de vasos de Volta en disposicion horizontal (Gomez y Sorge, 1978).

La accion por la cual el fluido electrico es excitado y puesto en movimiento, no es pro-

ducida, como se ha supuesto falsamente, en el contacto de la sustancia humeda con el

metal o, admitiendo que este es el caso en cierto grado, es despreciable, comparado con

la accion que sobreviene, como mis experimentos han probado completamente, cuando el

contacto se establece entre diferentes metales. Consecuentemente, el verdadero elemento

de mi aparato electromotriz, en la forma de una pila,...consiste en el simple par de

discos metalicos, compuesto de dos metales diferentes, y no, como un gran numero de

naturalistas han supuesto, en una sustancia humeda aplicada a una sustancia metalica,

o comprendida entre dos metales diferentes. Las capas humedas... son por lo tanto intro-

ducidas solamente para establecer una comunicacion recıproca entre todos los pares de

discos metalicos, ası dispuestos para impulsar el fluido electrico en una direccion parti-

cular; o, en otras palabras, para hacerlos comunicar de tal manera, que ninguna parte de

la accion se desarrolle en sentido contrario...

del Colombo (2000)

Es importante resaltar que la pila de Volta tuvo inspiracion en el estudio del pez torpedo, al

cual habıa estudiado para entender como producıa la descarga electrica y poder paralizar o

matar a sus vıctimas. Las celulas de los peces electricos, tales como el pez torpedo, anguila

4.4 Capacitancia y Potencial electrico 51

electrica, entre otros, son llamadas electrocitos y tiene forma de disco y estan alineadas en

el interior de tubos a lo largo del cuerpo de estos. Volta consiguio emular esta caracterıstica

del pez torpedo en su diseno de la pila electrica segun afirma (del Colombo, 2000):

El 20 de marzo de 1800, Alessandro Volta escribe una carta, en frances, al entonces

presidente de la Royal Society, Sir Joseph Banks, en la que analiza algunos de los experi-

mentos llevados a cabo con un aparato, al que denomino Organo electrico artificial, por

sus analogıas con el organo electrico natural del pez torpedo o de la anguila electrica. El 1

de abril del mismo ano, Volta escribe de nuevo a Banks informandole sobre el envıo de la

memoria anterior, aclarando algunos puntos y anadiendo otros, de las dos contribuciones

se obtiene una que es leıda ante los miembros de la Royal Society el 26 de junio de 1800.

Volta no solo explica minuciosamente la estructura y el proceso de construccion del apa-

rato, ası como el del otro que denomina de corona de tazas, ademas de sus aplicaciones

mas relevantes, sino que tambien describe, con todo detalle, los efectos del paso de la

corriente electrica sobre los sentidos. Comenta ademas que las experiencias llevadas a

cabo abren multiples posibilidades de aplicacion y estudio en particular al campo de la

medicina. Basandose en el principio de que la electricidad se produce por el contacto de

metales de distintas especies, en particular plata y zinc, desestima la llamada electricidad

animal de Galvani, y clama la obtencion de una fuente perpetua de fluido electrico.

En las siguientes dos secciones se proporciona informacion detallada, traducida literalmente

del trabajo original de (Volta, 1800) segun del Colombo (2000). Dichas secciones pueden

complementar la comprension de los metodos, pruebas y conclusiones que condujeron al

posicionamiento de la pila como invencion fundamental en el desarrollo historico de la elec-

tricidad. Se procede entonces a la descripcion del aparato de columna o apilamiento y a

una variacion de la misma, que consiste en la descripcion del aparato de corona de tazas,

que consiste en una disposicion horizontal de cubiletes no metalicos unidos por dos metales

diferentes, cada uno en cada cubilete.

52 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Descripcion del aparato de columna

Me proveo de algunas decenas de pequenas placas redondas de discos de cobre, de laton o

mejor de plata, de una pulgada de diametro mas o menos (por ejemplo, unas monedas) y

un numero igual de placas de estano, o, mucho mejor, de zinc, mas o menos de la misma

forma y tamano; digo, mas o menos, porque en realidad no se requiere gran precision, y, en

general, tanto las dimensiones, como la forma, de las piezas metalicas es arbitraria; se debe

solamente tener cuidado de poder disponerlas comodamente las unas sobre las otras en forma

de columna. Preparo ademas un numero bastante grande de pequenos discos de carton, de

piel, o de cualquier otra materia esponjosa, capaz de absorber y retener gran parte del agua.

Para el exito del experimento se requiere que estos ultimos esten bien empapados del humor

(agua o agua salada) correspondiente. Estas rodajas o pequenos discos que llamare discos

embebidos, los hago un poco mas pequenos que los discos o placas metalicas, de tal forma,

que superpuestos a estos no alcancen los bordes. Teniendo a mano todos estos objetos en

buen estado, es decir los discos metalicos adecuados y secos y los otros vienen embebidos de

agua comun, o mucho mejor, de agua salada, secado despues ligeramente para que el lıquido

no gotee, no me queda nada mas que disponerlos de manera conveniente, de un modo muy

sencillo.

Coloco horizontalmente sobre una mesa o sobre una base cualquiera, uno de los platos metali-

cos, por ejemplo, uno de plata, y sobre este primero adopto un segundo plato de zinc; sobre este

extiendo uno de los discos mojados; seguidamente otro disco de plata, seguido inmediatamente

de uno de zinc, al que hago seguir de otro disco mojado. Continuo ası, de la misma manera,

emparejando un disco de plata con otro de zinc, siempre en el mismo sentido, es decir, siempre

el de plata abajo y el de zinc arriba, o viceversa, segun haya empezado, e interponiendo a

cada una de estas parejas, un disco mojado; continuo formando, con varios de estos pisos, una

columna tan alta que pueda sostenerse sin derribarse.

Si llega a contener cerca de 20 de estos pisos o parejas de metal, no solo sera capaz de dar

senales en el electrometro de Cavallo (Tiberius Cavallo), (ayudado por un condensador), mas

alla de los 10 o 15 grados, de cargar este condensador con un simple contacto, hasta el punto

de hacerle producir una chispa, sino tambien de hacer estremecer los dedos con los que se

tocan las dos extremidades, (la cabeza y el pie de una tal columna), con uno o mas pequenos

golpes, mas o menos frecuentes, segun se reitera en dichos contactos. Cada uno de estos golpes

es exactamente igual a la ligera conmocion que hace sentir una botella de Leyden debilmente

cargada, una baterıa cargada mucho mas debilmente todavıa, o un pez torpedo extremamente

languido, que imita todavıa mejor los efectos de mi aparato, por la secuencia de golpes repetidos

que puede proporcionar sin cesar. Para obtener ligeras conmociones del aparato, que acabo de

describir, y que es todavıa demasiado pequeno para grandes efectos, es necesario que los dedos

con los que se toquen sus dos extremidades al mismo tiempo, esten humedecidos con agua,

de manera que la piel (que de otra forma no es un conductor demasiado bueno), se encuentre

bien empapada.

4.4 Capacitancia y Potencial electrico 53

Para lograr mejores resultados, y recibir conmociones considerablemente mas fuertes, es

necesario poner en contacto, mediante una lamina lo suficientemente ancha, o un hilo

metalico grueso, el pie de la columna ... con la extremidad superior, (el ultimo o uno de

los ultimos platos de la columna).

Procediendo de esta manera, puedo ya obtener un pequeno picor, o una ligera conmo-

cion, en una de las articulaciones de un dedo ..., es curioso sentir como las conmociones

aumentan gradualmente en fuerza. esta fuerza es tal, que llego a recibir de una columna,

formada por 20 pares de platos, (no mas), conmociones que interesan a todo el dedo, y

lo afectan ademas de manera bastante dolorosa, ... ; que se extienden (sin dolor) hasta el

puno, e incluso hasta el codo, ... , y se transmiten incluso al puno de la otra mano.

En realidad, los efectos de mi aparato (las conmociones que se prueban) son considera-

blemente mas sensibles a medida que la temperatura ambiente, la del agua, o la de los

discos embebidos que entran en la composicion de la columna, y de la misma agua del

barreno (recipiente de forma cilındrica), este mas caliente, haciendo el calor que el agua

sea mas conductora. Una notable mejora se consigue sin embargo, con casi todas las sales,

especialmente la sal comun. Esta es una de las razones, (sino la unica), por las que es

tan ventajoso que el agua de barreno, y sobre todo la que se interpone entre cada par

de platos metalicos, el agua de la que estan embebidos los discos de carton sea de agua

salada, como ya he remarcado anteriormente.

del Colombo (2000)

Segun el escrito anterior el aparato de columna disenado por Volta funcionaba mejor, es

decir, los efectos eran mas notables cuando el agua tenıa una temperatura mayor, tambien

noto que entre mas sal tuviera el agua, esta se volvıa mejor conductora.

Todos estos medios, y todas estas precauciones solo representan, de todas maneras, ventajas

limitadas, y no conseguiran jamas que se produzcan conmociones muy fuertes, mientras que el

aparato siga constando de una sola columna formada de 20 pares de platos solamente, aunque

estos sean de los dos metales mas idoneos para este experimento, es decir, plata y zinc; ya que

si fueran de plata y plomo, o de estano, o de cobre y estano, no se obtendrıa ni la mitad del

efecto, a menos que un numero mucho mas grande de discos nos compensara la menor fuerza

de cada par. Lo que aumenta realmente el poder electrico de este aparato, y lo puede llevar

a igualar, e incluso sobrepasar el del pez torpedo o de la anguila electrica, es el numero de

platos, dispuestos, de la manera, y con las precauciones que he explicado.

54 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

...Se espera, ademas, que una tal columna, formada por 40 o 50 pares de metal, que propor-

ciona unas conmociones mas que mediocres a los dos brazos de una persona, podra provocar

conmociones sensibles, a varias personas que cogidas de las manos (suficientemente humedas),

forman una cadena ininterrumpida. Volviendo a la construccion mecanica de mi aparato, que

es susceptible de varias modificaciones, no describire aquı todas las que he imaginado y eje-

cutado, (sea en grande sea en pequeno), sino aquellas que son o mas curiosas o mas utiles;

que presentan alguna ventaja real, como ser de mas facil ejecucion, o mas expeditiva, mas

seguras en sus efectos, o conservables en buen estado a mas largo plazo. Empezare por una

que, reune practicamente todas estas ventajas. Difiere mayormente, en cuanto a la forma, del

aparato de columna descrito mas arriba, pero tiene la desventaja de ser una maquina mucho

mas voluminosa. Os presento este nuevo aparato, que llamare de corona de tazas.

del Colombo (2000)

En la descripcion anterior, Volta relata que a mas numero de material apilado mas fuerte

sera la conmocion (toque electrico) que experimentara una persona, incluso asegura que al

dividir en columnas la conmocion (perturbacion violenta del cuerpo) sera mas fuerte y que

se podrıa propagar a varias personas si estas estuvieran unidas por las manos. Tambien

descubrio que entre mayor la temperatura el efecto de la conmocion se potenciaba. En los

posibles prototipos que ideo de su aparato, hizo una version de su dispositivo que llamo la

corona de tazas (ver Fig 4-9), esta estaba dispuesta en forma horizontal en vez de vertical

como su aparato original.

Para la descripcion de la corona de tazas pasaremos a la siguiente seccion, en donde se

describe de manera detallada la construccion de la misma.

