PROPUESTA DIDÁCTICA PARA EXPLORAR LA LUZ INFRARROJA CON

ESTUDIANTES DEL CLUB DE SEMILLEROS DE ASTRONOMÍA DEL

COLEGIO BRASILIA DE LA LOCALIDAD DE USME

Guiovanna Guevara Pacanchique

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS

MAESTRÍA EN ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

BOGOTÁ, COLOMBIA

2015

PROPUESTA DIDACTICA PARA EXPLORAR LA LUZ INFRARROJA CON

ESTUDIANTES DEL CLUB DE SEMILLEROS DE ASTRONOMIA DEL

COLEGIO BRASILIA DE LA LOCALIDAD DE USME

Guiovanna Guevara Pacanchique

Trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Director:

Físico Msc Astronomía Benjamín Calvo Mozo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ciencias

Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Bogotá, Colombia

2015

Agradecimientos

Este trabajo de tesis ha sido culminado con éxito gracias a la colaboración y apoyo

incondicional de varias personas que me brindaron su conocimiento, experiencia,

paciencia y acompañamiento en los logros que obtuve, al igual que los fracasos que se

presentaron y la búsqueda de soluciones para seguir adelante. Por eso quiero mencionar

a cada una de ellas en estos párrafos.

Primero quiero agradecer al director de mi tesis, al profesor Benjamín Calvo Mozo, quien,

con su valiosa dirección, ha ofrecido su conocimiento y experiencia para la elaboración del

trabajo, al igual que la motivación adquirida en cada encuentro.

Gracias infinitas al profesor Alfonso Prieto, primero por haber aceptado ser otra guía

valiosa en el desarrollo de este trabajo, por su sabiduría, consejos, y paciencia que me

brindó en cada momento del desarrollo del trabajo. Por acompañarme a realizar los sueños

que tengo en mi profesión docente con el nuevo club de semilleros de Astronomía.

Además, todos los créditos en la traducción de los textos originales de William Herschel

del estudio de la luz infrarroja.

Pero esto no hubiera sido posible sin el amor y apoyo de mi familia; quienes comprendieron

y cedieron esos espacios familiares, para mi crecimiento intelectual y profesional.

Resumen y Abstract IX

Resumen

Esta propuesta planteó primero, la implementación de un club de semilleros de Astronomía

de la I.E.D. Brasilia ubicada en la localidad de Usme, y se llevó a cabo con estudiantes de

grados sexto a noveno, con el fin de permitir el acercamiento de la ciencia por medio del

estudio de esta disciplina.

En este trabajo se vio la necesidad de abordar el espectro electromagnético partiendo del

estudio de la electricidad hasta llegar a ondas de radio, ya que esta clase de ondas permitió

que los niños tuvieran comprensión de una clase de ondas electromagnéticas no visibles,

con estas actividades se logró la percepción y comprensión que existen en la naturaleza.

Así teniendo una noción de la existencia de ondas electromagnéticas, se hizo

paralelamente un estudio de la luz infrarroja, que al igual que las ondas de radio, no se

pueden ver, pero si se pueden sentir, este estudio se realizó por medio de las réplicas de

las experiencias de William Herschel y la influencia de la luz infrarroja en el entorno.

Palabras clave: Astronomía, electricidad, Ondas electromagnéticas, ondas de radio, luz

infrarroja

Abstract

In this project, I proposed and implemented an I.E.D astronomy club. The club took place

in Brasilia, a neighborhood located in Usme and it involved students from 6th to 9th grade.

This proposal intended for students to get a closer approach to science through astronomy.

In this project, we saw the need to address the electromagnetic spectrum from an electricity

study until we reached the concept of radio waves. The study of radio waves allowed

students to have an understanding of non-visible electromagnetic waves. In addition,

students comprehended that these waves occur in nature. Parallel to the electromagnetic

waves we studied infrared light. Similarly, to radio waves, infrared light cannot be seen but

it can be felt. This study was done by replicating the experiences from William Hershel and

the influence of infrared light in the environment. Key words: Astronomy, electricity,

electromagnetic waves, radio waves and infrared light.

Keywords: Astronomy, electricity, electromagnetic waves, radio waves, infrared light

Introducción XI

Introducción

La Astronomía es una herramienta fundamental en la enseñanza de las ciencias ya que

es uno de los tópicos que más interés despierta en un amplio sector de estudiantes y una

ciencia que abarca multitud de enfoques: matemáticas, física, química, literatura, historia,

que permiten construir marcos de referencia integrales, y ofrecen la posibilidad de

contribuir con la formación científica y cultural de los estudiantes.

Uno de los conceptos importantes en los estudios astronómicos es la luz no visible. La luz

no visible ubicada dentro del espectro electromagnético debería ser tema de estudio en

los grados superiores, según los lineamientos curriculares de los procesos físicos del MEN.

No obstante, por el tiempo reducido en el plan de estudios, en mi caso por ejemplo que

me desempeño en el grado once, no se dispone de los espacios adecuados para las

clases, la intensidad horaria es de noventa minutos semanales por grado y no se alcanzan

a realizar las actividades académicas con profundidad, las clases se desarrollan en forma

magistral, los temas usualmente se presentan de una forma abstracta y son de difícil

comprensión para los jóvenes.

Con respecto al espectro electromagnético, rayos infrarrojos, microondas, ondas de radio,

ultravioleta, rayos X, rayos gamma y rayos cósmicos; simplemente se da por hecho que

son una clase de radiación electromagnética ya que “viajan a la velocidad de la luz” y por

ende cumplen con las propiedades de la reflexión, refracción, interferencia, difracción,

entre otras. Este tipo de planteamiento no da la oportunidad a los jóvenes de construir su

propio pensamiento científico a través del reconocimiento y análisis de interpretaciones

erróneas de estos fenómenos y en muchos casos no se alcanzan a estudiar estos temas.

Además, la práctica docente usualmente enfatiza en la enseñanza sin significado de

términos, definiciones y conceptos; por ejemplo, se introducen las nociones de longitud

de onda, focos, descomposición cromática o espectral de la luz, aberración cromática,

espectro electromagnético, entre otros, de difícil comprensión ya que no hacen parte de

términos cotidianos, siendo de esta manera términos aislados de la realidad para el

estudiante, por la falta de interpretación y apropiación en estos temas.

A partir del análisis de los informes académicos se ha evidenciado que los estudiantes del

colegio Brasilia de la localidad de Usme presentan bajo rendimiento académico y muestran

desinterés en el área de Ciencias Naturales. Lo cual puede ser producto de diversos

factores, como se mencionó anteriormente, tales como el cumplimiento de contenidos a

corto plazo o el énfasis exclusivo en métodos de enseñanza tradicional.

Algo también relevante respecto a la comprensión y apropiación del conocimiento

científico por parte de los estudiantes es la imposibilidad de acceso a los textos originales

sobre el análisis de diferentes fenómenos científicos, lo que genera un inadecuado

desarrollo de las interpretaciones de los legados que han contribuido al avance de las

ciencias, como se plantea en Velasco (1985). En esta dirección se expresa también un

estudio del Banco Interamericano de Desarrollo de Valverde y Näslund (2010) en donde

se afirma que:

“Los jóvenes no están siendo preparados de manera apropiada para contar

con las herramientas en matemáticas y ciencias naturales necesarias en

una economía mundial cada vez más interconectada. Esto se debe a

programas débiles, materiales de aprendizaje inadecuados y falta de

destreza en las matemáticas y ciencias naturales. Las aulas se caracterizan

por la memorización mecánica de operaciones rutinarias de cómputo y la

repetición de datos, y los docentes les dan a sus alumnos poca

retroalimentación evaluativa, o la que les dan es incluso errónea” (p. 10)

En contraste con algunas de las problemáticas relativas al desempeño, actitud, e interés

por el área de ciencias, se observó que al desarrollar temas de Astronomía los estudiantes

manifestaron un gran interés en el estudio de esta ciencia, que como se mencionó

anteriormente, incluye diversas disciplinas. A partir de este entusiasmo se creó un club de

semilleros de astronomía en jornada contraria, es decir como los estudiantes son de

jornada mañana las actividades se realizan miércoles y viernes en la jornada tarde a partir

Introducción XIII

de las dos de la tarde. Esta propuesta está dirigida a una población de estudiantes de

ciclos III IV y V de grados séptimo octavo y noveno, con edades entre 13 y 15 años,

pertenecientes al club de Astronomía de la I.E.D Brasilia jornada mañana de la localidad

de Usme, vinculado al programa de semilleros del Planetario Distrital. El P.E.I. de la

institución enfatiza en la “Formación de jóvenes integrales con calidad y excelencia”, con un

modelo pedagógico constructivista y un currículo que está organizado en saberes:

conceptuales, procedimentales y actitudinales.

De otra parte, como aclaré en un aparte anterior, uno de los temas del entorno físico en

los grados de la media es el espectro electromagnético, que se extiende desde la radiación

de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz

ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de

mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Pero como es necesario tomar solo

una parte del espectro no visible para poder estudiar a profundidad en este caso la luz

infrarroja, se plantea el siguiente interrogante:

¿Cuál puede ser una estrategia didáctica para la enseñanza de la radiación

infrarroja, a estudiantes de educación básica y media del club de Astronomía del

colegio Brasilia de la localidad de Usme?

Revisando algunos textos de Física de grados 10° y 11 Hipertexto Santillana (2011)

evidenciamos que en ellos no se incluye el estudio de la luz infrarroja. En textos

universitarios como Tippens y Serway lo mencionan en un párrafo como una de las

radiaciones electromagnéticas, pero no hay ninguna explicación física ni su utilidad al

respecto. Tampoco se reportan trabajos de grado en la maestría de Enseñanza de las

Ciencias Exactas en la Universidad Nacional, sobre el tema en particular.

Al realizar una búsqueda bibliográfica, encontramos material escaso en algunos libros de

texto usuales o en actividades de la web como en la NASA

http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/herschel/experiment.shtml donde se

muestra el montaje de un experimento, los resultados a los que se debe llegar siendo este

proceso parecido a una receta de cocina; sin llegar siquiera a demostrar que se cumplen

las propiedades de la luz. Sin embargo, se ubicaron las prácticas originales de William

Herschel del Philosophical Transactions of the Royal Society [Phil. Trans., March 27, 1800,

págs. 255-283], donde se describen aproximadamente 24 experiencias comenzando con

el estudio del Sol, cuyo objetivo era observar el Sol de forma directa con telescopios de

gran diámetro y gran aumento y a través de ellas, por experimentación científica, descubrió

la luz infrarroja, si bien para él eran “rayos caloríficos”.

La propuesta de estudio del infrarrojo con las prácticas de laboratorio desarrolladas

inicialmente por el científico William Herschel, tomando como base la obra original de él,

permitirá tener mayor claridad del principio físico, y al utilizar los textos originales el

estudiante se podrá adentrar en la mente creativa y el método deductivo del autor, además

se formularán hipótesis y se construirá un pensamiento científico. A partir del análisis de

la luz del Sol, se emplearán las prácticas descritas en esta obra lo que conducirá a

identificar las propiedades del infrarrojo, y esto permite catalogarlo como una clase de luz

no visible; además los estudiantes podrán distinguir la utilidad en la biología (efecto

invernadero) y las aplicaciones en astronomía.

Sin embargo, no se puede comenzar directamente con el estudio de la luz infrarroja, pues

también se ve la necesidad que los estudiantes comprendan la existencia de las ondas

electromagnéticas y, para que se logre, se utilizan réplicas de los experimentos que se

realizaron en la historia de la electricidad desde el ámbar hasta llegar a ondas de radio.

Así mismo se realizan las experiencias del infrarrojo donde los estudiantes comprenderán

qué son ondas electromagnéticas, que no se pueden ver, pero sí sentir. Por este motivo

los elementos teóricos y prácticos a los que hace mención este trabajo, parten de la historia

de la electricidad, llegan a las ondas de radio y, paralelamente a los rayos infrarrojos. Es

pertinente incorporar el estudio de las ondas electromagnéticas, ya que los integrantes del

club de Astronomía corresponden a diferentes edades y grados donde este tema no

corresponde al plan de estudios ondas electromagnéticas, teniendo así un conocimiento o

dominio muy vago de este tema.