4.4 Capacitancia y Potencial electrico 55

Descripcion del aparato de corona de tazas

Disponemos pues de un conjunto de tazas o de copas, de cualquier material excepto de metal,

tazas de madera para mostrar, de concha, de barro o mejor de cristal, (pequenos vasos para

beber o cubiletes son los mas adecuados), llenos hasta la mitad de agua pura, o mejor de agua

salada o de lejıa; hacemos que se comuniquen entre ellos, formando una especie de cadena,

mediante otros tantos arcos metalicos, donde el brazo Aa, o solamente la extremidad A, que

se apoya en uno de los cubiletes, es de cobre rojo, o amarillo, o mejor de cobre plateado, y

el otro extremo Z, que se apoya sobre el cubilete siguiente, es de estano, o mejor de zinc.

Observare aquı, de paso, que la lejıa y los otros lıquidos alcalinos, son preferibles, cuando uno

de los metales sumergidos es el estano; el agua salada es preferible si se trata de zinc. Los dos

metales mas idoneos que componen el arco, se sueldan conjuntamente, en cualesquier parte,

por encima de la zona sumergida en el agua, que debe estar en contacto con esta mediante

una superficie lo suficientemente amplia: por esta razon es conveniente que esta zona sea una

lamina de una pulgada cuadrada, o muy poco menos; el resto del arco puede ser tan estrecho

como se quiera, incluso un simple hilo metalico. Puede tambien ser de un tercer metal, distinto

de los que estan sumergidos en el lıquido de los cubiletes, ya que como he verificado por medio

de las experiencias directas (de las cuales tendre ocasion de hablar mas adelante), la accion

sobre el fluido electrico que resulta de los contactos entre los metales sucesivos, la fuerza con la

que el fluido es empujado al final, no difiere practicamente de la que se obtendrıa por contacto

directo del primer metal con el ultimo, sin ninguno de los metales intermedios.

Entonces, una serie de 30, 40, 60, de estos cubiletes, encadenados de esta manera, y situados,

sea en una lınea recta, sea en una curva, o formando pliegues de forma cualquiera, forman este

nuevo aparato; que en el fondo, y en sustancia, es lo mismo que el otro de columna descrito

mas arriba; lo importante es que el contacto directo de los metales distintos que forman cada

pareja, y hacen de mediadores entre una pareja y la otra, mediante un conductor humedo,

tenga lugar tambien para uno como para el otro de estos aparatos.

del Colombo (2000)

La descripcion de este aparato, que en sıntesis tiene el mismo principio de funcionamiento

que el anterior, la hace aclarando que los cubiletes deben ser de un material no conductor y

que se debe tener dos distintos metales como el cobre plateado y el zinc, cada uno debe ir en

un cubilete y unidos entre ellos, en cada cubilete debe haber un electrolito, que el describe

como lejıa, que es un lıquido formado por sales alcalinas. A pesar que la disposicion de este

aparato es horizontal cumple el mismo principio de comunicacion de dos metales diferentes

inmersos en un electrolito.

56 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Por lo que respecta a la manera de poner a prueba el de cubiletes, y cuanto a los diferentes

experimentos para los que puede servir, no tengo necesidad de decir demasiado, despues de lo

que he observado y explicado ampliamente, con respecto al de columna. Se entendera ası mismo

que para sentir la conmocion, es suficiente sumergir una mano dentro de uno de los cubiletes, y

un dedo de la otra mano en otro cubilete, bastante alejado de este ultimo; que esta conmocion

sera mas fuerte cuanto mas alejados este un recipiente del otro, es decir, cuando haya un

numero mayor de intermediarios; que, en consecuencia, se tendra la mas fuerte, tocando el

primer y el ultimo recipiente de la cadena. Se comprendera tambien como, y por que, los

experimentos resultaran mucho mejor, empunando, y estrechando, en una mano bien humeda,

una lamina metalica bastante ancha, (de manera que la comunicacion sea ası bastante buena,

y se extienda grande puntos), y tocando con esta lamina el agua de un cubilete, o mas bien

el arco metalico antes indicado, mientras que la otra mano se encuentra sumergida en el otro

cubilete alejado, o toca, con una lamina como la anterior el arco de este ultimo.

En fin se comprendera, y podra incluso prever el resultado de una gran variedad de experi-

mentos, que se pueden llevar a cabo con este aparato de corona de tazas, mas facilmente y

de una manera mas evidente y manifiesta, por ası decirlo, a la vista, que con el otro apara-

to de columna. Evitare describir un gran numero de estos experimentos, faciles de prever, y

solamente contare otros que no son menos instructivos que divertidos.

Sean tres veintenas de tazas o cubiletes, dispuestos y encadenados el uno al otro por los arcos

metalicos, pero de manera que, para los primeros veinte, estos arcos esten girados en el mismo

sentido, por ejemplo, el brazo de plata girado hacia la izquierda, el de zinc a la derecha; para

los segundos veinte en sentido contrario, es decir, el de zinc a la izquierda y el de plata a

la derecha; y por ultimo, para la tercera veintena, de nuevo plata a la izquierda como para

la primera. Dispuestas las cosas de esta manera, sumerjan si un dedo en el agua del primer

cubilete, y toquese, con lamina empunada con la otra mano, de la manera prescrita, el primer

arco metalico, (el que une el primer cubilete y el segundo), despues el otro arco que abraza el

segundo y el tercer cubilete, y ası sucesivamente los otros arcos, hasta recorrerlos todos. Si el

agua esta templada y bien salada, y la piel de las manos bastante humedecida y ablandada,

empezareis a notar una pequena conmocion en el dedo, al tocar el 4◦ o el 5◦ arco; (la he

probado alguna vez con bastante claridad por el contacto con el 3◦); y, pasando sucesivamente

al 6◦, 7◦ etc.

del Colombo (2000)

4.4 Capacitancia y Potencial electrico 57

Las sacudidas aumentaran gradualmente su intensidad, hasta el 20◦ arco, es decir, hasta el

ultimo de los que estan dirigidos en el mismo sentido: sin embargo, al pasar al siguiente, al

21◦, 22◦, 23◦, o 1◦, 2◦ 3◦ de la segunda veintena, en la cual estan todos girados en sentido

contrario, las sacudidas se volveran a cada paso menos fuertes, de manera que en el 36◦, o 37◦,

seran imperceptibles, y absolutamente nulas en el 40◦; pasado el cual, (y empezando la tercer

veintena, opuesta a la segunda y analoga a la primera), las sacudidas eran todavıa impercep-

tibles, hasta el 44◦ o 45◦ arco; pero volveran a hacerse sensibles, y a aumentar gradualmente,

a medida que avanzais hasta el 60◦, donde tendran la misma fuerza que en el 20◦ arco.

Ahora, sı los 20 arcos del centro estuvieran girados en el mismo sentido que los 20 anteriores

y los 20 siguientes, sı los 60 conspirasen empujando el fluido electrico en la misma direccion,

se comprende cuanto mayor serıa el efecto al final, y la conmocion mas fuerte; y en general se

comprende como, y hasta que punto, esta debe debilitarse, en todos los casos en que un numero

mas o menos grande de estas fuerzas, por la posicion opuesta de los metales, se contrarrestan.

Si la cadena se interrumpe en alguna parte, sea porque falte agua en alguna de las tazas, sea

porque uno de los arcos metalicos ha sido quitado, o porque haya sido separado en dos piezas,

no tendreis ninguna conmocion sumergiendo un dedo en el agua del primer, y otro en la del

ultimo vaso; la tendreis sin embargo mas fuerte o mas debil, segun las circunstancias, (dejando

estos dedos sumergidos), en el momento en que se restablecera la comunicacion interrumpida,

en el momento en que otra persona sumergira en las dos tazas en el que falta el arco, dos de

sus dedos, (que sufriran tambien una pequena conmocion), o mejor, sumergira ese mismo arco

que habıa sido quitado, u otro cualquiera; y, en el caso del arco separado en dos piezas, en el

momento en que se restablecera el contacto mutuo; (ası la conmocion sera mayor que la de

otra manera); finalmente en el caso de la taza vacıa, en el momento en que anadiendo agua,

esta entrara en contacto con los dos brazos hundidos en esta taza, que estaban secos.

Cuando la cadena o corona de tazas es bastante larga, y capaz de provocar una conmocion

fuerte, la probaremos aunque de manera bastante mas debil, teniendo sumergidos los dos

dedos, o las dos manos, en un solo barreno de agua bastante grande, en la cual se introducen

el primer y el ultimo de los arcos, de manera que una por la otra, o mejor las dos manos,

que se encuentran sumergidas, se tengan en contacto con esos dos mismos arcos, o bastante

cerca del contacto; se probara, una conmocion, en el momento en que (encontrandose la cadena

interrumpida en algun lugar) la comunicacion sera restablecida y el cırculo completado, de una

de las maneras expuestas anteriormente. Ahora, nos podrıa sorprender el hecho de que, en este

cırculo, la corriente electrica, teniendo libre paso a traves de una masa de agua ininterrumpida,

en el agua que llena el barreno, deje este buen conductor, para tirarse, y seguir su curso, a

traves del cuerpo de la persona que tiene sus manos sumergidas en esta agua, siguiendo ası

un recorrido mas largo. Sin embargo la sorpresa cesara, sı se reflexiona sobre el hecho de que,

las sustancias animales vivas y calientes, y sobre todo sus humores, son en general mejores

conductores que el agua.

del Colombo (2000)

58 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

El cuerpo entonces de la persona que tiene sus manos sumergidas en el agua, ofrece un paso

mas facil que el agua al torrente electrico, que lo prefiere aun siendo un poco mas largo. Por

lo demas, como el fluido electrico tiene que atravesar en cantidad, conductores no perfectos,

y conductores humedos, prefiere pasar por un canal mas largo, o dividirse en varios canales e

incluso dar un rodeo, encontrando de esta manera una resistencia menor que siguiendo un solo

canal, aunque este sea mas corto; este en nuestro caso no es mas que una parte del torrente

electrico, que, separandose del agua toma una nueva ruta a traves de la persona, y la recorre de

un brazo a otro: otra parte, mas o menos grande, pasa a traves del agua del barreno. He aquı

la razon por la cual las sacudidas que se experimentan, son bastante mas debiles que las que

se sufren si la corriente electrica no esta dividida, cuando la persona hace sola la comunicacion

de un arco a otro, etc.

Despues de estos experimentos, se puede creer, que cuando el pez torpedo quiere dar una

sacudida al brazo de un hombre o a los animales que lo tocan, o que se acercan a su cuerpo por

debajo del agua, (sacudida esta, de la misma manera que antes, bastante mas debil que la que

el pez puede dar encima del agua), solo tiene que acercar alguna parte de su organo electrico,

allı donde, la comunicacion falta en un cierto intervalo; que eliminar estas interrupciones entre

la una y la otra de las columnas que forman dicho organo, o entre esas membranas en forma

de discos delgados, que yacen las unas sobre las otras, desde el fondo hasta la cima de cada

columna; solo tiene, como decıa, que quitar esas interrupciones en uno o mas lugares, y hacer

surgir el contacto conveniente, sea comprimiendo las columnas sea vertiendo entre las pelıculas

o diafragmas levantados, algun humor, etc. He aquı cual puede ser, y, como yo imagino, que

es realmente, el mecanismo por el cual el pez torpedo, produce la conmocion; ya que todo el

resto, quiero decir la incitacion y el movimiento dado al fluido electrico, no es otra cosa que

un efecto necesario de su singular organo, formado, como se ve, por una serie muy numerosa

de conductores, que tengo todo el fundamento de creer bastante distintos entre ellos para ser

tambien motores del fluido electrico, en sus contactos mutuos, y de suponerlos dispuestos de

una manera conveniente para empujar a este fluido con una fuerza suficiente, de arriba abajo,

o de abajo a arriba, y determinar una corriente capaz de producir la conmocion, etc. en cuanto,

y cada vez, que todos los contactos y comunicaciones necesarias tengan lugar.

Pero dejemos ahora el pez torpedo, y su organo electrico natural y volvamos al organo electrico

artificial de mi invencion, y en particular al que imita al primero, tambien en la forma, (ya que

el de cubiletes esta mas lejano en este aspecto), volvamos a mi primer aparato de columna.

Tendrıa todavıa algunas cosas que decir por lo que respecta a la construccion del aparato de

cubiletes o de corona de tazas, por ejemplo, que es conveniente que la primera y la ultima taza

sean suficientemente grandes para poder sumergir, llegada la ocasion, toda la mano etc.; pero

serıa demasiado extenso entrar en todos esos detalles.

del Colombo (2000)

4.4 Capacitancia y Potencial electrico 59

4.4.4. Sobre el Anexo A.3: Capacitancia y potencial electrico. Ideas

para el aula

Basados en los experimentos relevantes llevados a cabo por Volta, tales como el aparato de

columna, el aparato de corona de tazas y el electroforo, tambien por el desarrollado por

Musschembroek conocido como botella de Leyden, presentamos algunas ideas para imple-

mentar en el aula e introducir los conceptos de potencial electrico y capacitancia. El objetivo

del AnexoA.3 es motivar, a partir de la construccion de modelos pedagogicos y con mate-

riales cotidianos, el redescubrimiento y la respectiva asociacion de los conceptos: potencial

electrico y capacitancia. Con este fin, se presentan disenos de un electroforo, una pila de

columna, una baterıa de corona de tazas y una botella de Leyden. Se sugiere:

Promover una discusion orientada, con base en la Seccion (4.4), sobre el desarrollo

historico de la pila y el capacitor. Debe enfatizarse en el origen epistemologico de

los conceptos: capacitancia, baterıa, pila, potencial electrico y sus sinonimos (tension,

voltaje, fuerza electromotrız). Se sugiere tambien resaltar el papel de las analogıas con

referencia a la teorıa de fluidos.

Motivar la construccion de una botella de Leyden y ver la importancia que tuvo para

el desarrollo de la electricidad. Si se cuenta con un multımetro, medir su capacitancia

y compararla con el de capacitores comerciales que se pueden adquirir a bajo costo.

Fomentar la construccion de una pila siguiendo la guıa del anexo.

Motivar la construccion de una baterıa de corona de tazas (actualmente denominada

celdas electroquımicas o celdas galvanicas).

Construir un electroforo y evidenciar como este mantiene la carga.

De contar con un multımetro, medir la diferencia de potencial electrico entre los extre-

mos de conexion de la pila, la botella de Leyden (cargada y descargada) y las celdas

galvanicas.

Las actividades experimentales y algunas preguntas orientadoras se exponen en detalle en el

anexo (A.3). Se sugiere evaluar la pertinencia, duracion y material didactico de forma que

sea acorde con el tiempo y posibilidades.

60 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

4.5. Maquinas electrostaticas

La construccion de las maquinas electrostaticas fue clave en el desarrollo de la historia de

la electricidad, tal como ha sido relatado en las secciones anteriores de este capıtulo. Esta

se remonta al siglo XVII con el diseno de Von Guericke y las posteriores modificaciones,

mejoras y adaptaciones que incluyeron botellas de Leyden en su diseno.

Los primeros generadores electrostaticos fueron maquinas de friccion, que se fueron mejo-

rando al ir cambiando en su geometrıa, al principio esferica, a simetrıas cilındricas hasta

llegar a placas circulares, que parecıan ser mas eficientes. Tambien se fueron mejorando con

el cambio de materiales, de tal forma que las chispas que se iban produciendo eran mas

intensas. A continuacion se presentan algunos disenos.

4.5.1. Maquina de Von Guericke

Construyo la primer maquina electrostatica capaz de producir triboelectricidad17 al rededor

del ano 1663. Para la construccion de su maquina Guericke fundio azufre y lo vertio en un

balon de vidrio hueco, una vez enfriado y endurecido el azufre procedio a romper el vidrio

dejando ası expuesta la bola de azufre, perforo la bola para atravesarle una varilla de hierro

con lo cual pudo anclar en una base de madera la esfera de azufre y ası se pudiera rotar

velozmente con un asa, acelerando ası el proceso de carga de la superficie de la esfera. Con

esta maquina se observaron chispas, atraccion y repulsion de objetos livianos; tambien se

evidencio electroluminiscencia.

4.5.2. Maquina de Hauskbee

Anos mas tarde, alrededor de 1705, Francis Hauskbee perfecciono la maquina de Guericke,

cambiando la bola de azufre por una de vidrio. Hauskbee fue asistente de laboratorio de

Isaac Newton, fue reconocido por sus trabajos sobre electricidad y repulsion electrica. En su

maquina, Hauskbee sigue la tecnica de la friccion para generar la carga electrica, pero incor-

poro un sistema de transmision mecanica para acelerar el proceso de rotacion y optimizar

la friccion entre la mano y la superficie del vidrio. Los efectos de las descargas electricas de

este diseno eran mas intensos y constantes. (ver fig. 4-11)

17Triboelectricidad hace referencia a electricidad por friccion.

4.5 Maquinas electrostaticas 61

Figura 4-10.: Replica funcional de la universidad de Oldenburg de la primera maquina

electrostatica de Von Guericke. (Queiroz, 2018, p. 1)

Figura 4-11.: Maquina electrica de Hauskbee.(Queiroz, 2018, p. 1)

62 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Figura 4-12.: Maquina electrica de Ramsden.

(Queiroz, 2018, p. 1)

4.5.3. Maquina de Ramsden

Al transcurrir de los anos, las maquinas de friccion se fueron mejorando gracias a los trabajos

de muchos investigadores de la epoca, finalmente las maquinas tomaron una forma estable.

Pasaron de ser esferas cargadas a discos cargados y la maquina de friccion de Ramsden en

1766 fue la primera en utilizar un disco. En su diseno, un disco de vidrio (identificado con

la letra P en la Fig. 4-12) recibe de la manivela el movimiento de rotacion, que al pasar por

entre dos pares de almohadillas (C) se carga con electricidad positiva. Esta maquina tenıa

dos colectores (S) y dos condensadores cilındricos (D) para almacenar las cargas positiva

y negativa respectivamente. En el extremo de uno de los condensadores podıa ubicarse un

electrometro (R) MUVHE (2021). (ver fig. 4-12)

4.5.4. Maquina de Le Roy

Despues de la primera maquina de friccion que utilizo discos cargados en vez de esferas, se

pasa a la maquina de Le Roy en 1772, que era una maquina adecuada para la produccion de

una chispa larga, debido al alto aislamiento entre las pastillas de friccion y los recolectores de

4.5 Maquinas electrostaticas 63

Figura 4-13.: Maquina electrica de LeRoy.

(Queiroz, 2018, p.1)

carga. Esta maquina podıa generar electricidad positiva o negativa, segun fuera el proposito

(ver fig. 4-13).

4.5.5. Maquina de Nairne

En 1770 Eduardo Nairne construyo una maquina de friccion que consistıa en un cilindro de

vidrio, una almohadilla de friccion en un lado, unida a un cilindro conductor y un colector

de carga de efecto punta en el otro, tambien unido a un conductor cilındrico. Todo el sistema

aislado con tubos de vidrio. El dispositivo puede suministrar carga positiva o negativa.

En su maquina, la electricidad que se produce por el frotamiento es recogida en uno de los

polos por un peine diametralmente opuesto a la almohadilla. Las cargas de signo contrario

se recogen con una placa en la cual descansa la almohadilla y en contacto electrico con el

correspondiente cilindro. El cilindro de vidrio se mueve mediante una manivela sujeta al eje

del cilindro (ver fig. 4-14).

4.5.6. Maquina de Rouland

En 1785 N. Rouland construyo una maquina de cinturon que consistıa en un colector de

carga con cuchillas que recogen las cargas de un cinturon de seda frotado por dos tubos

conectados a tierra cubiertos con piel de liebre (ver fig. 4-15).

64 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Figura 4-14.: Maquina electrica de Nairne.

(Queiroz, 2018, p. 1)

Figura 4-15.: Maquina electrica de Rouland.

(Queiroz, 2018, p. 1)

4.5 Maquinas electrostaticas 65

Figura 4-16.: Maquina electrica de Carre.

(Queiroz, 2018, p.1)

4.5.7. Maquina de Carre

Disenada por el Ing. Frances Ferdinad Carre en 1868, utilizo un disco para el transporte de

carga iniciado por friccion y un capacitor cilındrico en la parte superior. Cuando hacemos

girar el disco, de manera que pase en su giro por el primero de los peines (el inferior), este

peine absorbe carga. Al cargarse el circuito de este peine con una polaridad, el circuito

contrario absorbe del disco por su peine (en la parte superior) la carga opuesta. La carga se

incrementa progresivamente y tiene un lımite determinado por la capacidad del conductor

cilındrico, el aislamiento, la capacidad de polarizacion del dielectrico, la velocidad de rotacion

y el tamano de la maquina. (ver Fig. 4-16).

4.5.8. Maquinas y medicina

Las maquinas electrostaticas han sido utilizadas en la medicina desde el siglo XVIII donde

se utilizaba la botella de Leyden para provocar descargas electricas en el cuerpo, tanto de

animales como de humanos, ya que una descarga de electricidad estatica en animales producıa

un movimiento violento en los musculos del animal y en los humanos aceleraba el pulso y

aumentaba la actividad glandular.

66 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Eusebio Sguario fue uno de los medicos del siglo XVIII que utilizo las maquinas electrostaticas

al tratar a sus pacientes con choques electricos. Tambien las utilizo Giovanni Aldini, sobrino

de Galvani, que a principios del siglo XIX aplicaba la corriente electrica en la region parietal

de la cabeza para tratar patologıas tales como la depresion.

Con respecto a la utilizacion de la electricidad para curar enfermedades por medio de choques,

se extrae un aparte del libro Gomez y Sorge (1978):

El abate Nollet fue uno de los primeros que imagino que el fluido electrico, aplicado al

cuerpo humano debıa ser muy a proposito para restablecer el movimiento y sensacion de

los miembros paralıticos, y le ocurrio esta idea por varios experimentos que le probaron

todos que aceleraba singularmente el movimiento de los fluidos en el sistema capilar....

...Sin duda esta reflexion fue la que sostuvo el animo de otros celebres medicos y fısicos,

y que les empeno a hacer nuevas tentativas, antes que decidir sobre la certeza o incerti-

dumbre de este medio, del cual lograron efectos muy ciertos y ventajosos....La primera

cura y al mismo tiempo la mas asombrosa sin duda es la que hizo en Ginebra a fines de

1747, y a principios de 1748 M. Fallabert, celebre profesor de filosofıa. A finales del mes

de junio de 1733, un cerrajero, al forjar una barra de hierro, cayo en el suelo sin conoci-

miento ni movimiento, por un golpe que dio en falso. Se le administraron al instante los

remedios usados en semejantes circunstancias, pero por eso no dejo de quedar paralıtico

de toda la parte inferior del cuerpo...en ese estado fue cuando esperando auxilios de la

electricidad suplico a finales de diciembre de 1747 a M. Fallabert que lo electrizase....(los

musculos) privado de todo movimiento voluntario, se movıan a voluntad del que excitaba

las chispas, y el enfermo se hallo curado a finales de febrero de 1748.