En esta propuesta de enseñanza aprendizaje se pretende aplicar experiencias didácticas

que permitan al estudiante cuestionarse, ser capaz de formular hipótesis y construir un

pensamiento científico con el estudio y análisis de la luz infrarroja, partiendo de la

observación de la descomposición de la luz del Sol, o utilizando luz de tungsteno

dependiendo del estado del tiempo, se observarán y analizarán las longitudes de onda de

la parte visible y no visible del espectro. El desarrollo de la propuesta aprovechará el

interés para afianzar el conocimiento científico, la creatividad y el espíritu investigativo.

Contenido

Pág.

Resumen ........................................................................................................................ IX

Introducción .................................................................................................................. XI

1. Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica ................................ 17 1.1 Desarrollo histórico de la electricidad ............................................................. 17

1.1.1 La electricidad en la antigüedad .......................................................... 17 1.1.2 La naturaleza eléctrica de la materia ................................................... 17 1.1.3 Atracción y repulsión eléctrica de los cuerpos y fluido eléctrico ........... 20 1.1.4 Acumulación de cargas ....................................................................... 23 1.1.5 Efecto de puntas y distribución de la electricidad en la superficie de los cuerpos. 26 1.1.6 La electricidad y el magnetismo .......................................................... 27 1.1.7 Inducción Electromagnética ................................................................ 30 1.1.8 Leyes de Maxwell ................................................................................ 32 1.1.9 Surgimiento de las ondas de radio ...................................................... 34 1.1.10 Evolución de la radio ........................................................................... 36 1.1.11 Primer circuito sintonizado .................................................................. 37

1.2 Investigación de la luz infrarroja realizada por William Herschel .................... 39 1.2.1 Estudio de la temperatura y de la capacidad lumínica en cada color del espectro visible. ................................................................................................ 39 1.2.2 Descubrimiento de la luz infrarroja. ..................................................... 48

2. Propuesta didáctica. .............................................................................................. 53 2.1 Objetivo general............................................................................................. 54 2.2 Objetivos específicos ..................................................................................... 54

2.2.1 Identificar los saberes previos de los estudiantes referentes a la radiación electromagnética. ............................................................................... 54 2.2.2 Establecer los elementos y la estructura de la estrategia didáctica. .... 54 2.2.3 Construir material didáctico para el desarrollo de las diferentes actividades, que le permitan obtener un aprendizaje significativo de la luz infrarroja. ........................................................................................................... 54 2.2.4 Validar la estrategia con los estudiantes. ............................................ 54 2.2.5 Evaluar la ejecución de las actividades en el estudio de la luz infrarroja del colegio Brasilia ............................................................................................ 54

2.3 Fases de la propuesta ................................................................................... 54 2.3.1 Fase 1. Ideas previas .......................................................................... 55 2.3.2 Fase 2. Espectro electromagnético. Electricidad y Ondas de Radio. ... 55

XVI Contenido

2.3.3 Fase 3 Estudio de la Luz Infrarroja ..................................................... 55 2.3.4 Fase 3. Estudio y análisis de la luz infrarroja ...................................... 78

3. Conclusiones y recomendaciones ....................................................................... 99 3.1 Conclusiones ................................................................................................. 99

Bibliografía .................................................................................................................. 101

1. Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

1.1 Desarrollo histórico de la electricidad

1.1.1 La electricidad en la antigüedad

En la antigüedad las tres fuerzas que se conocían eran la fuerza gravitacional, la fuerza

magnética de la magnetita y la fuerza eléctrica. Esta última fue estudiada por medio de las

experiencias hechas por Tales de Mileto en el siglo VI a.C en Grecia, lo cual originó el

estudio formal de la electricidad. Tales estudió el comportamiento de una resina fósil, el

ámbar, observó que cuando era frotado por un paño de lana adquiría la propiedad de atraer

cuerpos ligeros, como plumas, hojas secas o hilos de tejido; estas clases de fenómenos

fueron llamados eléctricos y actualmente fenómenos electrostáticos.

Figura 1-1: Ámbar, resina fósil utilizada por Tales de Mileto1

1.1.2 La naturaleza eléctrica de la materia

En la época del Renacimiento, siglos XVII y XVIII, hay un auge en el avance de las ciencias

por toda Europa, entre ellos los trabajos de Kepler, Galileo y la gran obra de Newton, así

como los estudios de la electricidad. William Gilbert realiza estudios sobre el magnetismo

y las propiedades conocidas hasta el momento del ámbar; en 1600 publica su obra más

importante titulada “Sobre el Magnetismo, cuerpos magnéticos y el gran imán telúrico”;

1 http://co.globedia.com/ambar-piedra-preciosa-mineral

18 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

donde se encuentran las investigaciones que realizó sobre los cuerpos magnéticos y los

cuerpos electrizados.

A diferencia de los estudios de Tales de Mileto, Gilbert comprueba que el ámbar cumple la

propiedad de atraer cuerpos livianos no solo de algunas sustancias como las hojas, la tierra

y los tallos, sino también de muchas otras clases de sustancias, por ejemplo, cuando frotó

un pedazo de ámbar con un paño y lo acercó a una fuente delgada de agua, observó que

el ámbar atraía dicha fuente. Demostró además que esta fuerza de atracción también la

poseen otros cuerpos como el diamante, el alumbre, el zafiro, la piedra iris, la amatista, el

ópalo, el berilio, el cristal, el vidrio, la piedra lince; estos cuerpos no solamente atraían la

paja sino cuerpos ligeros como la madera, los metales en limaduras y líquidos como el

agua y el aceite. De estas experiencias concluyó que esa propiedad de atracción no es

exclusiva del ámbar al ser frotados sino también cumplen con esta virtud otra clase de

cuerpos. El privilegio que tuvo el ámbar durante varios siglos donde venían incrustados

insectos como moscas o abejas, fue reevaluado por las prácticas que realizó William

Gilbert, al demostrar que también lo poseen otros cuerpos.

Al demostrar que hay varios materiales que se electrizan, también concluye que hay otros

objetos como la esmeralda, el mármol, maderas y metales como el cobre y la plata, que

no tenían la capacidad de electrizarse. Les asigno el nombre de eléctricos o electricidad a

las sustancias que ejercían la propiedad de atraer a los cuerpos y aneléctricos a los que

no atraían; además, supone que la propiedad de electrización que tienen estas sustancias

se adquiere por frotamiento y no al administrarles calor por medio del Sol u otras fuentes.

Destaca el frotamiento de los cuerpos como una acción fundamental para generar

electrización.

Posteriormente Charles de Cisternay Du Fay basándose en las prácticas de Gilbert, Von

Guericke y Gray repite las prácticas y sostiene varias hipótesis; entre esas que hay otras

sustancias diferentes del ámbar que tienen la propiedad de atraer cuerpos livianos. Realiza

experiencias que le permiten refutar la clasificación de los cuerpos en eléctricos y no

eléctricos hecha por Gilbert. Trabajó con diferentes clases de maderas y piedras,

materiales que hasta el momento habían sido imposibles de electrificar, pero que en esta

clase de materiales es necesario que tengan mayor frotamiento para obtener electrización;

a excepción de los metales todos los materiales son eléctricos por frotamiento, y todos los

metales sin excepción pueden electrizarse por comunicación, es decir, por medio de

Capítulo 1 19

contacto o por aproximación a un cuerpo eléctrico; siendo los metales no eléctricos para

Gilbert, Du Fay demuestra que sí lo son, pero con una fuerza de atracción más débil que

los otros. Deduce que los cuerpos que más se electrizan por frotamiento son los que menos

se electrizan por comunicación y los que no se electrizan por frotamiento son cuerpos que

usualmente tienen la capacidad de conducir la electricidad.

En otras palabras, él notó que las sustancias que son más difíciles de electrificar como los

metales u objetos húmedos son más fáciles de transmitir electricidad; mientras que las

sustancias como la seda y el ámbar, que son más fáciles de electrizar, no poseen con

facilidad la propiedad de conducir electricidad. Esta deducción la realiza por medio de un

experimento que conforman líneas de comunicación de 1256 pies de un hilo conductor de

metal. Además, coloca dos líneas conformadas por dos conductores de seis a ocho pies

de largos y con un espacio entre ellas de un pie aproximadamente, observó que un

conductor electrifica al otro, pero que esta fuerza es débil; deduce que las cargas se

escapan en el aire siendo este un medio que sirve para aislar la electricidad. Con esto, se

utiliza por primera vez el término aislante. Es decir, Du Fay llegó a la conclusión de que

existen cuerpos que conducen la electricidad y que hoy en día llamamos conductores, y

que existen otros cuerpos que no conducen la electricidad y que hoy en día llamamos

aislantes.

Ahora se comprende que todos los cuerpos en la naturaleza son conductores en mayor o

menor grado, pero en algunos su conductividad es tan baja que se les prefiere denominar

aislantes, como por ejemplo la baquelita, el cuarzo, la ebonita y el vidrio. Otras sustancias

tienen una conductividad superior a la de los aislantes, pero inferior a la de los conductores;

estos son llamados semiconductores donde se encuentran el Silicio, el Germanio y el

Selenio entre los más destacados y los cuerpos conductores en este caso los metales en

orden de conductividad la plata, el cobre y el oro y también otras sustancias como por

ejemplo las soluciones salinas.

La teoría atómica actual da cuenta de la electrización de los cuerpos y explica la propiedad

de la carga eléctrica de la materia en todas sus formas. Un átomo está compuesto por el

núcleo formado por protones y neutrones y una capa externa de electrones. En el núcleo

los protones están dotados de carga positiva y los neutrones no tienen carga, pero con

masa semejante a la de los protones. Los protones y neutrones se mantienen unidos por

medio de una fuerza nuclear, la carga del núcleo es positiva debido a la carga de los

20 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

protones; en la capa exterior los electrones tienen carga eléctrica negativa, con la misma

magnitud del protón, pero de signo contrario. El número de electrones de un átomo es igual

al número de protones y por este motivo se puede decir que es eléctricamente neutro.

En algunos tipos de átomos, los electrones tienen la propiedad de liberarse del átomo y en

este caso pierde la neutralidad eléctrica y será un ion positivo al encontrarse con una mayor

cantidad de protones que de electrones; igual ocurre cuando los electrones llegan a un

átomo neutro y se dice que es un ion negativo, por tener mayor cantidad de electrones que

protones.

La electrización por frotamiento se puede explicar por el efecto de ceder los electrones

externos de un cuerpo a otro; por ejemplo, cuando se frota un trozo de lana los electrones

son cedidos a la barra de ámbar, lo mismo ocurre con la electrización del vidrio al ser

frotado con la seda; el número de electrones cedido por un cuerpo es igual al número de

electrones aceptado por el otro, sin perder en ningún momento la cantidad de electrones,

en su totalidad no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. El principio de la

conservación de la carga eléctrica, fundamentado por la teoría atómica actual ya se había

formulado anteriormente por Benjamín Franklin por medio de prácticas que se describirán

más adelante, y que se realizaron en el aula, para dar una mayor claridad a los estudiantes.

1.1.3 Atracción y repulsión eléctrica de los cuerpos y fluido eléctrico

Gilbert afirma que la fuerza que genera un cuerpo después de ser frotado es diferente a la

que posee la piedra imán o la magnetita. Inventó el primer electroscopio llamado versorium,

conformado por un metal ligero que gira sobre un soporte vertical el cual tiene como

finalidad conocer cuando un cuerpo está cargado y cuando no. Dado que si hay frotamiento

de un cuerpo y se coloca cerca del electroscopio muestra un efecto de atracción y si no se

frota y se coloca cerca del versorium no existe atracción del cuerpo hacia el versorium.

Capítulo 1 21

Figura 1-2: Versorium: Primer electroscopio inventado por Gilbert2

Más adelante Otto Von Guericke construye el primer equipo electrostático que genera

cargas eléctricas. Funde el azufre y lo vierte en un balón de vidrio hueco, perfora la esfera

y le fija un eje de hierro aislado por resinas o por tejidos de seda, esto es, anclado a una

base de madera que permite girar sobre su propio eje a una velocidad considerable por

medio de manivelas. Con la esfera cargada Von Guericke observa diferentes fenómenos

que hoy son asociados a la electricidad estática, en este caso, el arco eléctrico y atracción

y repulsión de objetos livianos. Von Guericke es el primero en descubrir que cuando un

cuerpo ligero se coloca sobre un cuerpo cargado al principio es atraído y luego es repelido.