Lo anterior explica como era normal, en esos tiempos, encontrar en el consultorio de los

medicos las maquinas electricas y como los medicos se interesaban activamente de los

descubrimientos realizados en este campo de la ciencia.

Fue precisamente un medico italiano, Luigi Galvani, el encargado de abrir, en 1791, un

nuevo camino al desarrollo de la electricidad, a traves del descubrimiento de la que el

llamo, electricidad animal.

4.5.9. Otras maquinas

Existen otras maquinas famosas en las aulas de clase como son los generadores de Van Der

Graaff y Wimshurt, utilizadas para un gamma amplia de experimentos en los cursos de

electricidad. No nos detendremos en el funcionamiento de las mismas, pero si dejamos en

4.5 Maquinas electrostaticas 67

donde se puede remitir el lector que requiera profundizar en su funcionamiento y construccion

(ver Queiroz (2018)).

El generador de Van Der Graff, inventado en Estados Unidos en 1929 con el objetivo de

generar altos voltajes para experimentos en fısica nuclear, consiste en una correa aislante

motorizada que transporta la carga a una terminal hueca, usualmente esferica. Dentro de la

terminal, la carga es recolectada por una peine metalico cerca del cinturon y transferida a la

superficie exterior de la terminal por el efecto “cubeta de hielo” de Faraday, que consiste en

que la carga suministrada al interior de un cascaron conductor es rapidamente transportada

a su superficie exterior, siendo de esta forma mas eficiente el proceso de carga. Otro peine

metalico, conectado a tierra en la parte inferior, permite que el proceso se repita (ver fig. 4-

17).

Las primeras maquinas de influencia rotativas fueron “duplicadores de la electricidad”. El

primero fue el duplicador de Nicholson, llevado a cabo en 1788. Fue una implementacion

rotativa del doblador de Bennet, un dispositivo basado en el electroforo de Volta, desarrollado

en 1775, que permitio una gran multiplicacion de una pequena carga inicial mediante una

serie de operaciones repetidas con tres placas aisladas. Se utilizo como instrumento para

la amplificacion de pequenas cargas, pero tambien podıa generar electricidad a partir de

desequilibrios naturales.

La maquina de Wimshurt, fue inventada en Inglaterra por James Wimshurt y descrita por

primera vez en 1883. Consiste en dos discos de ebonita muy proximos entre sı y dispuestos

sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar rapidamente en sentido inverso, su rotacion

se da con ayuda de un manubrio que actua sobre dos pares de poleas unidas por una cuerda

cruzada. La parte exterior del disco lleva tiras de papel de estano pegados simetricamente,

las cuales seran frotadas por unos hilos de metal que estaran sujetos a unos conductores en

el cual hay unidos dos condensadores que sirven para aumentar la intensidad y el tamano

de la chispa (ver fig. 4-17). Para una descripcion de la construccion de la maquina pueden

recurrir a la pagina del profesor Queiroz (2018).

4.5.10. Sobre el Anexo A.4: Maquinas electrostaticas. Ideas para el

aula

Basandonos en los principios de los primeros generadores electrostaticos dejamos abierta

la posibilidad de que los estudiantes, usando las referencias disponibles, con especial reco-

68 4 Sobre el experimento y su contexto historico en la ensenanza de la electrostatica

Figura 4-17.: Generadores Wimshurst (izquierda) y Van Der Graaff (derecha). Tomada

de https://www.facebook.com/pg/Sci-Supply-122343561134034/posts/

?ref=page internal

mendacion en la pagina del Profesor Queiroz (2018)18, puedan reproducir algunos disenos

de generadores electrostaticos, con materiales caseros o de bajo costo. Tal objetivo puede

desarrollar destrezas multiples, servir como proyecto de semestre y fortalecer la comprension

de los conceptos, entre otras. Se sugiere:

Promover una discusion orientada en donde se aborden los principios de funcionamiento

y construccion de la primera maquina electrostatica y el mejoramiento de estas.

Indagar sobre el uso de maquinas electrostaticas en la medicina. Se sugiere invitar a

los estudiantes a ver la pelıcula Frankenstein y realizar un cine-foro sobre la misma.

Reconocer el funcionamiento del generador Van Der Graaff.

Reconocer el funcionamiento del generador Wimshurt.

(nivel avanzado) Construir un generador Van Der Graaff.

En el Anexo (A.4) se puede acceder a diferentes paginas donde dan un paso a paso deta-

llado en el funcionamiento y en la construccion de los generadores de Van Der Graaff y de

Wimshurt.

18El profesor Antonio Carlos Moreirao de Queiroz, perteneciente a la Universidad Federal de Rio de Janeiro,

Brasil (UFRJ), lamentablemente fallecio en el ano 2020. Su amplio legado en desarrollo de maquinas

electrostaticas, explicacion de funcionamiento, ası como en otras areas de la ingenierıa electrica, estan

disponibles en la referencia Queiroz (2018), ası como en su canal de Youtube: https://www.youtube.com/

user/acmdq2007.

5. Conclusiones y recomendaciones

5.1. Conclusiones

En el estudio de la electricidad es bien sabido por los que hemos acompanado el proceso de

ensenanza aprendizaje, tanto en la educacion media basica como en las carreras universita-

rias donde se imparte fısica de electricidad y magnetismo, que la asimilacion de conceptos

tales como carga, campo, capacitancia, diferencia de potencial, entre otros, presenta alta

complejidad por parte de los estudiantes, especialmente por tratarse de fenomenos cuyos

efectos solo pueden medirse indirectamente, exigiendo un gran nivel de abstraccion. Con

este trabajo se pretende acercar al alumno a los conceptos anteriormente expuestos, desde

una revision historica y epistemologica de los mismos, con enfasis experimental, favoreciendo

el afianzamiento del concepto, el pensamiento crıtico y la construccion del lenguaje antes de

enunciar su formalismo matematico.

La teorıa del aprendizaje crıtico promueve el principio de la consciencia semantica en donde,

partiendo del conocimiento previo, y de una contextualizacion de los fenomenos, el estudiante

encuentre un sentido al lenguaje de la disciplina y pueda concatenarlo con ideas de mayor

complejidad (por ejemplo, las Leyes de Maxwell).

Al revisar los antecedentes del concepto de carga electrica pudo encontrarse que este se

establecio a partir de la analogıa con la mecanica de fluidos, partiendo del supuesto de

que la propiedad electrica era la manifestacion de un efluvio particular (incluso asociado al

eter) existente en cierto tipo de sustancias de la naturaleza. Dicha analogıa fue preservada

durante el desarrollo de los conceptos: condensador, corriente, tension, resistencia, entre

otros, y consideramos que omitir dicha discusion en el aula puede ser una de las razones

principales por las cuales el estudiante encuentra dificultad en su proceso de aprendizaje.

En la presente monografıa se recopilaron citas textuales de los autores de la teorıa o de

traducciones posteriores, que no se encuentran comunmente en los textos guıa empleados

70 5 Conclusiones y recomendaciones

para la ensenanza del curso. Consideramos que este material es uno de los aportes mas

representativos de este trabajo y que puede motivar trabajos futuros.

Las analogıas mencionadas previamente fueron formuladas como explicacion (o en algunos

casos, motivacion para el diseno) de los resultados experimentales. Es por esta razon que

consideramos fundamental motivar la realizacion de los experimentos mas representativos y

debatir con los estudiantes los resultados obtenidos, previo a cualquier juicio de verdad. Es

en este sentido que promovemos el redescubrimiento en lugar de la verificacion experimental

de una Ley.

Con referencia a los disenos experimentales propuestos en los Anexos (A), cabe destacar que:

Algunos disenos se construyen con materiales comunes, es decir, materiales que facilmente

podemos encontrar en nuestras casas o en el caso mas extremo, materiales que son de facil

compra en ferreterıas y/o tiendas. Con ellos damos un paso a paso de las construcciones de

algunos aparatos que nos permiten disenar practicas sencillas, entre ellos: la construccion de

diferentes electroscopios, versoriums, botellas de Leyden, baterıas, entre otros, que pueden

facilitar la comprension de los fenomenos involucrados con ellos.

Dentro de los disenos elaborados estuvo un electroscopio de Henley que por medio de una

construccion sencilla y acomodando un transportador, se pudo evidenciar la magnitud de la

carga del objeto que se acerque a el. Entre mas sea la abertura del angulo, mayor sera la

magnitud de la carga del objeto que se acerca a la aguja. Con este primer instrumento se

puede mostrar si un objeto esta cargado o no y, cuando tiene mayor magnitud la carga que

se acerca al mismo.

Se construyo un electroscopio de hojalata metalica con una hojuela fija y una movil. Con el

mismo se puede evidenciar, al igual que con el electroscopio de Henley, que tanta carga tiene

un objeto. En el podemos mirar, ya sea por contacto o por induccion, el signo de la carga si

se hace un proceso descrito en la guıa; es ası que podemos saber, cargando el electroscopio

previamente (sabiendo el signo con el que queda el electroscopio) si el objeto es de carga

igual o diferente a la carga del electroscopio.

Se hicieron diferentes modelos de versoriums para identificar si un objeto que se acerque

a los mismos esta cargado o no y con los cinco modelos que se realizaron se vio el buen

funcionamiento de los mismos.

En cuanto a las botellas de Leyden, cabe mencionarse que no se evidencio chispa ni en la

que contenıa agua con sal ni en la que se forro tanto el exterior como el interior, una vez

5.1 Conclusiones 71

cargadas con el tubo de PVC frotado. Las causas pudiendo estar asociadas a efecto corona

(bordes en la bolita de papel aluminio) o a la falta de conexion a tierra del armazon exterior.

En la construccion del electroscopio electronico, de pronto, el unico que requiere de elementos

mas especializados que se deben comprar en un lugar donde vendan componentes electroni-

cos, se encuentra que sirve no solo para evidenciar carga de los objetos que se acerquen a el,

sino tambien el signo de las mismas y si la magnitud de la carga es mayor o menor, segun la

intensidad de iluminacion de los leds.

Otra de las experiencias reportadas para evidenciar carga es la cinta de teflon sobada con el

guante de latex. En este se puede determinar el signo de las cargas de los materiales que se

acerquen a la cinta, ya que, de acuerdo a la serie triboelectrica, sabemos la carga de la cinta

de teflon y cuando acercamos un objeto cargado a la misma, ya sea por atraccion entre ellos

o por repulsion, se puede saber el signo de la carga.

Por ultimo se presenta con diferentes de los aparatos descritos anteriormente una experiencia

que consistio en categorizar los materiales previamente cargados como vıtreos o resinosos,

como eran catalogados en el siglo XVIII y que hoy en dıa conocemos como carga positiva o

negativa. Tambien el diseno de una experiencia en la cual se hizo claridad entre la electricidad

y el magnetismo.

Es ası que este trabajo busca servir de insumo para docentes que pretendan implementarlo

y nutrirlo pues es un campo extenso que puede ser enriquecido por trabajos futuros.

Finalmente, manifestamos que el trabajo desarrollado fue enriquecedor y pretende mitigar

un poco la falta de aprehension de conceptos relacionados con la electrostatica, motivando

la discusion sobre el origen epistemologico de los conceptos, con un alto apoyo experimental,

donde el alumno pueda aun maravillarse y darse cuenta que ellos son los principales gestores

de su propio conocimiento. Ademas, puedan utilizar el metodo cientıfico para la formulacion

de conceptos a partir de la manipulacion de materiales comunes y de una manera amena,

no sin dejar de lado el formalismo matematico que es tambien muy importante para la

apropiacion del conocimiento y su evolucion.

72 5 Conclusiones y recomendaciones

5.2. Recomendaciones

Para instituciones universitarias y/o colegios que no tengan una dotacion adecuada de equi-

pos para practicas de laboratorio de fısica de electricidad y magnetismo, se sugiere motivar

aun mas la realizacion de las experiencias descritas en los Anexos, siendo recomendable una

planeacion adecuada y disenos complementarios.

Una dificultad en la implementacion de las ideas descritas en este trabajo, especialmente

para cursos universitarios, se centra en el tiempo asignado dentro del diseno curricular para

desarrollar el capıtulo correspondiente a la electrostatica. Sin embargo, consideramos que

se justifica adaptar el programa, enfatizando en las bases conceptuales descritas en este

trabajo, motivando una participacion mas activa por parte del estudiante para ası facilitar

la aproximacion a conceptos de mas alta dificultad.

Otras recomendaciones asociadas con los disenos experimentales son:

1. En el electroscopio de hojalata se debe tener una medida inferior a la de la hojuela movil

pues con respecto a las dimensiones que proponıan en la construccion del mismo al momento

de ensamblar quedaba muy larga. Tambien se debe evitar el efecto punta, es ası que se

recomienda utilizar un bisturı para hacer la ventana en la hojuela fija (ver A.2.1) y usar lija

para redondear bordes.

Tambien se recomienda cambiar la media cana por una pequena barrita atravesada en la

ventana de la cual se pegarıa la hojuela movil. La barrita puede ser un pedazo de alfiler

atravesado y pegado con algun pegante (ver A.2.1).

2. Con respecto a las botellas de Leyden, se recomienda cargar con una pantalla de televisor

que tengan cinescopio, es decir, con los televisores antiguos en los cuales su pantalla al

prender genera bastante estatica, pues a pesar de que se froto muchas veces el tubo de PVC,

no se adquirio una carga significativa para generar una chispa; otra forma, tal vez, de que el

estudiante entienda que hay carga en la botella es medir con un multımetro antes de cargar

la botella y despues de cargarla y ası aprecien la diferencia y poder concluir que la botella

se carga.

Los experimentos relacionados con carga se deben hacer preferiblemente en dıas de sol,

donde la humedad no sea mayor a un 70 % ya que en dıas humedos los electrones se escapan

facilmente hacia el ambiente.

5.2 Recomendaciones 73

Para evidenciar el funcionamiento de los diferentes dispositivos desarrollados durante es-

te trabajo se sugiere visitar el canal de Youtube: https://www.youtube.com/channel/

UCYKaD1H5ktvOOujRxyp-WFw/videos. Allı podran observar vıdeos donde se evidencie el tra-

bajo y algunas experiencias realizadas.

A. Anexos

A.1. Descubriendo la carga electrica

Ideas principales:

Cuerpos que al ser frotados

adquieren la propiedad del

ambar de atraer otros cuer-

pos se denominan electri-

cos.

Cuerpos que no adquieren

dicha propiedad por

friccion se denominan

anelectricos (conductores).

Los electricos se clasifican

en dos: resinosos (como el

ambar) y vıtreos.

Los resinosos repelen a los

resinosos y atraen a los

vıtreos. Los vıtreos repelen

a los vıtreos y atraen a los

resinosos.

Los cuerpos con mas ca-

pacidad de aceptar flui-

do electrico son los vıtreos

(positivos) y los que tien-

den a cederlo son los resi-

nosos (negativos).

Objetivos:

Cargar electricamente cuerpos por diferentes

metodos y analizar sus propiedades.

Construir aparatos que ayuden a evidenciar la

presencia de carga.

Reconocer la diferencia entre fenomenos elec-

trostaticos y fenomenos magneticos.

A.1 Descubriendo la carga electrica 75

A.1.1. Experimentos

Materiales

Cinta de teflon, guantes de latex, panos de lana y seda, globo de caucho, peinilla de

plastico, hojas de cuaderno, papel aluminio, hilo, trozo de madera pequeno, lamina de

acrılico.

Experimento 1: Dos tipos de carga

1. Toma una tira de cinta de teflon, de aproximada-

mente 50 cm, ponla sobre el dedo ındice cerca del

punto medio, de tal forma que cuelguen ambos ex-

tremos a lado y lado. Con un guante de latex frota

las tiras y observa lo que sucede. Luego, acerca el

guante con el que frotaste la cinta de teflon a una

de las tiras, anota lo que sucede.

2. Ahora toma un globo de caucho inflado y frotalo

contra tu cabello. Acercalo primero al guante con

el que frotaste la cinta, anota lo sucedido.

3. Acerca la bomba a las tiras de teflon (ver Fig.

A-1), escribe lo que sucede.

Figura A-1.: Experimento 1:

Dos tipos de carga

Preguntas orientadoras

Con respecto a los anteriores pasos: ¿cuales materiales quedan con carga de igual signo?

¿Cuales con carga de signo contrario?

¿Cual consideras que es el mecanismo de transferencia de carga entre el guante y la

cinta de teflon? ¿entre el cabello y el globo?

¿Que significa que la carga se conserve?

76 A Anexos

¿Es posible cargar un conductor por frotacion? Justifica tu respuesta.

Experimento 2: La peinilla y los trozos de papel

1. Corta una hoja de papel en pequenos trozos.

2. Coge una peinilla y frotala vigorosamente contra tu cabello seco.

3. Acerca la peinilla a los pedacitos de papel y observa lo que sucede.

Al profesor...

Realizado este experimento se sugiere promover una discusion centrada en el concepto

de Carga por induccion y Carga por contacto. Para orientar dicha discusion,

puede consultarse la Sec. (A.1.2).

Preguntas orientadoras

Proponga una explicacion para el resultado experimental: la peinilla atrae al papel sin

que este se halla frotado.

Describe que pasa con los pedacitos de papel que son atraıdos por la peinilla: ¿todos

se quedan pegados a la peinilla?

Describa el fenomeno observado cuando algunos trocitos de papel se pegan a la peinilla

y luego se alejan de la misma.

Experimento 3: Pendulo electrostatico

1. Has una pequena bola de papel aluminio y pegala de un hilo que este sobre un soporte

(puede ser colgada desde una mesa o una lampara). Para ello puedes poner un pedacito

de cinta entre la bola y el hilo.

2. Frota vigorosamente un globo con tu cabello y acercalo a la bola de aluminio (sin

A.1 Descubriendo la carga electrica 77

tocarlo). Anota lo que sucede.

3. Ahora, toca con el globo la bola de aluminio y reporta lo sucedido.

Preguntas orientadoras

¿Que similitud encuentras entre la atraccion de los trozos de papel y la atraccion de la

bola de aluminio antes del contacto y sin haber sido previamente frotados?

¿Que explicacion encuentras para lo sucedido despues del contacto entre el globo y la

bola de aluminio?

¿Se puede hablar de polarizacion en los metales? Explica.

A.1.2. Complemento conceptual: Formas de cargar un cuerpo

Carga por frotacion

Al frotar dos cuerpos entre sı, teniendo en cuenta la tabla triboelectrica1 (ver Fig.A-2),

vemos que entre mas separados en la tabla esten mas intensidad de carga adquieren cuando

son frotados entre sı. El que este mas arriba en la tabla adquirira carga positiva y el otro,

carga negativa. Fısicamente lo que ocurre es que algunos electrones del cuerpo que esta mas

arriba en la tabla tienen la tendencia de ser cedidos, quedando con mas cargas positivas que

negativas, es decir, exceso de protones, mientras que el cuerpo que adquiere los electrones

queda con exceso de carga negativa.

Carga por induccion de polarizacion

Si el cuerpo cargado es positivo y se acerca a un cuerpo neutro entonces en el cuerpo neutro

habra una polarizacion de las cargas, quedando las cargas negativas cerca del cuerpo cargado

positivamente. Ahora bien, si el cuerpo cargado es negativo, entonces las cargas negativas

del cuerpo neutro se moverıan hacia el extremo opuesto del objeto cargado, quedando el

1Tomada de http://senderospedagogicos.blogspot.com/p/la-electrostatica.html

78 A Anexos

Figura A-2.: Serie triboelectrica

extremo mas cercano con carga positiva. En ambos casos las separaciones de las cargas del

cuerpo neutro volveran a su posicion inicial cuando el cuerpo cargado se aleje lo suficiente.

Este proceso puede hacerse tanto en materiales conductores como aislantes. Para inducir una

carga neta en el segundo cuerpo, este debe ser conductor tal que, estando cerca el cuerpo

cargado, se le habilite una conexion a tierra durante un tiempo y posteriormente, se retire

dicha conexion, sin alejar el cuerpo cargado (inductor). Entonces, el segundo adquirira carga

de polaridad contraria.

Carga por contacto

Si un conductor cargado negativamente y se acerca a uno neutro, al ponerlos en contacto,

los electrones libres en exceso se reparten entre los dos cuerpos, quedando ambos cargados

negativamente. Ahora bien, si el conductor cargado es positivo entonces al acercarse al con-

ductor neutro y ponerlos en contacto, algunos electrones libres del cuerpo neutro se escapan

hacia el cuerpo positivo, quedando ambos con carga positiva.

A.1 Descubriendo la carga electrica 79

Figura A-4.: Electroscopio de Henley con materiales comunes. Construccion propia.

A.1.3. Algunos aparatos para evidenciar la presencia de cargas

Electroscopio de Henley

Fue uno de los primeros electroscopios construidos en el

siglo XVIII. Consistıa en un tubo de material aislante

que en la base tenıa una parte metalica, a unos pocos

centımetros del extremo superior se pone un transpor-

tador y una parte metalica desde la cual cuelga una

aguja metalica con una bola tambien metalica en el ex-

tremo y de un largo tal que toque la base metalica del

electroscopio (Ver Fig. A.1.3).

Figura A-3.: Electroscopio de Henley

(Assis, 2010, p.176)

Si se anade una base de material aislante y otra de material conductor, de tal forma que

encima de ella podamos poner el electroscopio, habremos construido un electroforo (ver

Fig. A-4).

El funcionamiento del electroforo es el siguiente. Se frota la base de icopor con una esponja

de tal manera que se cargue por frotamiento, luego podemos poner el electroscopio de Henley

y veremos como se aleja de la base metalica el alambre con la bolita de papel aluminio. Esto

80 A Anexos

se debe a que los electrones del icopor inducen una polarizacion en el metal, tanto en el

cilindro como en el alambre, y por tanto el alambre es repelido por el cilindro.

Si construimos una placa circular de aluminio, que incluya un soporte cilındrico de madera

(aislante) (ver Fig. A-4), y dicha construccion la ubicamos en la base de icopor, previamente

frotada, es posible llevar el electroscopio de Henley sobre la placa de aluminio. Al retirar

el sistema completo, conformado por la placa de aluminio y el electroscopio, se evidencia

el alejamiento del alambre, el cual quedara haciendo un angulo que puede ser leıdo en el

transportador.