Figura 1-3: Primer equipo de electrostática creado por Von Guericke3

Dufay utiliza los estudios de Von Guericke y deja caer unas hojas de oro sobre una esfera

electrizada y observa como son atraídas mientras se cargan y luego se repelen flotando

en el aire durante largo tiempo después de estar cargadas. Si el cuerpo que se carga tiene

contacto con otro objeto, la electricidad adquirida se disipa. Deduce que hay dos tipos de

2 Park Benjamin, History of electricity, pag 303, University of Michigan 3 Park Benjamin. History of electricity. Pag 435 University of Michigan

22 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

electricidad y concluye que los cuerpos eléctricos atraen a los que no lo son pero que los

repelen tan pronto se convierten en eléctricos por proximidad o contacto con los cuerpos

que estaban originalmente electrizados. Acá demostró que se pueden atraer los cuerpos

por influencia, pero al quedar el cuerpo liviano de la misma carga existirá repulsión entre

los dos cuerpos.

También utiliza dos materiales diferentes, vidrio y resina. Un trozo de oro lo pone en

contacto con la esfera de vidrio que se frotó y como era de esperar el trozo de oro se atrajo

y luego al ser cargado se repele, posteriormente pone la lámina de oro electrizada sobre

un pedazo de resina que había frotado, por tal motivo estaba cargada, se espera que se

rechacen, al estar cargados, pero los resultados obtenidos fueron de atracción entre los

dos cuerpos electrizados. Para explicar este nuevo fenómeno, postuló la existencia de dos

clases de fluido eléctrico, vítrea y resinosa, por la clase de material con el que se desarrolló

la experiencia. Dufay determina que la materia es neutra porque contiene cantidades

iguales de los dos fluidos, pero lo que origina la fricción es separar los fluidos de la

sustancia y esta al estar desbalanceada atrae o repele otros objetos. Comienza el

desarrollo de la teoría de los “dos fluidos de la electricidad”. Los términos de vítreos y

resinosos se utilizaron durante dos décadas, sustituidos luego por los términos positivo y

negativo, aplicados por William Watson y Benjamín Franklin. Du Fay se equivocó al

suponer que hay dos tipos diferentes de electricidad, pero fue el primero en identificar la

existencia de dos clases de cargas: positivas y negativas.

La noción de fluido eléctrico que introdujo Benjamín Franklin para explicar la electricidad,

fue puntualizada más adelante al descubrir que la materia está compuesta por átomos los

cuales a su vez tienen partículas que tienen propiedades eléctricas. Esta teoría es contraria

a la de Dufay porque Franklin sostenía que la electricidad consistía en una sola clase de

fluido formado por partículas ligeras. Afirmaba que si un cuerpo tenía más fluido de lo

normal este cuerpo tendría carga positiva y si tenía menos carga que cuando un cuerpo

está en equilibrio obtiene carga negativa.

Franklin sostuvo tres conceptos, primero: todos los cuerpos poseen electricidad así sea en

estado de equilibrio o perturbado, dos: todos los cuerpos se encuentran en un estado de

equilibrio, pero éste puede ser perturbado y por esta acción puede adquirir o ceder

electricidad, y tercero: que después de que cese la perturbación existirá una transferencia

de cargas hasta obtener el estado de equilibrio.

Capítulo 1 23

1.1.4 Acumulación de cargas

Los condensadores son los dispositivos que se encargan de retener mayor cantidad de

electricidad. La botella de Leyden fue el primer condensador, y la utilizó Benjamín Franklin

para el estudio de la electricidad. Esta botella se diseñó en Holanda en la ciudad de Leyden

en el siglo XVIII y actualmente es una herramienta clave en las actividades pedagógicas

para la comprensión de fenómenos y conceptos de electricidad.

La botella de Leyden se diseña con un aislante, vidrio o plástico, está cubierta en la parte

interna y externa por un conductor; la parte interna tiene una lámina conductora como el

aluminio, oro o agua y en la parte externa otra lámina conductora. La botella se encuentra

sellada en la parte superior y tiene un orificio donde se comunica con una varilla metálica,

que llamó cable, este cable comunica la parte interna con un generador eléctrico o un tubo

de vidrio por frotamiento como utilizó Franklin, pero que en clase fue reemplazado por un

tubo de PVC igualmente frotado.

Figura 1-4: Botella de Leyden4

Se puede utilizar la teoría por influencia que demostró anteriormente Von Guericke. La

parte interna se pone en comunicación con un generador de carga que puede ser un tubo

por frotamiento o máquina generadora, el fluido que se dirige hacia esta placa descompone

por influencia la lámina externa, atrae el de carga contraria hacia el lado del aislante y

repele a tierra el de la misma carga. Así se tienen dos placas, la placa interna positiva y la

externa negativa, separadas por un aislante que se atraen entre sí. Cada vez que se tiene

4 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/14/Leydenjar.png

24 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

contacto con el generador se van acumulando más y más cargas tanto en la parte interna

como externa de la botella, condensando una gran cantidad de electricidad.

Algo importante en esta acumulación de cargas es la fuerza que ejerce el dieléctrico en la

botella de Leyden. El aislante, al estar en contacto con los dos revestimientos internos y

externos, tiene la función de ceder o recibir cargas. Esto lo demostró al colocar la botella

sobre un aislante, luego separó el corcho y el cable; tomó la botella con una mano y con

la otra llevó uno de sus dedos a la boca y sintió una descarga como si el cable siguiera en

el mismo lugar. Hasta ahí creyó Franklin que el origen de la fuerza no se depositaba en el

cable sino en el agua. Luego hace la misma experiencia, pero adicionalmente depositó el

agua en otra botella que se encontraba sobre un vidrio, esperando que se obtuviera una

gran agitación, lo cual no fue así, pero al almacenar agua no electrificada sobre la primera

botella produjo una gran sacudida. Con esto se demostró que el fluido que se acumula no

se encuentra en los conductores sino en las paredes del aislante. Si se reúne cierto número

de botellas comunicando las láminas externas entre si y las internas sujetas a ganchos de

plomo estas están dentro de una caja que se pone en comunicación a tierra por medio de

una cadena. Este fue el principio de la batería eléctrica, es decir, la botella de Leyden o

condensadores se les puede dar cualquier forma con la condición que este conformado

por dos conductores separados por un aislante.

Franklin sembró las semillas de la electricidad. Todo el conocimiento de la electricidad

estaba en la botella de Leyden, determinando que, si dos objetos estaban cargados, uno

positivamente y el otro negativamente se atraerían y si estaban cargadas del mismo modo

se repelerían.

Figura 1-5: Primera batería eléctrica construida con botellas de Leyden5

5 http://senderospedagogicos.blogspot.com.co/2014/07/carlos-del-pozo-cientifico-primigenio.html

Capítulo 1 25

Lo que está a continuación son algunas de tantas experiencias que desarrolló Benjamín

Franklin y que se replicaron en clase.

Figura 1-6: Botella de Leyden sobre un aislante6

La botella de Leyden se encuentra suspendida sobre un material

aislante y se descarga por conexión eléctrica del interior y el

exterior por medio de un alambre atado a un dieléctrico. Franklin

observó que si la parte inferior y superior son tocadas al mismo

tiempo se equilibra de una forma rápida.

Figura 1-7: Corcho suspendido entre dos alambres en comunicación con la botella de Leyden7

En esta experiencia la botella es electrizada y se encuentra sobre

un material aislante. Además, hay dos alambres conductores que

tienen contacto uno con la parte inferior y otro con la parte

superior de la botella o cable como lo llamó Franklin; entre estos

dos se encuentra suspendido un corcho “el cual vibra

indefinidamente hasta que restaura el equilibrio lentamente,

transportado sobre todo el fuego que perturba el equilibrio

eléctrico entre el exterior de la botella y el interior”, Franklin

(1747).

Esto también lo hizo con dos botellas separadas a cierta distancia y cargando las dos por

el cable o parte superior y colocando una esfera de corcho que se encontraba suspendida

por medio de un hilo de seda entre las dos botellas, observó en esta ocasión, que no existía

vibración del corcho entre las dos botellas, una la repele o la atrae, pero la otra botella no

actúa sobre el corcho. Luego cargó una botella por el cable y la otra por el revestimiento

exterior, el corcho oscilaba hasta que fueron descargadas las botellas.

6 Park Benjamin, History of electricity, pag 561, University of Michigan 7 Park Benjamin, History of electricity, pag 561, University of Michigan

26 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

1.1.5 Efecto de puntas y distribución de la electricidad en la superficie de los cuerpos.

Benjamín Franklin fue el primero que descubrió el Efecto de Puntas o fuego eléctrico,

término que utilizó Franklin. Él lo demostró al colocar una barra de hierro sobre la boca de

la botella de cristal seca y junto a ella una canica de corcho suspendida con un fino hilo de

seda que se encuentra cerca de la barra de hierro. Cuando se electriza la barra de hierro

la esfera de corcho se repele de acuerdo a la cantidad de electricidad y al colocar frente a

la barra de hierro otra barra larga y en punta, cesa la repulsión y el corcho se acerca

nuevamente a la barra. Realizó la misma experiencia, pero con un cuerpo romo, y observó

que para que fuera eficaz tenía que colocarlo a una menor distancia de la barra de hierro;

con estas dos clases de barras de hierro, observó el efecto de puntas de los metales.

Adicionalmente realizó la práctica con el punzón a tierra donde es adecuado tal efecto, es

decir el corcho queda junto a la barra de hierro y si el punzón se fija a un bloque de lacre,

el corcho se repele por la barra de metal.

Demostró también que no solamente los objetos puntiagudos atraen el fuego eléctrico, la

electricidad, sino que también los expulsan. Al colocar una aguja afilada sobre la barra de

hierro esta va a impedir que se electrice y va a repeler la esfera de corcho. Este efecto

ocurrirá con objetos de hierro puntiagudos y de madera mojada.

Benjamín Franklin hizo una comparación entre el rayo y esas chispas que se producían en

las máquinas generadoras de cargas, en las botellas o en las baterías de Leyden. Estas

chispas van a dirigirse preferiblemente a los cuerpos conductores terminados en punta. Al

tener esta idea clara es cuando eleva una cometa que tiene una de sus esquinas con un

hilo metálico puntiagudo y sujetándola a un hilo de cáñamo que es atado a una llave

seguida por un aislante, en este caso seda. Cargó la botella con la electricidad atmosférica,

acá la electricidad utiliza el camino más eficaz, se cumple el principio universal de acción

mínima, siguiendo el camino más conductor. Esta experiencia la divulgó Franklin para

colocar una barra metálica a tierra para zonas de casas y edificios.

Para entender un poco más el efecto de puntas y en sí el de pararrayos, es necesario

comprender cómo actúa la electricidad en las nubes. Una nube estará cargada por alguna

de las dos cargas eléctricas. Por ejemplo, si una nube está cargada positiva o

negativamente y está en contacto con una nube cercana de carga eléctrica contraria o en

estado neutro, se descargará sobre esta nube produciendo una chispa y ruidos notorios.

Capítulo 1 27

También si una nube se aproxima a la tierra, por influencia la tierra quedará cargada con

carga contraria y rechazará a la de la misma carga. Este rayo cae sobre las partes salientes

y los buenos conductores, ya que la electricidad circula más fácil por los conductores que

por los no conductores. Así mismo, si se colocan barras metálicas terminadas en punta y

en comunicación con el suelo en los edificios, la electricidad acumulada por la influencia

de una nube tratará de dispersarse.

1.1.6 La electricidad y el magnetismo

A principios del siglo XVIII Franklin buscó la relación entre la electricidad y el magnetismo,

sabía y comprobó la existencia de la electricidad en la atmósfera y pretendía además

magnetizar una aguja durante una tormenta, sin obtener resultados favorables. Hasta la

primera mitad del siglo XIX Hans Christian Oersted logró comprobar dicha relación y notó

que una corriente eléctrica tiene efecto sobre los imanes.

Oersted colocó un conductor donde circulaba corriente eléctrica encima de una aguja

imantada de tal manera que se ubicaba en la dirección norte sur y observó cómo la aguja

era desviada hacia el oriente; luego el conductor lo ubicó debajo de la brújula y vio que la

aguja era desviada, pero hacia el occidente. Oersted concluyó que dicha corriente produce

efectos magnéticos ya que, para que la aguja tuviera ese movimiento, era necesario que

experimentara una fuerza magnética, donde este efecto magnético no estaría solo en el

conductor sino propagado en el espacio.

Andre Marié Ampère realizó esta experiencia, pero tuvo presente el magnetismo terrestre,

y observó que la aguja imantada siempre se alinea en dirección perpendicular a la dirección

de la corriente eléctrica.

Ampère crea un dispositivo formado por dos conductores ubicados paralelamente entre si

los cuales están conectados cada uno a dos pilas. Uno de los conductores se encontraba

fijo y el otro suspendido girando sobre el eje X-Y como se muestra en la figura. Observó

que cuando la corriente eléctrica pasa al mismo tiempo y en el mismo sentido, eran atraídos

los dos conductores y se repelían cuando tenían dirección contraria. Esta experiencia fue

fundamental en la teoría de electricidad en movimiento de Ampère.

28 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

Figura 1-8: Modelo de Ampère de Interacción entre dos corrientes paralelas

rectas8

Ampère estableció que las fuerzas entre los

conductores de corriente eléctrica correspondían a

efectos magnéticos, así el magnetismo que se

genera alrededor de uno de los alambres, genera al

mismo tiempo una fuerza sobre el otro alambre que

conduce electricidad.

Además, descubrió que no era necesario que los conductores fueran paralelos: también

existían fuerzas si ambos conducían corriente eléctrica sin importar la posición en que se

encontraran uno del otro. La ley de Ampère es una de las leyes fundamentales en

electromagnetismo, esta ley consiste en calcular la fuerza que se genera entre dos

conductores independientemente de la posición de ellos. Este efecto es la base del

funcionamiento de los motores eléctricos.

En un comunicado a la academia de París, Ampère (1797), dijo: … faltaba un instrumento

que nos permitiera detectar la presencia de una corriente eléctrica en una pila o en un

conductor y que indicara su intensidad y sentido. El instrumento ya existe; todo lo que se

necesita es que la pila, o alguna porción del conductor, se coloque horizontalmente,

orientado en la dirección del meridiano magnético (N) y que la aguja de la brújula se

coloque sobre la pila, ya sea arriba o abajo de la porción del conductor [...] Creo que a este

instrumento se le debería dar el nombre de "galvanómetro” [...] con este instrumento se

conocerá si existe una corriente y su intensidad.

Al conectar un solenoide o bobina, Ampère descubrió que tenía las mismas propiedades

de los imanes. Colocó limaduras de hierro en un cartón sobre el solenoide y observó que

se formaban las mismas líneas que las que se forman con el imán.

8 http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/courant/electrodynamique/index.php

Capítulo 1 29

Figura 1-9: Solenoide movil diseñado por Ampère9

Ampère hizo una analogía entre las corrientes

circulares y los imanes, ya que la corriente circular

del solenoide adquiría atracción y repulsión entre los

imanes que fueran acercados a él. Con esto

demostró como la bobina se comporta como una

barra de imán.

Figura1-10: Interacción entre dos espirales10

En esta experiencia hay dos espirales conductoras

los cuales se repelen o atraen cuando se genera

corriente eléctrica entre ellas.

Con las prácticas que desarrolló Ampère, afirmó que todos los fenómenos magnéticos se

encuentran en las cargas eléctricas, siendo el magnetismo una corriente eléctrica

microscópica con movimientos circulares. Esta teoría era, en este momento, un avance en

el mundo microscópico ya que en el siglo XIX no se sabía del comportamiento atómico de

la materia.

Oersted y Ampère comienzan a comprobar la relación que existe entre la electricidad y el

magnetismo al demostrar que una corriente eléctrica tiene efectos magnéticos iguales a

los de un imán. Además, la analogía entre las fuerzas eléctricas en los conductores y las

9 http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/courant/electrodynamique/index.php 10 http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/courant/electrodynamique/index.php

30 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

fuerzas magnéticas entre los imanes, y la relación cómo las corrientes eléctricas influyen

en otras corrientes eléctricas cercanas o agujas imantadas.

1.1.7 Inducción Electromagnética

En la primera mitad del siglo XIX Michael Faraday en Inglaterra y Joseph Henry en Estados

Unidos descubrieron que la variación temporal del flujo del campo magnético que atraviesa

una espira conductora, induce en ésta una corriente eléctrica, denominada inducción

electromagnética.

Figura 1-11: Diagrama del diario de Faraday para ilustrar la inducción

electromagnética11

Faraday, por medio de un aro de hierro, instaló dos bobinas, la

bobina A fue conectada a una batería y en la otra mitad la batería

B la conectó a un galvanómetro. Observó que solo se generaba

corriente en B cuando se originaba o se detenía la corriente en

A, pero durante la transmisión de corriente continua en la bobina

A la bobina B no producía ninguna clase de corriente.

Luego Faraday demostró que al introducir un imán en una bobina se generaba una

corriente temporal, al acercar el imán a la bobina observó la alteración del galvanómetro y

si alejaba el imán, el galvanómetro variaba, pero en sentido contrario. Observó también

que no existía corriente inducida si el imán se encontraba en reposo dentro de la bobina y

que era necesario un movimiento variable en medio de la bobina; además, al cambiar la

orientación del imán variaba también el campo magnético y el sentido de la corriente

inducida. Asimismo, se generó corriente inducida si el imán estaba en reposo y se

introducía la bobina en el imán con movimiento variable, es decir si no hay movimiento no

existía corriente inducida. En pocas palabras confirmó la observación de Oersted a que

una corriente eléctrica puede producir un campo magnético y demostró que un flujo

magnético variable puede crear una corriente eléctrica y que una corriente eléctrica

variable es decir un chorro de partículas con velocidad variable, cambiará de valor el

campo y en ese caso induce una corriente en la bobina.

11 González, Ángel. La Inducción electromagnética. Investigación y Ciencia, 2009

Capítulo 1 31

La inducción electromagnética es el principio fundamental del transformador, el generador

y otros equipos utilizados actualmente. Al acercar el imán a la bobina aumenta el flujo del

campo magnético que atraviesa cada una de las espiras y se induce una corriente eléctrica,

pero, si el imán está en reposo respecto a la bobina, el flujo del campo magnético que

atraviesa la bobina no cambia, al alejar el imán disminuye el flujo magnético y también se

induce una corriente eléctrica, pero en sentido contrario. La presencia de estas corrientes

eléctricas inducidas implica que existe una fuerza electromotriz inducida la cual se

encuentra en el momento que el flujo del campo magnético está variando. El flujo del

campo magnético que atraviesa la bobina está relacionado con la fuerza electromotriz

inducida mediante la ley de Faraday-Henry que establece que la fuerza electromotriz

depende de la rapidez con que varíe el flujo electromagnético.𝜀 = −𝑑𝜑

𝑑𝑡 Donde 𝜀 es la

fuerza electromotriz que se mide en voltios y −𝑑𝜑

𝑑𝑡 es la variación del flujo inducido del

campo magnético que lo atraviesa en la unidad de tiempo. El flujo magnético se define

como el producto del campo magnético B por el área limitada por el circuito. La unidad de

flujo magnético es el Weber que equivale a un Tesla por metro cuadrado (1 T. m2).

El signo negativo que aparece en la ecuación está relacionado con la dirección de la fuerza

electromotriz inducida que sigue el principio general denominado Ley de Lenz donde indica

que el sentido de las corrientes, o fuerza electromotriz inducida, es tal que siempre se

opone a la variación del flujo magnético que la produce.

Parece ser que Joseph Henry también descubrió la inducción electromagnética

simultáneamente con Faraday. Algo que es relevante y hace mención a Joseph Henry es

el fenómeno de la autoinducción, donde él demuestra que, si la corriente que fluye por la

bobina varía, cambia también el campo magnético producido por esta corriente, varía el

flujo del campo que pasa a través de la propia bobina y se induce la f.e.m. en su «propio»

circuito. Entonces en honor a Joseph Henry, la unidad de medida de la inductancia es el

Henrio (H). El Faraday es una cantidad de carga eléctrica usada en los procesos

electrolíticos y el Faradio, representado por F, es la unidad de capacidad eléctrica

(Nuevamente aparece botella de Leyden), ya que, como se mencionó fue el origen de los

capacitores.

32 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

1.1.8 Leyes de Maxwell

En la mitad del siglo XIX se tenía un gran avance en el conocimiento de la electricidad y el

magnetismo, pero no existía una relación directa entre ellas, hacían falta algunas piezas.

Sin embargo, se conocían vínculos fundamentales entre estos; las formas como las cargas

se atraen o repelen entre sí, generando un campo eléctrico con cargas eléctricas en

reposo; el experimento realizado por Oersted (1820) donde demostraba la existencia de

campos magnéticos debido a las cargas en movimiento y los descubrimientos de Faraday

que demostraron que campos magnéticos variables dan lugar a un movimiento de cargas

eléctricas en los conductores. Asimismo, la explicación que hizo Faraday a los fenómenos

de inducción donde introduce por vez primera la noción de campo magnético por un

conjunto de líneas de fuerza.

Con lo mencionado anteriormente, James Clerk Maxwell hace una síntesis de los

fenómenos eléctricos y magnéticos, construye la teoría electromagnética, por medio del

simbolismo matemático, publicó el artículo “Teoría electrodinámica del Campo

Electromagnético” donde expone las importantes ecuaciones que unifican los campos

eléctricos y magnéticos y media la existencia de ondas electromagnéticas. Maxwell

relacionó estas ecuaciones electromagnéticas con la luz y dedujo con estas ecuaciones el

valor de la velocidad de la luz. Las ecuaciones de Maxwell son:

∇.𝐄=𝜌

𝜀0 Ley de Gauss

∇X𝐄 = −∂𝐁

∂t 𝐿𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 − 𝐻𝑒𝑛𝑟𝑦

∇. 𝐁 = 0 𝐿𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑠𝑚𝑜

∇X𝐁 = 𝜇0 𝐉 + 1 ∂𝐄

𝑐2 ∂t Ley de Ampère, más la corriente de desplazamiento

Donde 𝐄 representa el campo eléctrico existente en el espacio creado por las cargas, 𝐁, el

campo magnético creado por las corrientes, 𝐉, es la densidad de corriente y mide el flujo

de cargas por unidad de tiempo y superficie, 𝜀0, es la permitividad eléctrica producida por

los dieléctricos, y, 𝜇0, permeabilidad magnética característica de los materiales

paramagnéticos.

Capítulo 1 33

Maxwell, para expresar de manera matemática las leyes que rigen el comportamiento de

los campos eléctricos y magnéticos, conocía que cualquier punto del espacio en las

cercanías de la carga eléctrica puede determinarse por el vector de fuerza eléctrica y todo

punto cerca de la corriente eléctrica, por el vector de fuerza magnética. Pero sostuvo que

las corrientes eléctricas no eran las únicas fuentes del campo magnético, sino, como

veremos adelante, justificó además la generación de campos magnéticos por campos

eléctricos variables. Además, una de sus ecuaciones (∇. 𝐁 = 0) establece que no existen

cargas magnéticas (conocidas en la literatura moderna como “monopolos” magnéticos).

Faraday demostró que un circuito de alambre por el cual pasa un flujo magnético variable

genera un campo eléctrico. Pero supuso que un campo eléctrico puede generarse en un

conductor o en el vacío, siendo así confirmó que cerca del flujo variable de las líneas de

inducción aparece la línea cerrada de intensidad eléctrica.

Faraday formuló así las dos primeras leyes referentes al campo eléctrico. Demostró que el

campo eléctrico se genera por cargas eléctricas, y por un campo magnético variable (en

este caso la línea de intensidad eléctrica está cerrada y abarca el flujo magnético

cambiante). Las otras dos leyes hacen referencia al campo magnético que se genera por

las corrientes; siendo la corriente continua fuente del campo magnético y la corriente

alterna forma el campo magnético alterno. ¿Y si no se da un conductor, sino un campo

eléctrico variable que existe en el vacío? ¿Acaso no es lógico suponer que cerca del flujo

variable de líneas de intensidad aparece la línea cerrada de inducción? Entonces el flujo

magnético variable genera un campo eléctrico, y el flujo eléctrico variable origina un campo

magnético.

Así las dos leyes relacionadas con el campo eléctrico se añaden otras dos que atañen al

comportamiento magnético. El campo magnético no tiene fuentes, no hay cargas

magnéticas, lo cual corresponde a la tercera ley y el campo magnético surge por las

corrientes eléctricas y el campo eléctrico variable siendo esta la cuarta ley del

electromagnetismo.