Se recomienda realizar las experiencias en dıas calidos (secos), pues cuando el dıa es frıo

entonces los electrones se van mas facilmente por el medio, es decir se escapan mas facilmente

por el aire humedo. Los efectos se ven mucho mejor cuando la humedad relativa esta por

debajo de 70 %. Se pudo evidenciar que cuando era mayor a este valor los efectos no eran

visibles.

Construccion del electroscopio de Henley

Materiales

Cilindro pequeno hueco metalico (accesorio de tuberıa de agua caliente), pedazo de

madera cilındrica, una puntilla, papel aluminio, bola de papel aluminio o un enhebra-

dor de agujas (usado en este prototipo). Material aislante (base de icopor), platillo

metalico (base de porta CD envuelto en papel aluminio), esponja de lavar platos para

frotar la base de icopor (no debe ser metalica).

Construccion

1. Se introduce el cilindro metalico en la base del cilindro de madera.

2. Se pone una cinta metalica (papel de aluminio) donde clavaremos una puntilla, de allı

colgaremos un alambre metalico con una bola de papel aluminio, o en este caso, la

plomada sera un enhebrador de agujas, que hara contacto con el cilindro metalico.

3. Se pone el transportador de tal modo que el cero coincida con la agujeta (alambre

de aluminio con bola de aluminio), o se puede dibujar en un pedazo de carton. Este

servira para medir el angulo al cual se aleja de la base el alambre una vez este cargado.

4. Para la construccion de la base se utilizo un porta CD el cual se envolvio con papel

A.1 Descubriendo la carga electrica 81

aluminio.

5. Para cargar el cuerpo se utiliza un portatortas de icopor el cual sera frotado con la

esponja de lavar platos.

Preguntas orientadoras

¿Con el electroforo y el electroscopio de Henley se puede deducir el signo del objeto

cargado? Argumenta tu respuesta.

¿Por que el electroforo parece funcionar mejor en dıas calurosos?

Describe brevemente que pasarıa si el electroscopio de Henley no se pone encima de la

lamina metalica, es decir, ¿funcionarıa al acercarle un cuerpo cargado?

¿Por que crees que la agujeta se abre mas con algunos materiales que con otros?

Versorium de Gilbert

El versorium fue inventado por William Gilbert (ver Sec. 4.2.2) y fue el primer aparato cons-

truido para saber si un cuerpo esta cargado. La idea es poder hacer diferentes modelos que

funcionan bajo los mismos principios que el inventado por Gilbert. Se desea tener una serie

de posibilidades para que los alumnos hagan por grupos diferentes prototipos de versorium.

Primer modelo

Materiales

Plastilina, palillo de madera para chuzos, hojas de papel aluminio, pano de lana.

82 A Anexos

Construccion

1. Poner el palo de madera para chuzos sobre

una base de plastilina.

2. Hacer dos bolas de papel aluminio y una hoja

del mismo material, preferiblemente doblada

en la forma de un rombo.

3. Insertar en el palillo, primero una bola de alu-

minio, luego la lamina de aluminio y por ulti-

mo, la otra bola de aluminio, de tal forma que

queden equidistantes a 2 cm aproximadamen-

te.

4. Frotar con lana diferentes materiales y ob-

servar si la hoja de aluminio se ve afectada

cuando se acerque cada material frotado. Si

la hoja se mueve es porque el objeto esta car-

gado. (ver Fig. A-5)

Figura A-5.: Versorium: Primer

modelo. construccion

propia.

Segundo modelo

Materiales

Pitillos, botella de plastico con tapa, esponja de lana, diferentes materiales.

Construccion

1. Llena con agua la botella de plastico y enci-

ma de la tapa ubica un pitillo previamente

frotado con esponja.

2. Frota diferentes materiales y acercalos al piti-

llo. Si el cuerpo esta cargado el pitillo rotara,

ya sea acercandose al material o alejandose

de el (ver Fig. A-6).

Figura A-6.: Versorium: Segundo

modelo. construccion

propia.

A.1 Descubriendo la carga electrica 83

Tercer modelo

Materiales

Pitillo, palillo de madera para chuzos, plastilina, diferentes materiales.

Construccion

1. Aplanamos el pitillo y lo doblamos en la

mitad.

2. Frotamos con lana para cargarlo.

3. Ponemos sobre el palillo el pitillo en su

parte aplastada y doblada.

4. El palillo de chuzo lo ponemos sobre la

plastilina.

5. Frotamos diferentes materiales y lo acer-

camos al versorium, si el cuerpo esta car-

gado, el versorium rotara sobre el palillo

(ver Fig. A-7).

Figura A-7.: Versorium: Tercer modelo.

construccion propia.

84 A Anexos

Cuarto modelo

Materiales

Base de plastico, aguja capotera, legajador de carpeta.

Construccion

1. Se pone la aguja capotera sobre una base

de plastico.

2. Sobre la punta de la aguja se acomoda el

legajador de carpeta a la cual se le hace

previamente una muesca (puede ser con

un clavo, pero sin perforarla).

3. Frotamos diferentes materiales y los

acercamos, si se mueve es senal de que

el objeto esta cargado (ver Fig. A-8).

Figura A-8.: Versorium: Cuarto modelo.

construccion propia.

Quinto modelo

Materiales

Pitillo, corcho, papel aluminio, pegante y aguja.

Construccion

1. Se clava la aguja en el corcho.

2. Recortamos el pitillo de tal forma que mida 10 cm.

3. Recortamos un trozo de papel aluminio para forrar el pitillo.

4. Utilizamos el pegante para que quede bien envuelto el pitillo.

5. Ponemos el pitillo forrado sobre la aguja.

6. Procedemos a frotar diferentes materiales para mirar si se cargan o no. De estar car-

A.1 Descubriendo la carga electrica 85

gados el pitillo forrado se debe mover, ya sea acercandose o alejandose del material

cargado por frotacion (Ver Fig. A-9).

Figura A-9.: Versorium: Quinto modelo. construccion propia.

Preguntas orientadoras

¿Cual es el principio fısico por el que se mueve el versorium cuando se pone cerca del

objeto cargado en cada una de sus versiones?

¿Cual de las versiones del versorium fue el que mejor te parece y por que?

¿Por que crees que la aguja se mueve cuando se acerca el objeto cargado? ¿puede ser

de un material conductor, como lo es el metal; o puede ser el pitillo que es un material

aislante?, explica.

A.1.4. Distincion de cuerpos electrizados y los imanes

Sabemos que los cuerpos en su estado natural son neutros, esto es, tienen el mismo numero de

protones que de electrones, pero por diferentes formas es posible arrancar o ceder electrones

a un material, ya sea por frotacion o por cualquier otra forma de cargar cuerpos. Un iman

es todo aquello que provoque un campo magnetico. Hay diferentes tipos de imanes, algunos

naturales, como lo es la magnetita, y otros artificiales. Es posible construir un iman (artificial)

de forma simple. Para ello, puedes envolver un clavo con un alambre de cobre y luego conectar

las puntas del alambre a una pila, veras que al hacerlo se crea un iman.

Un iman tiene dos polos, uno es el polo norte y el otro se designa como polo sur. Los polos

86 A Anexos

iguales se repelen y polos diferentes se atraen. Debemos recordar que la Tierra es un gran

iman, el magnetismo de esta se da gracias al nucleo externo, un lıquido movil que tiene

un material conductor de la electricidad, como el hierro. El campo magnetico lo crea la

conveccion vigorosa de la aleacion de hierro fundido en el nucleo externo lıquido.

Tambien se debe mirar por que se da el magnetismo en un material, es decir, porque un ma-

terial se comporta como un iman y otros no. El magnetismo tiene su origen en los electrones,

ellos poseen una rotacion intrınseca sobre su propio eje, que se denomina spin. Las cargas

en movimiento generan campos magneticos, por lo tanto, los electrones rotando generaran

un campo magnetico.

Despues de una breve descripcion de los imanes se procede a realizar algunos experimentos

donde se vea la diferencia entre las cargas electricas y el magnetismo, no sin antes recordar

que la diferencia no fue clara durante mucho tiempo en el desarrollo historico de la electrici-

dad y el magnetismo. Gilbert en sus escritos habla de la diferencia entre cuerpos electricos y

magneticos, los cuerpos magneticos se unen por sus fuerzas comunes (mutuas) mientras que

los cuerpos electricos atraen solo a los electricos y el cuerpo atraıdo no sufre modificacion a

traves de su propia fuerza innata, pero es atraıdo libremente bajo el impulso de su materia.

Algunos experimentos

Con el fin de aclarar posibles dudas a aquellos estudiantes que aun confundan la electricidad

estatica con los fenomenos magneticos y, con el fin de que vean que la electricidad y el

magnetismo estan relacionados solo cuando las cargas estan en movimiento relativo con el

iman, se idearon algunas situaciones para que ellos saquen sus propias conclusiones. Estas

son:

1. Con los versorium construidos de diferentes materiales (aluminio, pitillos, posiblemente

con otro metal) se acercara un iman a la punta del versorium y el estudiante anotara lo

observado. Este proceso lo hara con cada uno de los modelos construidos por equipos.

2. Con la ayuda de una brujula, puede ser la que trae incorporada el celular, se acercara

esta al versorium. Anotar lo que sucede.

3. Se cargan diferentes cuerpos por friccion y con hilos se cuelgan de una base (o se

pega cinta en el extremo superior en una mesa de tal forma que el objeto cargado

quede colgado) luego se pone el iman frente al objeto, anota lo que observas. Repite el

A.1 Descubriendo la carga electrica 87

procedimiento para varios objetos cargados.

4. Repite el proceso en 3 pero ahora mueve el iman rapidamente y muy cerca de las

cargas, anota lo sucedido.

5. Acerca la brujula a un alambre que transporte corriente puede ser al del televisor, ¿que

sucede?

6. Acerca la brujula al electroscopio de Henley, escribe lo observado.

7. Ahora toma dos imanes y con la ayuda de la brujula encuentra el polo norte y el polo

sur de cada uno.

8. Acerca los imanes por sus polos norte y escribe lo que sucede.

9. Ahora acercalos por el polo sur, anota lo que sucede.

10. En esta ocasion un iman por el polo norte y el otro por el polo sur, anota lo sucedido.

11. Toma un clavo y enrollalo con alambre de cobre de tal forma que queden las dos puntas

del alambre libres para conectarlos a una pila, apenas lo conectes puedes acercarlo a

un clip o cualquier otro clavo u objeto ferromagnetico y veras que acabas de hacer un

electroiman.

12. Saca conclusiones de lo vista en esta practica, recuerda que las corrientes son cargas

en movimiento.

Preguntas orientadoras

¿Se ven los materiales cargados afectados cuando se pone al frente un iman?

¿Se ve la brujula afectada cuando se acerca a los cuerpos cargados?

¿En que condiciones se relacionan la electricidad y el magnetismo?

¿Cualquier material se ve afectado por los imanes?

88 A Anexos

Figura A-10.: Electroscopio electronico. El circuito contiene dos leds, uno azul, que indica

la presencia de cargas negativas, y otro rojo, que indica le presencia de cargas

positivas. Construccion propia.

A.1.5. Clasificacion de los materiales en la serie triboelectrica segun

convencion

Para clasificar los diferentes materiales se tendra en cuenta la siguiente notacion: los que

tengan un comportamiento como el que sucede cuando se frota plastico con piel de conejo o

lana seran llamados carga tipo 1, los que tengan un comportamiento como el del vidrio al

ser frotado con seda, seran llamados carga tipo 2. Esta convencion es basada en las ideas

de Benjamın Franklin y equivalen a lo que el llamo negativa y positiva, respectivamente.