Con las leyes Universales de la naturaleza, Maxwell demostró que las ondas

electromagnéticas de cualquier frecuencia y longitud de onda se propagan en el vacío a la

velocidad de la luz. Esto sería aplicado no solo a ondas de luz visible sino en todas las

ondas del espectro electromagnético. En una onda electromagnética la intensidad del

34 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

campo eléctrico implica la existencia de un flujo magnético variable, eso implica a la vez la

existencia de campo magnético y es posible cuando hay variación del flujo eléctrico.

Maxwell comprendió que los campos eléctrico y magnético variables se crean mutuamente

cuando estos dos campos alcanzan la velocidad de la luz y siempre en estas ondas están

sumergidas las ecuaciones de Maxwell.

1.1.9 Surgimiento de las ondas de radio

Las ondas electromagnéticas, deducidas matemáticamente por Maxwell, fueron

detectadas en el laboratorio experimentalmente veinticinco años más tarde por Hertz, al

generar y detectar ondas electromagnéticas. Basándose en la teoría de Maxwell deducía

que las ondas electromagnéticas producidas por un equipo emisor viajarían por el espacio,

los cuales inducirían una corriente en el arco metálico ubicado a cierta distancia en un

receptor.

Figura 1-12: Diagrama del dispositivo con el que Hertz demostró la existencia de

ondas electromagnéticas12

Este equipo consistía de un circuito eléctrico capaz

de producir tensiones eléctricas oscilantes y una

bobina -generador de chispas- acoplado a dos

esferas metálicas separadas entre sí por una región

de aire, cuando la tensión entre las dos esferas

alcanza su valor máximo, el aire intermedio se

electriza y forma un arco de corriente, este proceso

se repite periódicamente y genera ondas

electromagnéticas que viajan en el espacio, el

circuito oscila a una frecuencia de muchos millones de ciclos por segundo. Para confirmar

estas ondas electromagnéticas, Hertz instala un detector o resonador, el cual consistía en

un alambre doblado en forma de circunferencia con una abertura intermedia, el resonador

produce una fuerza electromotriz la cual genera una chispa en esa abertura en el momento

que se forma un arco eléctrico en el emisor.

12 Smith Alex. Radio Exploration of the Sun. Pag 3

Capítulo 1 35

Además, coloca una lámina como superficie reflectora conformada de una pantalla de zinc

de 4 m x 2 m que le permite estudiar las ondas comprendidas entre el circuito emisor o

vibrador que se encontraba a una distancia de 13 m de la pantalla y a una altura de 2,5 m

del suelo. El resonador lo colocó a la misma altura y lo desplazaba entre el vibrador y la

pantalla; al colocar el resonador a diferentes distancias respecto a la pantalla y apreciar la

intensidad de la chispa que generaba, estableció la existencia de máximos y mínimos. Con

esto midió la longitud de onda aproximadamente de 9,6 m.

En ese momento no se conocía qué clase de material servía como espejo para las ondas

electromagnéticas. Hertz utilizó espejos parabólicos cóncavos de 4 m de altura y 2 m de

apertura donde se concentraba la mayor cantidad de energía electromagnética ubicando

varillas en los focos del emisor y el resonador. De ese modo demostró que las ondas no

pasaban a través de los metales ya que las ondas se encontraban con las placas y se

reflejaban. También encontró que el ángulo de incidencia era igual al ángulo de reflexión,

utilizó también otros materiales como madera, cuerpos de seres humanos, donde no

reflejaba las ondas, sino que las absorbía. Además, experimentó con equipos de

dimensiones más pequeñas las cuales llegaron a generar longitudes de ondas de 60 cm

aproximadamente.

Hertz estableció el carácter de las ondas electromagnéticas, determinó los fenómenos que

a diario percibimos en la radio y la televisión, la interferencia, la perturbación y la

amplificación. Cuando una onda alcanza la antena se recibe la señal, si otra onda

producida por reflexión llega a la antena intenta igualar la frecuencia de la primera onda y

el receptor se amplifica, pero, si la primera intenta igualar la segunda onda, estas se

pierden generando interferencia.

El resonador electromagnético fue un aporte valioso que dejó Federico Hertz a Oliver

Lodge y Alexander Poppov. Oliver Lodge publica un artículo en una revista de París donde

indicó que el cohesor de Èdouard Branly serviría para perfeccionar el funcionamiento del

resonador, siendo una pieza principal para el desarrollo de las ondas de radio este

instrumento.

36 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

1.1.10 Evolución de la radio

Oliver Lodge y Alexander Poppov perfeccionaron el resonador de Hertz, con la ayuda del

cohesor de Branly. A finales del siglo XIX Èdouard Branly diseñó un tubo de vidrio donde

depositó limaduras de hierro en el medio. Estas limaduras eran presionadas en cada

extremo por un conductor el cual era conectado a una pila eléctrica. Si no existía presencia

de ondas electromagnéticas la resistencia de las limaduras era muy elevada lo cual

impedía el paso de la corriente eléctrica desde la pila, pero, si se detectaban esta clase de

ondas la corriente aumentaría haciendo posible el paso de corriente por todo el circuito, lo

cual generaba en estas experiencias el funcionamiento del timbre.

Lodge consiguió detectar ondas de radio hasta una distancia de 40 m por medio de un

circuito formado por un cohesor, una pila y un galvanómetro donde al momento de pasar

la onda de radio se desviaba una aguja. Poppov quería mejorar el equipo logrando que las

limaduras de hierro o acero con las que trabajaba en el cohesor, volvieran a su estado

inicial después de que detectaran las ondas electromagnéticas sin necesidad de sacudir

el cohesor para que las limaduras volvieran a su estado inicial. Lo logró utilizando un tubo

de vidrio de 6 a 8 cm de largo y 1 cm de diámetro. Adentro venían dos laminillas de platino

con una longitud de 8 mm y una distancia de separación de 2 mm. Un extremo de la cinta

salía por la parte terminal de los dos lados del tubo, y era sellado en las dos partes por

piezas de corchos. Realizó las pruebas alejando el receptor del vibrador 50 y 60 m y se

obtenía un resultado efectivo del timbre, pero a los 80 m ya no había respuesta de él.

Figura 1-12: Esquema del cohesor de Èdouard Branly y Alexander Poppov13

Fue así como Poppov vio la necesidad de crear o utilizar un elemento que ya había

manejado Franklin: la antena. Para ello utilizó alambre de cobre, lo conectó al cohesor y el

timbre volvió a vibrar. Además, utilizó el cohesor de Branly para detectar tormentas

13 http://www.librosmaravillosos.com/fisicaparatodos_III/capitulo06.html

Capítulo 1 37

eléctricas, ya que las descargas eléctricas de las nubes originan ondas electromagnéticas

y añadió al sistema receptor un hilo metálico extendido en posición vertical a determinada

altura, con el fin de captar mejor las oscilaciones eléctricas de la atmósfera. El hilo lo

conectó a uno de los extremos del cohesor y el otro extremo estaría a tierra. Al existir una

diferencia de potencial entre la atmósfera y la tierra se generaba una señal antes de la

descarga eléctrica.

En este momento los avances tecnológicos para el inicio y desarrollo de la comunicación

por radio fueron: el oscilador de Hertz, el cohesor de Branly con las mejoras de Poppov y

la antena. Lo anterior dio inicio a la emisión de impulsos eléctricos de mayor duración, por

medio de la llave telegráfica de Morse y el oscilador que transmitía la señal hasta otro

punto con el funcionamiento del cohesor, recibiendo la señal por medio del timbre con la

misma secuencia que fueron emitidas, estas señales eran decodificadas por el receptor el

cual empleaba el código morse, código utilizado anteriormente en la telegrafía con hilos.

1.1.11 Primer circuito sintonizado

Empieza la comunicación radiotelegráfica o comunicación sin hilos TSH, pero, hasta el

momento, el cohesor y el resonador detectaban cualquier clase de señal que fuera emitida

por ondas electromagnéticas, el receptor no tenía la capacidad todavía de seleccionar las

frecuencias que recibía. Siendo necesario el sistema de sintonía con resonantes. Es así

como el inglés Oliver Lodge inventó un equipo de circuitos sintonizados, el cual permite

utilizar un receptor para recibir emisiones con la misma frecuencia. Estos circuitos

sintonizados son fundamentales para la selección de ondas (sintonización) en los equipos

de radio.

En los primeros años de la TSH se introdujo diferentes mejoras técnicas. Una de ellas,

muy importante, es la de los circuitos sintonizados entre los transmisores y receptores,

basados en el uso de bobinas y condensadores. Los circuitos sintonizados permiten filtrar

la frecuencia de transmisión en los transmisores a chispa, ya que éstos generaban

transmisiones en muchas frecuencias armónicas, y en los equipos receptores permitía

seleccionar la onda transmitida y recibida, ya que hasta entonces los receptores eran

"aperiódicos" (no sintonizados) y prácticamente captaban cualquier señal radiotelegráfica

sin importar la clase de frecuencia. Ello permitía en una estación receptora seleccionar las

señales transmitidas por las diferentes estaciones de TSH en función de su frecuencia de

38 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

transmisión, naciendo así el concepto de selección o sintonía de ondas en los equipos

receptores.

Figura 1-13: Circuito sintonizado14

Dos circuitos con la misma longitud y la misma

capacitancia, tendrán la misma frecuencia de

oscilación y estarán sintonizados. Se puede hacer

una réplica de un circuito sintonizado, se construye

una espira y un condensador (L-C), donde su

frecuencia de oscilación depende del coeficiente de

autoinducción y de la capacidad. Un segundo

circuito con las mismas dimensiones que el anterior

y de igual capacidad obtendrá la misma frecuencia de vibración que el primero. Al producir

un arco eléctrico en el primer circuito se van a producir oscilaciones eléctricas de una

determinada frecuencia y al tener el segundo circuito la misma capacitancia y la misma

longitud de la bobina tendrá la misma frecuencia de oscilación y, por tal motivo, genera

resonancia con el primero manifestándose en este caso otro arco eléctrico en el segundo

circuito o luminosidad, dependiendo de la construcción del equipo. Si se modifican las

dimensiones del primero o segundo circuito con la capacitancia o longitud de la bobina, la

frecuencia de vibración es diferente, ambos circuitos no están en resonancia y por tal

motivo no se genera ninguna chispa o luz en el segundo circuito. Hoy en día expresamos

la frecuencia angular (ω) de dichos circuitos usando la inductancia (L) y la capacitancia (C)

en ellos, mediante ω =1

√𝐿𝐶= 2𝜋𝑓, en donde 𝑓 es la frecuencia.

Hasta acá se estudió y trabajó la historia de la electricidad, para llegar a ondas de radio

con el grupo de estudiantes, lo que se hizo fue analizar cada avance y pensamiento

científico para poder utilizar las réplicas adecuadamente y con materiales al alcance de los

estudiantes, con el fin de que los estudiantes tengan un conocimiento más claro y amplio

de las ondas electromagnéticas.

14 http://www.cienciaenaccion.org/es/2014/experimento-295/circuitos-resonantes-de-lodge.html#!prettyPhoto[mixed]/0/

Capítulo 1 39

1.2 Investigación de la luz infrarroja realizada por William Herschel

1.2.1 Estudio de la temperatura y de la capacidad lumínica en cada color del espectro visible.

Investigación de la potencia de los colores prismáticos para calentar e iluminar objetos; con

observaciones, que prueban la diferente Refrangibilidad de calor radiante. Se agrega un

estudio sobre el método para ver el Sol de manera conveniente, con telescopios de grandes

aberturas y gran potencia de aumento (Royal Society of London for Improving Natural

Knowledge, 1800)

Lo anterior es la introducción con sus propias palabras, de la primera parte de la práctica

que realizó William Herschel. El objetivo que perseguía William Herschel era buscar un

método para poder hacer observación del Sol de forma segura. Para esto aborda dos

fenómenos cruciales:

1. Realizó un estudio de cómo se atribuyen las temperaturas en cada color del

espectro visible.

2. Hizo un estudio de la capacidad lumínica de cada color del espectro visible.

Para William Herschel fue importante reconocer que el avance de la ciencia ha estado

enmarcado por cambios de paradigmas. Para el caso, anteriormente se afirmaba que la

cantidad de luz y calor del punto focal de una lente donde se concentran todos los rayos

del Sol sería el mismo, pero Herschel pudo afirmar “que la potencia del calentamiento e

iluminación de los objetos podría no ser igualmente distribuida entre los varios rayos

coloreados” (Hershel, 1800).

Herschel, al realizar diferentes experimentos con cristales para mejorar la observación del

Sol, llega a una afirmación trascendental lo cual es una contribución para la física, ya que

cada color tendrá diferentes temperaturas y unos serán más apropiados para observar que

otros. …Lo que parecía notable era, que cuando usé algunas de ellas, sentí una sensación

de calor, aunque tenía muy poca luz; mientras que otras me dieron mucha luz con escasa

sensación de calor... Herschel afirmó que cada rayo prismático calentaba los cuerpos con

temperaturas diferentes, admitiendo también que cada color era más apropiado para la

observación.

40 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

Figura 1-14: Montaje que realiza William Herschel para el estudio de la temperatura

de los colores del espectro15

“Si ciertos colores son más convenientes para

ocasionar calor, otros podrían, por el contrario, ser

más aptos para la visión, al tener una potencia de

iluminación superior”.

Para llegar a las anteriores conclusiones, comienza

con el estudio de la temperatura y lo hace colocando

termómetros en los diferentes colores del espectro

visible y comparó estos valores con otro termómetro

que medía la temperatura ambiente, realizando el

siguiente montaje.

Fijó una tabla AB la cual era movible, con una abertura un poco más grande que el bulbo

de los termómetros y con una longitud suficiente que permitía la extensión total de uno de

los colores prismáticos, esta tabla estaba montada sobre el soporte CD. Colocó tres

termómetros sobre planos inclinados, los cuales fueron ennegrecidos cada uno de los

bulbos con tinta, el bulbo del termómetro n° 1 era más grande que los otros dos. Por otro

lado, colocó un prisma al lado de una ventana, perpendicular al rayo de luz, el cual podía

ser movible sobre su propio eje; girándolo hasta que el espectro refractado incidiera sobre

una tabla.

Herschel, primero coloca el termómetro de referencia el de bulbo más grande, en los

diferentes colores en que se descomponía la luz blanca del Sol y compara esa temperatura

con las de otros dos termómetros que tenían el tamaño del bulbo parecido y que se

encontraban fuera de los colores en los que se descompone la luz blanca, es decir, estaban

midiendo la temperatura ambiente. Luego utiliza solo dos termómetros, nuevamente el de

bulbo amplio que media la temperatura de los colores con otro termómetro de bulbo más

pequeño el que tomaba la temperatura ambiente y, por último, los dos termómetros con el

15 Herschel W. Philos Trans. Royal Society 1800, pag 282

Capítulo 1 41

tamaño del bulbo parecido. Parece que tenía que estar totalmente seguro de las hipótesis

que tenía en ese momento con las diferencias de temperatura que había registrado.

Estos fueron los registros que obtuvo:

Experimento 1, sobre el termómetro n° 1 incidían los rayos rojos y los otros dos

termómetros eran cubiertos para no permitir que incidieran estos rayos sobre 2 y 3.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

No 1 43

1

2

48 49

1

2 49

3

4

50

No 2 43

1

2 43

1

2 43

1

4 43

1

4 43

1

4

No 3 43

1

4 43

1

2 43

1

4 43

1

4 43

1

4

Realizó una comparación de las temperaturas finales del termómetro donde incidía la luz

roja y los otros dos termómetros, donde notó que existía una diferencia de 63

4 de grados,

entre el termómetro de referencia y los otros dos termómetros donde no está incidiendo

ninguna clase de color del prisma.

Experimento 2: procedió a comparar las temperaturas del termómetro No 1 y el No 2,

percatándose que el termómetro N° 1 obtuviera la temperatura ambiente, para comenzar

nuevamente el registro, ya que había sido el termómetro que había tenido un aumento de

temperatura considerable y consignó los siguientes resultados. Esto lo realizó también en

el rojo.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

No 1 45 48 51 51 51

No 2 45 45 45 44

1

2

44

Concluyó que, a los 10 minutos, los dos termómetros tuvieron una diferencia de 7 grados.

En el lapso de los diez minutos hubo aumento de temperatura en el termómetro N° 1 donde

incidieron los rayos rojos y en el termómetro N° 2 la temperatura fue relativamente

constante, teniendo una disminución en las dos últimas muestras.

Experimento 3. Realiza los procedimientos anteriores, pero cambiando al verde, y obtuvo

estos resultados:

42 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

TERMÓMETRO TEMPERATURA

No 1 43 45

1

2

46 46 46

No 2 43 43 43 42

3

4 42

3

4

Comparó los resultados finales entre los dos termómetros y concluyó que el termómetro

donde incidían los rayos verdes obtuvieron un aumento de 31

4 de grados comparado con

el termómetro donde no incide ningún rayo de la descomposición de la luz blanca.

Experiencia 4: Nuevamente se mide la temperatura con el termómetro N° 1 exponiéndolo

a los rayos violetas y el termómetro N° 2 era protegido de cualquier color de esta

descomposición y registraba la temperatura ambiente. Estos fueron los resultados que

obtuvo:

Comparando las temperaturas finales, había una diferencia de 2 grados.

Los siguientes experimentos los realizó con los termómetros N° 2 y N° 3, para poder hacer

una comparación con los resultados anteriores, ya que ahora el bulbo de los termómetros

es muy similar y en las prácticas anteriores se diferenciaban por el tamaño de los bulbos,

realizó dos practicas con cada color dos con los rayos rojos y dos con los rayos verdes.

Experiencia N° 5, las mediciones se realizaron con los rayos de luz roja, pero como se

mencionó con los termómetros N° 2 y N° 3.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

No 2 44 46 46

1

2 46

1

2

No 3 44 44 43

3

4 43

3

4

Acá el termómetro expuesto al rojo tiene una diferencia de temperatura de 23

4 de grado.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

No 1 44 44 44

3

4

45

No 2 44 44 43

1

2

43

Capítulo 1 43

Experimento 6, realiza nuevamente la práctica anterior

TERMÓMETRO TEMPERATURA

No 2 44 46 46

1

2

47 47

No 3 44 44 43

1

2 43

1

2

43

De acuerdo a esta tabla de datos es de 4 grados la diferencia de temperatura entre los dos

termómetros.

Experimento 7 Ahora con los rayos verdes y los termómetros N° 2 y N° 3.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

No 2 43

1

2 44

1

2 44

1

2

No 3 43

1

2 43

1

2

43

Observando una diferencia de temperatura de 11

2 de grados.

Experimento 8. Continúa las mediciones con rayos verdes.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

No 2 43 44

1

2 44

3

4

No 3 43 42

3

4 42

3

4

Ahora el aumento de los rayos verdes fue de dos grados.

Luego hace un análisis de la muestra de los resultados anteriormente señalados, primero

analiza las 3 primeras experiencias:

Con los resultados de las dos primeras muestras de las temperaturas señaladas con los

rayos rojos de 63

4 grados y 7 grados en el segundo, promedió estos resultados obteniendo

un valor de 67

8 .

44 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

Luego con el valor obtenido del experimento 3 de los rayos verdes de 31

4, se obtiene la

proporción de 55 a 26, “para la potencia del calor de los rojos a los verdes”. Después hizo

la proporción entre la temperatura de los datos promediados del rojo de 67

8 grados y el

violeta de 2 grados con una proporción 55 a 16.

Para terminar, analiza las cuatro últimas experiencias, promediando la diferencia de

temperatura de los rayos rojos de 23

4 y 4 grados con un promedio de 3

3

8 grados, con las

experiencias 7 y 8 de los rayos verdes de 11

2 y 2 grados se obtiene un promedio de 1

3

4.

De esta manera se tiene una proporción de 55 a 22.4.

Por último, promedia los valores de las proporciones del rojo al verde con un resultado de

55 a 24,2 y alrededor de 31

2 a 1, del rojo al violeta.

Herschel concluye que el tamaño del bulbo del termómetro tiene implicaciones en los

resultados, y estas experiencias fueron suficientes para afirmar que la potencia del calor

de los colores prismáticos está muy lejos de ser igualmente dividida, y que los rayos rojos

son principalmente eminentes en ese respecto. De este estudio le surge, la idea de que se

incrementa la temperatura del color azul al color rojo. Al mismo tiempo ´quedan para

Herschel dos interrogantes. ¿Será posible que la temperatura incremente más allá del color

rojo visible y que continúe disminuyendo más allá del azul? Esto lo dejó planteado para

explorarlo más adelante, hasta el momento no había descubierto la luz infrarroja, ni había

comprobado que más allá del azul no era una luz térmica, sino como la llamó Riter: Rayos

químicos.

Experimentos sobre la energía lumínica de los rayos coloreados.

Después de haber estudiado el calor en los diferentes rayos coloreados, Herschel

comienza a hacer la investigación de la capacidad lumínica en el espectro visible. Quería

comprobar si la parte luminosa con los diferentes colores tiene el mismo efecto. El

microscopio fue útil para el desarrollo de estas prácticas, iluminando diferentes objetos con

diferentes colores y texturas, entre estos, objetos opacos, utilizando un rayo prismático

directo y trabajando con cada uno de los colores del espectro visible. Estas fueron las

prácticas que realizó para el estudio de la capacidad lumínica.

Capítulo 1 45

Experimento 1. Puso un objeto para observar por medio del microscopio y fijó un prisma

para que cayeran sucesivamente los rayos sobre el objeto, con una imagen de 27

aumentos.

Reconoce que, para observar el objeto, con cada color tiene que ajustar el instrumento.

Deduce que la diferente refrangibilidad o refracción de los rayos afecta la longitud focal de

los vidrios. Observó el objeto con cada uno de los colores; afirma que con el rojo el objeto

fue bien visto, mejor en el naranja, mucho mejor con el amarillo y totalmente bien con el

verde; pero menos ventaja con el azul, indiferente en el índigo y con más imperfección con

el violeta.

Para poder obtener resultados más confiados, realizó diferentes prácticas con distintos

materiales; papel rojo, verde, pedazo de latón, un clavo, una moneda y papel negro,

trabajando con 42 veces de aumento. Las apreciaciones para cada objeto fueron las

siguientes.

El clavo afirmaba en su artículo que lo había escogido por su solidez y grado de oscuridad,

ya que pensaba que iba a ser apto para dar un resultado imparcial, en las modificaciones

que se darían con la iluminación de los diferentes rayos coloreados. Al observar este objeto

afirmó…es la vista de una constelación brillante de miles de puntos luminosos, dispersos

sobre su extensión total…Su luz era la del color de la iluminación, pero diferenciada

considerablemente en brillo; algunos de los puntos son oscuros y débiles, mientras que

otros eran luminosos y brillantes. Esta misma conclusión sacó para otros materiales que

había observado como el cobre, estaño y plata.

La observación de cada material, con los diferentes rayos coloreados producidos por la

descomposición de la luz blanca, fue así:

Experimento 2 Papel rojo

Observó el papel rojo con los rayos rojos, observó un punto brillante cerca de un punto

negro; detalló que en el espacio entre el punto y la mancha contenían varios puntos

débiles. Luego el papel rojo con los rayos anaranjados percibió que la brillantez era mayor

ahora; con los rayos amarillos observó el objeto mejor; con los verdes mucho mejor que

todos los anteriores; con los azules lo observó, pero no tan perfecto y con el violeta muy

imperfecto.

46 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

Experimento 3 Papel verde

Realizó el mismo procedimiento para el papel verde con cada uno de los colores

producidos por la descomposición de la luz del prisma. Con los siguientes resultados: el

rojo observa muchos puntos débiles en el espacio entre dos puntos muy brillantes, con el

anaranjado observa esos puntos débiles mejores, con el amarillo mejora la nitidez, con el

verde la observación es mucho mejor que los anteriores. Pero desde el azul menos

brillante, índigo nada bien y el violeta malo.

Experimento 4 Con un pedazo de latón

Con el rojo observa puntos débiles entre dos puntos brillantes. El color amarillo produjo

que la mezcla con los rayos rojos se observara el objeto de color naranja. Con el rayo

naranja observa mejor el objeto, con el amarillo observa mejor el objeto y con el verde la

observación es muy buena. Desde el color azul hasta el violeta la observación va

desmejorando.

Experimento 5 Un clavo

Con el rayo rojo observa dos puntos brillantes y algunos débiles, luego en las

observaciones desde el naranja, luego el amarillo y el verde van mejorando la observación,

y del azul, pasando por el índigo hasta el violeta es menos brillante la observación del

objeto.