Para verificar cada material se aconseja que al menos el profesor tenga un dispositivo

electronico medidor de carga (electroscopio electronico). La construccion del mismo pue-

de realizarse con unos pocos elementos, siguiendo por ejemplo la referencia Vera, Villanueva,

y Ortiz (2018). Una version de dicho dispositivo disenada por el Prof. Daniel Alfonso Pardo

(tutor de esta Monografıa) y construida por el Autor de la misma, puede verse en (Fig.

A-10).

Se propone que para esta practica los alumnos utilicen diferentes materiales y que de acuerdo

con la serie triboelectrica los categoricen. Luego el profesor verificara con el dispositivo

electronico que tan acertados fueron las apreciaciones de los estudiantes y pondra en comun

los signos de las cargas de los cuerpos que previamente habıan cargado.

A.2 Medicion de la carga electrica 89

A.2. Medicion de la carga electrica

A.2.1. El electroscopio

El electroscopio es un instrumento que sirve para detectar si un cuerpo esta cargado. Hay

diferentes formas de hacerlo y por lo general su construccion no presenta un gran desafıo.

El electroscopio consta de dos hojuelas livianas de metal unidas en su parte superior, las

cuales al ser cargadas con electricidad se repelen mutuamente. El valor del angulo de abertura

de las hojas nos proporciona cierta informacion sobre la magnitud de la carga que adquieren,

mas no de su signo. En uno de sus disenos, el aparato se completa metiendolo en una caja

de metal con una ventana de cristal para evitar la perturbacion de la atmosfera y poder

observar las hojuelas.

Su relevancia historica en el desarrollo de la teorıa electromagnetica puede reconocerse de

acuerdo con Galles (1998):

Los primeros electricistas usaron este instrumento en forma intensiva para crear y hacer

mediciones de los conceptos fundamentales de la electrostatica, tales como la distincion

entre la electricidad vıtrea y la resinosa, los fenomenos de influencia, la conservacion de la

carga electrica, el de material conductor, la nocion de capacidad, el de potencial, etc. La

propia balanza utilizada por Coulomb para medir las cargas electricas y su accion mutua,

puede ser considerada como una aplicacion del electroscopio, tomando la definicion en un

sentido largo por supuesto.

Todo este desarrollo se dio en los siglos XVIII y XIX. El electroscopio era elemento

fundamental en las reuniones de la sociedad parisina cuando se hacıan experiencias de

divulgacion por parte de los sabios, ya entonces deseosos de acercarse al poder, como

por ejemplo aquella celebre experiencia que consistio en darles en forma simultanea la

“conmocion electrica“ a varios personas. Un electroscopio estuvo entre las manos del

profesor Richmann, miembro de la Academia Imperial de Ciencias de San Petersburgo,

cuando un rayo, captado por un conductor que corrıa desde el techo hasta su gabinete de

estudio experimental, lo golpeo mortalmente.

(Pag 113)

90 A Anexos

Primer modelo

Materiales

Frasco de vidrio, papel aluminio, tornillo, tijeras, alambre de cobre, lata de aluminio.

Construccion. Se perfora la tapa del frasco de vidrio,

la cual debe ser de material aislante. Por la perforacion

se introduce un alambre que se dobla formando un gan-

cho en el extremo inferior, en el cual ubicamos un trozo

de papel aluminio doblado a la mitad. Del otro extre-

mo del alambre, es decir, la parte saliente de la tapa del

frasco, envolvemos papel aluminio de tal forma que se

haga una bolita de aluminio. El frasco es para aislar del

aire la hoja aluminio y ası no sea perturbada sino por

la carga de un objeto (ver A-11)a.

aTomada de: https://www.rinconeducativo.org/es/

recursos-educativos/experimento-sobre-electricidad

-estatica

Figura A-11.: Electroscopio:

Primer modelo

Segundo modelo

Materiales

Tiras de hojalata o chapa galvanizada: Recorte una tira de hojalata de 5 cm de

ancho por 26 cm de largo, otra del mismo ancho y 12cm de largo, y una tercera

de 4 cm de ancho por 8 cm de largo.

Tornillo de 4 cm de largo.

Cuatro tuercas para el tornillo.

Porcion de PVC de 5 cm de ancho y 11 cm de largo tomado de un tubo de

canerıa de aproximadamente 4 pulgadas de diametro.

Seis remaches pop cortos.

Papel paja o tapa de cuaderno.

A.2 Medicion de la carga electrica 91

Figura A-12.: Imagen de los cortes para la hojuela fija. Tomada de Frascino (2021)

Construccion

El siguiente modelo, tomado de Frascino (2021), presenta los siguientes pasos de construc-

cion2

Hojuela Fija (ver Fig. A-12):

Corte en hojalata un rectangulo de 11 cmx 2 cm.

Marque las lıneas divisorias AB y CD.

Practique la perforacion mostrada, por donde pasara el tornillo.

Marque y recorte con cuidado la ventana central, de modo que sus bordes no presenten

irregularidades.

Doble la pieza a 90 grados por la lınea CD.

Doble la pieza por la lınea AB, y conforme una media cana de unos 3 milımetros, donde

apoyara la hojuela movil.

Hojuela Movil (ver Fig. A-13):

Recortela en papel paja (o de una tapa de cuaderno) de acuerdo a las medidas indicadas

en la figura que le servira de patron para recortar la lamina metalica.

2Para ampliar los detalles procedimentales y los planos de construccion, se recomienda revisar la pagina

previamente citada.

92 A Anexos

Figura A-13.: Imagen de los cortes para la hojuela movil. Tomada de Frascino (2021)

Perfore dos orificios cerca de cada extremo de la tira larga de hojalata de acuerdo al

diametro de los remaches.

Perfore dos orificios sobre el eje longitudinal de la tira, cada una a 2 cm de su centro.

ARMADO:

• Curve esta tira sobre el tubo de PVC dejando 10 cm entre los extremos

• Corte una rodaja de la seccion del tubo que coincida con el ancho de la tira de hojalata.

• Practique una perforacion en el tubo que se corresponda con cada una de las 4 perforaciones

de la tira de hojalata.

• Recorte el trozo de PVC del tubo.

• Perfore el centro del trozo de PVC de acuerdo al diametro del tornillo.

• Arme el cuerpo del electroscopio remachando el trozo de PVC y la tira de hojalata.

• Enfrente la tira corta de hojalata sobre la parte inferior del cuerpo del electroscopio.

• Realice dos perforaciones que se correspondan con las de la tira larga.

• Junte ambas piezas con dos remaches pop.

• Doble la tira corta para formar un pie.

A.2 Medicion de la carga electrica 93

• Perfore en el centro geometrico de la tira de hojalata de 4 cm x 8 cm, para el mismo tornillo

de orificio del PVC.

• Pase el tornillo por la perforacion de la tira anterior.

• Fıjelo con la primera tuerca.

• Rosque una segunda tuerca sobre el tornillo de manera que quede aproximadamente a 1 cm

de su extremo libre.

• Inserte el extremo libre del tornillo en la perforacion del trozo de PVC.

• Inserte tambien la perforacion de la hojuela fija en el tornillo.

• Fije el conjunto con la tercera tuerca.

• Introduzca la hojuela movil por la ventana de la hojuela fija, asentandola sobre el apoyo.

Controle que se mueva sin impedimento. Haga girar el sistema respecto a la tapa, de modo

que la hojuela movil se levante hacia la parte mas alejada de su borde.

Nota: La construccion de este electroscopio es algo difıcil, se recomienda hacerlo con tiempo

y estar dispuesto hacer varios ensayos, sobre todo en la hojuela fija, dado que es muy difıcil

hacer la ventana. Se recomienda hacerlo con un bisturı, es de paciencia y repeticion. Los

resultados conseguidos se presentan en las figuras (A-14 y A-15).

94 A Anexos

Figura A-14.: Imagen de hojuelas recortadas. Construccion propia.

Figura A-15.: Imagen de electroscopio de hoja lata. Construccion propia.

Uso del electroscopio

A continuacion, y tomando como referencia el manual de laboratorio de fısica 2 de la Uni-

versidad Nacional, sede Medellın Aristizabal (2018), Practica: Carga electrica, se extrae el

siguiente procedimiento:

A.2 Medicion de la carga electrica 95

Figura A-16.: Izquierda: Carga por contacto. Derecha: Reaccion del electroscopio previa-

mente cargado y ante la aproximacion de carga externa. Figura tomada de

Aristizabal (2018).

El electroscopio se puede cargar por contacto o por induccion, veamos el proceso a seguir.

Por contacto:

Frotar el tubo de PVC con la esponja o piel de conejo y acercarlo por unos segundos al

electroscopio, debe verse que las hojas de metal se alejen, pues se da una redistribucion

de cargas, el tubo de PVC se carga negativamente al ser frotado, luego al acercar el tubo

al electroscopio, que es neutro, las cargas negativas se alejan del tubo, quedando las hojas

metalicas con carga negativa y por lo tanto se repelen, pero si alejamos el tubo entonces

el electroscopio vuelva a su normalidad, es decir, queda neutro.

Para cargar por contacto debemos, primero acercar el tubo de PVC cargado por unos

segundos y luego tocarlo en la parte superior, al hacer esto los electrones del tubo pasan

al electroscopio y por tanto este queda cargado negativamente, luego las hojas metalicas

se abriran. Lo mismo ocurrira si se frota un tubo de vidrio con seda ya que el tubo

de vidrio quedarıa cargado positivamente y, al repetir el proceso en el electroscopio, los

electrones de este pasarıan a la barra de vidrio y por tanto el electroscopio quedando

cargado positivamente, ası las hojas metalicas sufren de nuevo repulsion y por tanto se

abren.

(Aristizabal, 2018)

Aprovechando que el electroscopio, una vez cargado por contacto, queda en ambos casos

(positivo o negativo) con las laminas de metal abierta, podemos acercar un cuerpo cargado

96 A Anexos

Figura A-17.: Descarga de un cuerpo cargado negativamente (izquierda) y positivamente

(derecha). Figura tomada de Aristizabal (2018).

y, sı no sabemos la polaridad de carga de este, la podrıamos deducir teniendo en cuenta que

si el electroscopio estaba cargado negativamente y acercamos un objeto con el mismo signo

de la carga, entonces las hojas de metal se abriran mas y sı es de carga de signo contrario,

entonces las hojas de metal se acercaran (ver Fig. A-16).

Por induccion:

Para cargar el electroscopio por induccion se debe conectar a tierra. Para ello, se toca con los

dedos el electroscopio de tal forma que si estaba cargado negativamente, los electrones pasen

a traves de nuestros dedos hasta llegar al suelo y si esta cargado positivamente, al tocarlo

con el dedo los electrones pasaran desde nuestro dedo al electroscopio hasta que quede sin

carga (ver Fig. A-17).

Para cargarlo positivamente, se frota el tubo PVC con la esponja o piel de conejo, luego se

acerca el tubo al electroscopio sin tocarlo, sin retirar el tubo de PVC tocamos el electroscopio

con el dedo (lo ponemos a tierra) con el fin de que las cargas negativas que hayan en el

electroscopio se vayan por el dedo hasta el piso. Como al acercar el tubo que estaba cargado

negativamente atraıa las cargas positivas y repelıa las cargas negativas encontrando camino

hacia el piso a traves del dedo, entonces el electroscopio quedara cargado positivamente, y

ası podemos retirar el tubo de la cercanıa del electroscopio.