Experimento 6. Una Guinea (moneda), ajustó el lugar del objeto donde incidían los rayos

para que no afectara la observación con la sombra de la moneda.

Con el rayo rojo observó cuatro puntos notables, con el color naranja mejoró la iluminación,

con los rayos amarillos estaba mejor iluminado y todos los puntos sobre el campo visual

se colorean; algo verde, algo rojo, algo amarillo, algo naranja y algo blanco rodeado con

negro sobre ellos. Entre el amarillo y el verde se encuentra el máximo de iluminación,

extremadamente claro. Y el azul, índigo y violeta va perdiendo la iluminación, viéndose en

el violeta solo la totalidad.

Experimento 7 Papel negro

Con el rojo el objeto fue apenas visible, pudo ver solamente algunos puntos débiles, con

el anaranjado vio puntos brillantes y muchos débiles, con el amarillo puntos débiles,

Capítulo 1 47

brillantes y pequeños. Entre el amarillo y el verde estaba el máximo de la iluminación. El

azul no tan iluminado, pero se observó mejor que con los rojos y el índigo al violeta

totalmente invisible.

Después de estos experimentos concluyó que los rayos amarillos y verde claro poseen el

máximo de iluminación. El rojo, el verde oscuro, el azul, el índigo la energía de iluminación

va disminuyendo hasta llegar a ser muy deficiente en los rayos violeta.

Concluyó que los experimentos relacionados al calor y las energías de iluminación de los

rayos diferentes coloreados pueden tener cierta inexactitud, por no tener una separación

completa de los colores.

Debido a las observaciones realizadas en las prácticas, a Herschel le surge un

interrogante” ¿No pueden las propiedades químicas de los colores prismáticos ser tan

diferentes como las que se relacionan para la luz y para el calor? Llegó a la conclusión que

la energía del calor, se aloja principalmente en los rayos rojos y que los colores prismáticos

donde se puede tener un mayor aprovechamiento para la luz es en el amarillo y el verde

claro. También las propiedades químicas de la luz hacen que los cuerpos puedan ser

afectados por la absorción y conservación de la luz o la transmisión y reflexión de la luz,

de los diversos colores de los cuales se compone.

El calor radiante tiene diferente refrangibilidad

Herschel determinó que tanto el calor como la luz producidos por el prisma, no solo

cumplen la propiedad de la refracción, sino la de dispersión. El prisma refracta el calor

radiante, en diferentes niveles separando desde el más eficaz al menos eficaz.

Surgió este otro interrogante para Herschel: ¿El calor radiante consiste en partículas de

luz de cierta gama de impulsos y esta gama puede extenderse un poco más lejos, en cada

lado de refrangibilidad que la de la luz? La observación y medición del calor y la luz de los

rayos del espectro prismático dieron cuenta que el máximo de la iluminación tiene un poco

más que la mitad del calor de los rayos rojos; y en otros experimentos aclaró que en el rojo

hay un máximo del calor; el cual se ubica incluso un poco más allá de la refracción visible,

siendo así que rayos del Sol formen impulsos no apropiados para la visión. Admite que los

órganos de la vista están adaptados solamente para recibir impresiones de partículas de

cierto impulso, concluyó que el máximo de la iluminación está en medio de los rayos

48 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

refrangibles, los que tengan mayor o menor impulso no serán igualmente aptos para la

visión.

El objetivo de Herschel al iniciar estas prácticas era encontrar la mejor manera para

observar el Sol de una forma segura; investigó como disminuir la temperatura en los rayos

que inciden en los ojos y como aumentar la luz. Y se da cuenta que, para este fin, los filtros

verdes son apropiados para aumentar la luz y bajar la temperatura. Como ya se mencionó

en las conclusiones del primer estudio, quedó planteado para Herschel la necesidad de

explorar más allá del rojo y analizar que pasaba más allá del azul y es esto lo que se

analizará a continuación.

1.2.2 Descubrimiento de la luz infrarroja.

Experimentos sobre la Refrangibilidad de los Rayos invisibles del Sol16

Reconoce que de acuerdo a los experimentos anteriores puede concluir que la gama de

Refrangibilidad es mas extensa que los colores prismáticos y para comprobarlo realiza las

siguientes experiencias. Realizó el montaje de la figura.

Figura 1-15: Montaje para medir la

temperatura de los colores prismáticos y de

los no visibles17

Cubrió un pequeño soporte con papel blanco y

en este papel trazó cinco líneas paralelas a un

extremo del soporte, la columna que se formaba

con estas líneas era de una longitud de media

pulgada y la primera línea con una separación

de ¼ de pulgada del borde del soporte, donde

terminaba el color rojo, el espectro visible. A

estas líneas les trazó tres líneas perpendiculares

formando así tres columnas. La primera

columna comprendía la proyección del espectro

16 Phil. Trans. Abril 24 de 1800, pag 284. 17 Phil. Trans. Abril 24 de 1800, pag 288

Capítulo 1 49

visible, ahí ubicó el primer termómetro; y en las otras dos columnas se colocaron los

termómetros de referencia.

En esta segunda práctica, mejoró las condiciones del espacio de trabajo, colocó cortinas

verdes oscuras y gruesas para absorber la mayor cantidad de luz, ubicó el prisma en una

abertura de la cortina. Utilizó dos termómetros de referencia los cuales tomaron la

temperatura ambiente.

Comenzó directamente midiendo la temperatura del espacio no visible, hizo que el color

rojo refractado por el prisma cayera en el borde del papel antes del termómetro número 1

y los termómetros 2 y 3 como ya se mencionó estuvieran ubicados fuera de la proyección

del espacio del espectro visible. Se obtuvo los siguientes valores.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

N° 1 45 49 51 50 1

4

N°2 45 45 44 3

4 43

3

4

N°3 44 44 44 43 1

2

Estos datos indicaban que el termómetro número 1 aumentó 6𝟓

𝟖 de grado, en 10 minutos,

en este momento se había colocado ½ pulgada más allá de la luz visible.

Para confirmar estos resultados, primero enfrió el termómetro 1, en cada práctica después

de tomar los datos separaba el termómetro de ese espacio para que bajara a temperatura

ambiente. En este caso cambio la posición de los termómetros: El n° 2 lo ubicó en el n° 1,

el n°3 en el lugar del n°2 y el n°1 en el 3, lo colocó de nuevo en la segunda línea y obtuvo

estos resultados:

TERMÓMETRO TEMPERATURA

N°2 44 47 46 3

4 46

3

4

N°3 44 44 44 44

N°1 45 45 45 45

Encontró entre el termómetro n°2 con 3 y 1 una diferencia de temperatura de 2𝟑

𝟒 grados de

aumento, cuando el n° 1 mostró 6𝟓

𝟖 de grado, como se mostró antes.

50 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

Demostraba hasta el momento que había una refracción de los rayos que venían del Sol,

que, aunque no se encontraban dentro de lo visible, ocasionaban una potencia de calor.

Luego procedía a colocar los termómetros en la tercera línea colocándolos con el orden

de la primera práctica.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

N°1 46 50 51 3

4 52

1

4

N°2 46 46 1

2 46

3

4 47

N°3 46 3

4 46 46

1

4 46

3

4

Aquí aumentó el termómetro 1, 5 1

4 grados, en 13 minutos, una pulgada después de la luz

visible de los rayos rojos. Después colocó los termómetros en la cuarta línea, con el mismo

orden de los termómetros, y obtuvo estos resultados:

TERMÓMETRO TEMPERATURA

N°1 48 1

4 51

1

2

N°2 48 1

4 48

3

8

N°3 47 3

4 47

7

8

En este momento el termómetro 1 aumentó 3 1

8 de grados en 10 minutos, a pulgada y media

más allá de la luz visible de los rayos rojos. Herschel notó que después del color rojo del

espectro visible empieza a aumentar la temperatura, llegando a un valor máximo y luego

comienza a decrecer.

De acuerdo a lo que describe en el artículo, quería continuar en la quinta línea, pero la

época del año había estado muy variada para esos días. Así que procedió a tomar las

temperaturas al otro lado del espectro, después del violeta, manifestó que estos rayos eran

tan débiles que no podía tener una terminación exacta de esta luz. Sin embargo, colocó

los termómetros más o menos una pulgada después del violeta, con estos resultados.

Capítulo 1 51

TERMÓMETROS TEMPERATURA

N°1 48 48 48 48 1

2 48

N°2 48 48 47 1

2 47

1

2 48

N°3 47 3

4 47

3

4 47 47 47

3

4

El tiempo de exposición fue de doce minutos, utilizó el 1 y 2 en la parte de temperatura

ambiente y el 3 como termómetro estándar. Las pequeñas diferencias de temperatura las

atribuyó a condiciones del medio, entre esas el aire.

En seguida coloca los termómetros 1 y 2 en la primera línea del violeta y el 3 era el

termómetro estándar, consiguió estas temperaturas:

TERMÓMETRO TEMPERATURA

N°1 48 48 1

2 48

3

4 49

N°2 48 48 48 1

2 48

1

2

N°3 47 3

4 47

3

4 47

3

4 47

3

4

Los termómetros 1 y 2 que se encontraban sobre la primera línea del violeta aumentaron

de temperatura a los 15 minutos, el termómetro 1 un grado y el termómetro 2 medio grado.

Confirmó que no había más rayos después del violeta que dependieran de la parte lumínica

o del calor, concluyó que ambas energías se encontraban juntas dentro del espectro

prismático, desde el violeta hasta el rojo.

Al comprobar que después del azul no hay un cambio de la temperatura ambiente, está

interesado por indagar cual es el punto máximo del calor. Comenzó a tomar las medidas

de temperatura desde el rojo. Utilizó el termómetro 1 colocando el bulbo en el rojo y los

otros fuera del espacio del espectro para tomar las temperaturas de la habitación.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

N°1 48 1

2 55

1

2 55

1

2 55

1

2

N°2 48 1

2 48

1

2 48

1

2 48

1

2

N°3 48 48 48 48

52 Acercamiento histórico y fundamentación epistemológica

El termómetro que se encontraba expuesto al rojo aumento en 7 grados.

Continuó con el mismo termómetro que midió el rojo, con la mitad del bulbo dentro del rojo

y la otra mitad afuera.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

N°1 48 1

2 55

1

2 56

1

2 57

N°2 48 1

2 48

1

2 48

1

2 49

N°3 48 48 48 48 1

2

Después de diez minutos aumenta 8 grados. Ahora no le pareció importante llevar el

termómetro 1 a la temperatura ambiente, continuó midiendo la temperatura y colocó el

bulbo totalmente fuera del rojo.

TERMÓMETRO TEMPERATURA

N°1 57 58 1

2 59 59

N°2 49 49 3

4 50

1

4 50

N°3 48 1

2 49 49

3

4 49

1

2

Ahora el termómetro n°1 estaba 9 grados por encima de los termómetros estándar

Herschel concluyó que los rayos que no son visibles tienen un gran poder de calor de los

cuerpos, pero tienen un ángulo de refracción refrangibilidad cada vez menor al aumentar

su temperatura. Los experimentos permitieron deducir que la temperatura de los rayos no

visibles después del rojo iba aumentando, hasta una distancia de media pulgada llegaron

a un máximo de temperatura y luego comenzaba a declinar dicha temperatura, también se

puede concluir que la temperatura después del azul no varía.

2. Propuesta didáctica.

La propuesta didáctica que se diseñó para los estudiantes tiene como finalidad la

comprensión de los rayos infrarrojos. Con tal fin se utilizaron las prácticas que realizó el

científico William Herschel. Se inicia con actividades que desarrollaron grandes científicos

a través de la historia concernientes a la electricidad desde Tales de Mileto hasta llegar

a las Ondas de radio, lo cual se espera generar una comprensión de las Ondas

Electromagnéticas en un grupo de estudiantes de grado sexto hasta grado noveno que

conforman el club de Astronomía ASTROBRAUS, siendo pertinente el estudio y

comprensión de esta clase de ondas, antes de trabajar el tema central, ya que la luz

infrarroja se encuentra inmersa dentro de las ondas electromagnéticas.