Para cargar el electroscopio negativamente se debe acercar una barra de vidrio frotada con

seda, es decir, acercar un objeto cargado positivamente pero sin tocar el electroscopio y

realizar el mismo proceso.

A.3 Potencial electrico y Capacitancia 97

Figura A-18.: Electroscopio cargado positivamente (izquierda) y negativamente (derecha)

por induccion. Figura tomada de Aristizabal (2018).

A.3. Potencial electrico y Capacitancia

Para comprender el concepto de potencial electrico se proponen tres aparatos para su cons-

truccion. Estos son:

1. Electroforo

2. Pila de Volta

3. Baterıa con arandelas y cobre en serie en cubeta con vinagre (Taza de coronas)

Con respecto al concepto de capacitancia, se realizan dos modelos de botella de Leyden.

A.3.1. Electroforo

Consiste en una base circular de un material aislante y un disco conductor, de aproximada-

mente el mismo diametro o menor, con un mango aislante de vidrio en su centro.

Funcionamiento

Se carga la base circular aislante por medio de frotacion con piel de gato, quedando esta

con electricidad negativa, al acercar el disco conductor, este quedara cargado por induccion,

quedando la carga positiva en la cara cercana a la base circular aislante y la negativa en

la parte superior del conductor, se toca con el dedo de tal forma que se vaya a tierra por

98 A Anexos

medio de nuestro dedo, el disco metalico queda cargado positivamente, entre mas se repita

este proceso mas cargado queda el disco.

Materiales

Porta tortas de icopor, silicona, palo de madera de 20 cm o tubo de carton, porta CD,

papel aluminio, piel de conejo.

Construccion

Se deja el portatortas de icopor y se forra el porta CD circular con papel aluminio tanto por

debajo como por encima del mismo. Se debe dejar un espacio encima sin forrar que sera el

lugar donde se pegue el palo de madera con la silicona, la finalidad es que sirva de asa.

Se pone el icopor en una mesa de madera y se empieza a frotar con piel de conejo (esponja

de lavar platos o cualquier pedazo de lana), luego se coge el porta Cd cubierto con papel

aluminio sosteniendolo desde la agarradera y sin tocar el icopor se sostiene encima del mismo.

Se pone el dedo en la parte superior del porta CD forrado para que los electrones fluyan por

nuestro cuerpo hacia el suelo.

Para evidenciar que el porta CD quedo cargado se puede hacer cualquiera de las siguientes

opciones: poner muy cerca pero sin tocar el electroscopio la punta del dedo. Sentiras el

cosquilleo y hasta podrıas observar la descarga del porta CD sobre tu dedo. Otra forma es

poner un electroscopio de Henley encima del porta CD y se vera que se abre la aguja. Poner

encima (pero sin tocar) pequenas bolitas de icopor y se vera como las atrae y repulsa y, tal

vez la mejor evidencia de que el porta CD esta cargado es poner un led con una pata en el

y otra en el dedo, se debe evidenciar que por la diferencia potencial entre el dedo y el porta

CD forrado se debe prender por un corto tiempo el led.

Se realizaron varios intentos, unos con una lamina delgada en vez de el portacd forrado, otro

con una bandeja metalica (ver Fig. A-19) y se evidencio una carga mayor con el porta CD

forrado.

Preguntas orientadoras

Describe el medio por el cual se carga el electroforo.

A.3 Potencial electrico y Capacitancia 99

Figura A-19.: Electroscopio de Henley y electroforo construido con lamina de aluminio

muy delgada (izquierda) y Electroforo construido de mejor funcionamiento

(derecha).

Explica el funcionamiento del plato de icopor.

Explica el funcionamiento del porta CD forrado en aluminio.

¿Por que crees que se produce una descarga cuando acercas el dedo?

¿Por que ese experimento funciona mejor cuando la humedad en el ambiente es mas

alta?

¿Por que prende el led cuando pones una terminal en el porta CD cargado y la otra

en el dedo?

Experimentos para diferencia de potencial

Se llama pila electrica a un dispositivo que genera energıa potencial electrica por medio de

un proceso quımico. Las pilas tienen dos electrodos, uno positivo (anodo) y otro negativo

(catodo). Para nuestro caso tendremos como electrodos, aluminio o laton y cobre, en medio

de un material lıquido conductor (electrolito).

Uno de los electrodos en el medio acido, el vinagre, se disuelve en iones positivos pasando al

lıquido. Por tanto, a la placa que le ocurre este proceso queda con carga negativa, el electrolito

queda con carga positiva, ası puede arrancar electrones del otro electrodo, quedando este

positivo. Al haber dos electrodos con cargas diferentes se crea una diferencia de potencial,

100 A Anexos

este proceso se da hasta que se disuelven todos los iones positivos del electrodo, y al ocurrir

esto, la baterıa muere.

Baterıa con monedas y arandelas

Materiales

Arandelas, monedas de $100, pedazos de carton, vinagre.

Construccion. Se apilan, en el siguiente or-

den, moneda de $100 (92 % cobre, 6 % alumi-

nio, 2 % niquel) a, carton con vinagre y arande-

la, luego de nuevo se pone una moneda, carton

con vinagre y arandela, entre mas apiles ma-

yor diferencia de potencial obtendras. La idea

es obtener al menos 3V para prender un led;

sin embargo, se puede utilizar el multımetro

para ir mirando como va aumentando la dife-

rencia de potencial.

aLa composicion de las monedas de $100 en circula-

cion actual es reportada por el Banco de la Republi-

ca de Colombia en https://www.banrep.gov.co/

es/contenidos/page/moneda-100-pesos

Figura A-20.: Pila casera con 6 mone-

das de $100, arandelas y

carton con vinagre alcan-

zando a prender un led.

Imagen propia

Sugerencias: Cambia el vinagre por zumo de limon y repite la experiencia, luego con agua

con sal y repite la experiencia.

La diferencia de potencial de la baterıa depende de los materiales utilizados para los elec-

trodos y la capacidad para disolverse o ceder electrones al electrolito.

Preguntas orientadoras

¿Por que se incrementa el voltaje al aumentar el apilamiento entre los metales separados

por el electrolito?

Cataloga de mayor a menor el medio de conduccion del electrolito segun los resultados

A.3 Potencial electrico y Capacitancia 101

obtenidos.

¿Con que medio electrolito te funciono mejor la pila?

¿Por que crees que funciona mejor con un medio electrolito que con otro?

Baterıa con arandelas y cobre en serie en cubeta con vinagre

Materiales

Arandelas, alambre de cobre, led, vinagre, cubeta (de hielos).

Construccion. Unir alambre de cobre con

una arandela e introducir el alambre en una

celda (cubo) y la arandela en la celda siguien-

te (ver Fig. A-21). Este proceso debe repetir-

se para las celdas contiguas, estableciendo una

conexion en serie. Llena las celdas de las cube-

tas con el electrolito (vinagre) y conecta uno

de los terminales del led a la celda inicial y el

otro a la celda final, de forma que el circuito

se cierre. Si la diferencia de potencial es mayor

o igual a 3V, encenderas el led. Repite ponien-

do diferentes electrolitos, tales como zumo de

limon o agua con sal. Figura A-21.: Baterıa en serie con vina-

gre y electrodos. Imagen

propia

Preguntas orientadoras

¿Con cual electrolito obtuvo mejor resultado?

Averigua como funciona la baterıa de un carro.

102 A Anexos

¿Hay alguna semejanza en las baterıas de los carros y esta experiencia con la cubeta?

¿Tuviste que poner las terminales del led de una manera en especıfico o no importa

cual terminal vaya en cual celda?

A.3.2. Experimentos de capacitancia: Botella de Leyden

Debido a la simplicidad en la construccion de una botella de Leyden, se sugiere que esta sirva

de motivacion para introducir el concepto de capacitores. Es aconsejable que el docente haga

una discusion con sus estudiantes sobre como piensan ellos que se va cargando la botella y

en que parte queda dicha carga, para ello debe explicar que hay un material dielectrico entre

dos materiales conductores y, de acuerdo al tiempo que crea conveniente para introducir el

fenomeno o concepto de capacitores, selecciones con que materiales (cotidianos) serıa mas

eficiente la botella de Leyden.

Materiales

Botella de vidrio o plastico con tapa de material aislante, papel aluminio, agua con

sal, tornillo, cables, cinta adhesiva.

Figura A-22.: Botellas de Leyden caseras. Izquierda: Recubierta con papel aluminio en

el interior y exterior. Derecha: Llena de agua con sal en el interior y con

recubrimiento de papel aluminio en el exterior. Construccion propia.

Construccion: Recortamos una hoja de papel aluminio de tal forma que podamos forrar

por el exterior el frasco, dejando unos cuantos centımetros (2 cm aproximadamente) desde

la tapa hacia abajo sin forrar. Al interior del frasco le agregamos agua con sal y perforamos

A.3 Potencial electrico y Capacitancia 103

la tapa de material aislante para atravesar un tornillo, del cual se une el alambre. Este debe

entrar en contacto con el agua salada. Se pone un alambre en el exterior, luego, cargar la

botella con un tubo de PVC previamente frotado, rozando la parte superior de la botella. Una

vez carguemos la botella, acercamos los cables y saldra una pequena chispa. Si no se alcanza

a evidenciar la chispa entonces entre los alambres se ponen las puntas de un multımetro y se

podra observar que hay un potencial determinado, lo cual evidencia que la botella se cargo.

Existen otras alternativas en la construccion de la botella como lo es, en vez de agua con

sal en el interior se reemplaza esta por otro electrodo, lo mas comun es envolver el interior

tambien con papel aluminio. En este caso conviene usar un frasco de boca ancha. Se podrıa

disenar un dispositivo un poco mas avanzado como un par de caparazones metalicos donde

encaje un material aislante que queda en buen contacto con los caparazones. En este tipo

de dispositivo se podrıa demostrar que la carga queda en el material aislante. Para ello,

se retirarıan los dos caparazones metalicos y con el multımetro podrıamos observar que en

realidad la carga la almacena es el material aislante.

104 A Anexos

A.4. Maquinas electrostaticas

Para este anexo no se construyo ninguna maquina para electrostatica; sin embargo, se sugiere

que los alumnos intenten construir un generador de Van Der Graff, que podrıa hacerse con

materiales reciclabes. Se recomienda revisar el siguiente enlace: https://www.youtube.com/

watch?v=tsQ2T5j6hao.

Tambien la construccion de una maquina de Wimshurt que se puede ver un paso a paso en

la siguiente direccion electronica: https://www.youtube.com/watch?v=QhkhZ4mNS10.

Para maquinas mas elaboradas se puede recurrir a la pagina del profesor Antonio Queiroz

(Queiroz, 2018).

Preguntas:

1. ¿Cual es el principio de funcionamiento del generador Van Der Graaff?

2. ¿ La maquina electrostatica de Wimshurt tiene su principio de funcionamiento

por frotacion o induccion?

3. ¿Que funcion cumplen los cilindros en la maquina de Wimshurt?

4. Explica en pocas palabras la forma en que funciona el generador Van Der Graaff

y el Wimshurt.

5. ¿Por que no sufrimos una descarga electrica mortal con estos aparatos si el voltaje

que producen es tan grande?

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