Se tiene presente en estas actividades los preconceptos de los estudiantes, la acción a

desarrollar, la reflexión y aplicación. Cada actividad está organizada con antelación, la cual

incluye el tema a desarrollar, los objetivos planteados, los materiales necesarios para las

practicas, preguntas generadoras para conocer las ideas previas de los estudiantes y

preguntas adecuadas en el desarrollo de la actividad que permitan llegar a los objetivos

planteados. Por tal motivo ninguno de estos talleres está en forma de guía escrita, ya que

es un diálogo que se va generando con los estudiantes. Después de estas clases se hace

un resumen del desarrollo de las actividades.

Estructura de las actividades

Cada guía contiene los preconceptos, objetivos, materiales, tiempo de ejecución,

preguntas orientadoras que generan hipótesis y cuestionamientos en cada estudiante lo

cual produce conclusiones y metas definidas plasmadas en los objetivos. Los temas a

desarrollar son electricidad, ondas electromagnéticas y luz infrarroja. La secuencia de

actividades que se van a proponer en este trabajo han sido realizada con base en lo

mencionado anteriormente, en las prácticas que desarrollaron en la antigüedad Tales de

Mileto, y en los siglos XVII-XVIII, Gilbert, Du Fay, Von Guericke, Èdouard Branly, Oliver

Lodge y William Herschel.

54 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

2.1 Objetivo general

Diseñar una estrategia didáctica para la enseñanza de la radiación infrarroja a partir de los

experimentos de William Herschel, a estudiantes de educación básica y media del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme.

2.2 Objetivos específicos

2.2.1 Identificar los saberes previos de los estudiantes referentes a la radiación

electromagnética.

2.2.2 Establecer los elementos y la estructura de la estrategia didáctica.

2.2.3 Construir material didáctico para el desarrollo de las diferentes actividades, que le

permitan obtener un aprendizaje significativo de la luz infrarroja.

2.2.4 Validar la estrategia con los estudiantes.

2.2.5 Evaluar la ejecución de las actividades en el estudio de la luz infrarroja del colegio Brasilia

2.3 Fases de la propuesta

El trabajo que se plantea, pretende que los estudiantes comprendan la existencia de la luz

infrarroja, su utilidad y características. Por medio de las prácticas del estudio de la

electricidad hasta la detección de ondas de radio, se incluye el concepto de ondas

electromagnéticas, para llegar al eje central del trabajo: la luz Infrarroja. En todas las

actividades se tiene en cuenta las etapas a realizar:

Saberes previos

Acción

Validación.

Conclusiones

Capítulo (2) 55

Este trabajo se dividió en dos fases generales a saber:

Fase 1: Ideas previas

Fase 2: Experiencias de electricidad y Ondas de radio

Fase 3: Estudio de la luz infrarroja

2.3.1 Fase 1. Ideas previas

En cada actividad se pretende analizar los conceptos que los estudiantes tienen acerca de

la radiación electromagnética, puntualmente de las ondas de radio y luz infrarroja. La

secuencia de actividades que se propuso fue para acercarnos a los conceptos utilizando

las réplicas de los descubrimientos que hicieron grandes científicos a través de la historia.

2.3.2 Fase 2. Espectro electromagnético. Electricidad y Ondas de Radio.

Se vio la necesidad en los estudiantes de abordar experimentalmente las ondas

electromagnéticas, específicamente, ondas de radio. Se hizo primero un desarrollo de

ciertos experimentos cruciales de electricidad hasta llegar a ondas de radio con los

experimentos de Èdouard Branly y Oliver Lodge. Teniendo de esta manera mayor

comprensión de ondas electromagnéticas sin involucrar un simbolismo matemático. A

continuación, se muestra cada práctica, se desarrolla la validación al describir cada una, y

la evaluación de las prácticas se puede analizar con las ideas previas y las conclusiones

al finalizar cada actividad.

2.3.3 Fase 3 Estudio de la Luz Infrarroja

Para esta fase se desarrolla primero la construcción de la meridiana que tiene como

objetivo instalar los equipos necesarios para el estudio de la luz infrarroja y luego dos

actividades donde se realiza un análisis de esta clase de radiación electromagnética.

56 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Tipo de situación didáctica: Preconceptos

Objetivo general: Comprender que la electricidad es una clase de Fuerza que se

produce al frotar unos cuerpos.

Tiempo de ejecución: Una sesión

Concepto: Electricidad

Materiales: Ámbar, piel de conejo, objetos livianos, papeles pequeños, plumas,

polvos.

Desarrollo de la actividad:

La actividad se desarrolla en forma grupal, se trabajan cinco grupos, donde

discuten la pregunta. ¿Qué es la electricidad? Describen lo que observan, realizan

las hipótesis la reflexión y las conclusiones.

1. Preconceptos: Antes de comenzar la actividad se indaga a los estudiantes.

¿Qué es la electricidad?

Las respuestas que contestaron la mayoría de estudiantes fueron: “es lo

que llevan los cables y prenden bombillos”. “Algo que prende la televisión”.

2. Procedimiento:

Se les enseña a los estudiantes la piedra del ámbar que utilizaba en la

antigüedad el señor Tales de Mileto.

Piedras fosiles de ámbar

Previamente se cortan trozos de papeles muy livianos, se frota el ámbar con

la piel de conejo y se acerca a lo papeles pequeños.

El ámbar atrae a los papeles pequeños y se indaga a los estudiantes

¿Qué hace el ambar con los papeles?

ACTIVIDAD # 1 ¿QUE ES LA ELECTRICIDAD?

Con las experiencias de Tales de Mileto.

Capítulo (2) 57

Teniendo como respuesta dentro de los grupos:

Los jalan

Los atraen

Es una fuerza que los jala.

Al llegar al término fuerza, se les dice a los estudiantes que la electricidad es una clase de

fuerza que obtienen los cuerpos al ser frotados y que esta resina fosil fue la que utilizó el

filosofo griego Tales de Mileto, remontando a los estudiantes muchos siglos atras, en

donde se originó el estudio de la electricidad. Se les dice que la electricidad (del griego

elektron cuyo significado es ámbar), tiene relación con la piedra fosilisada con que cada

grupo trabajó. Al tratar el término fuerza se recalca que en la antigüedad existía para la

humanidad en ese momento tres clases de fuerza, que son: la fuerza eléctrica que fue lo

que se trabajó en el taller con el ámbar, la fuerza magnética se les mostró la magnetita,

una piedra natural que atrae ciertos objetos, y la fuerza de gravedad lanzando varios

objetos en caida libre.

58 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Existen algunos ejemplos para la citación bibliográfica, por ejemplo, Microsoft Word

Tipo de situación didáctica: Preconceptos, construcción, aplicación.

Objetivo general: Demostrar que el ámbar no solo atrae pequeños trozos de papel

sino otras sustancias.

Tiempo de ejecución: Una sesión

Concepto: fuerza de atracción

Materiales: Ámbar, limaduras de hierro, polvos, tierra.

Desarrollo de la actividad: Los estudiantes trabajan en grupo, discuten primero la

pregunta que se les propone y luego participa un líder por grupo para exponer lo

que plantean. Posteriormente se desarrolla la actividad y se sacan conclusiones.

1. Preconceptos.

La pregunta orientadora que se hizo fue. ¿Si se frota el ámbar con una piel, se

atraerán limaduras de cualquier metal, tierra, polvos u otras clases de cuerpos

livianos?

De esta pregunta sus respuestas fueron:

Atraen toda clase de cuerpos, pero tienen que ser livianos

Atraen cuerpos livianos, menos los metales por más que sean livianos

2. Procedimiento

Se hace una de las prácticas que realizó William Gilbert, para comprobar que

el ámbar poseía la propiedad de atraer varías clases de materiales. Se tienen

varias sustancias, tierra, polvos, finas limaduras de cobre. Se frota el ámbar y

se acerca a cada una de las sustancias y se percibe que estos cuerpos livianos

son atraídos por el ámbar.

Se llega a la conclusión en conjunto que el ámbar tiene la propiedad de atraer

varia clase de cuerpos con la característica que sean cuerpos livianos.

Actividad #2 ¿Si se frota el ámbar con una piel puede atraer cualquier

cuerpo liviano? Utilizando experiencias de William Gilbert

Capítulo (2) 59

Tipo de situación didáctica: Preconceptos y aplicación.

Objetivo: Demostrar que la propiedad eléctrica de atracción no es exclusiva del

ámbar, que todos los cuerpos poseen electricidad.

Tiempo de ejecución: Una sesión

Materiales: Ámbar, tubo de PVC, cuarzo, resorte, cable conductor, botella con

orificio.

Desarrollo de la actividad.

El trabajo siempre se desarrolla en grupo. Pero se le da la oportunidad a cada

estudiante de ser líder en su momento, con el propósito del respeto y la

participación de todos. Se hace la pregunta orientadora ¿El ámbar es el único

material que produce electricidad, el único que atrae los cuerpos cuando se frota?

Se escucha al estudiante que representa a cada grupo de trabajo. Se realiza la

actividad y se realizan conclusiones.

1. Preconceptos. La pregunta orientadora es ¿El ámbar es el único material que

produce electricidad, el único que atrae los cuerpos cuando se frota? Las

respuestas de los estudiantes fueron:

No, hay otros materiales de atracción como la regla con los papeles o el

cabello.

Otro grupo manifestó que el mismo cuerpo humano cuando se frota con

otra tela queda electrizado.

Otros decían que las bombas de caucho atraen otra clase de cuerpos.

De estas respuestas se puede concluir que hay una diferencia notoria entre el

pensamiento de los estudiantes actualmente con lo que pensaban los

representantes del estudio de la electricidad desde la antigüedad hasta el

renacimiento, ya que por varios siglos se pensó que el ámbar era la única

sustancia que poseía esta propiedad, como se puede demostrar en las

referencias históricas que se consultaron en este trabajo.

2. Procedimiento

El tubo de PVC se frota y se acerca a un chorro sutil de agua el cual es generado

por un orificio de una botella donde hay depositado agua. Los estudiantes

Actividad # 3 ¿Esta fuerza de atracción (la electricidad) la poseen otra clase

de cuerpos diferentes al ámbar? William Gilbert y Fran Ç Du Fay

60 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

observan como el agua es atraído por el tubo de PVC después de haber sido

frotado. Se pregunta a los estudiantes de qué material está elaborado el PVC,

a lo cual tenían mucha duda. Un grupo de estudiantes decía que del plástico;

la siguiente pregunta fue ¿y el plástico, de dónde viene? En el momento no

conocían. Se les nombró el petróleo. ¿Desde cuándo hay explotación de

petróleo? ¿Desde la antigüedad? Para llevarlos a la respuesta que los

estudiantes mismos habían dicho correctamente no sólo el ámbar atrae otros

objetos como se llegó a pensar durante muchos años.

Además de la electricidad por frotamiento Se les enseña a los estudiantes tres

clases de minerales, el cuarzo, la turmalina y la magnetita; diciéndoles que

estos minerales pueden generar electricidad.

Minerales de cuarzo, turmalina y magnetita

1. El piezoeléctrico genera energía mecánica en energía eléctrica al presionar

una parte del resorte en el cuarzo o en la turmalina electricidad por

presión; en el desarrollo de las actividades ha sido importante el trabajo

histórico y por este motivo en cada práctica se nombra la época a la que

hace referencia y con los personajes representativos que desarrollaron la

práctica, en este caso los Curie.

Arco eléctrico generado por presión sobre el

cuarzo

Los estudiantes observan el arco eléctrico que se genera en el momento que el resorte realiza presión sobre el cuarzo y aprenden el principio de la piezoelectricidad

Explicación de un Piezoeléctrico

Capítulo (2) 61

.

Tipo de situación didáctica: Preconceptos, construcción y aplicación

Objetivos:

1. Construir el versorium, primer electroscopio, tomando como referencia la

construcción que realizó William Gilbert.

2. Detección de cuerpos cargados con distintos materiales

Tiempo de ejecución: Una sesión

Materiales:

Palos de balso

Imanes

Tubos de pasta y de vidrio

Tornillo de bicicleta

Láminas de metal

Materiales para la construcción del versorium

Procedimiento

Se lleva un versorium con los diferentes

materiales y se les muestra a los estudiantes

su fácil construcción. Uno de los objetivos en el

desarrollo de todas las prácticas es que cada

estudiante construya su propio equipo de

trabajo.

Versorium Elaborado por los estudiantes

Actividad #4: ¿Qué es un electroscopio? W Gilbert

62 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Tipo de situacion didáctica Preconceptos, utilización del versorium, aplicación.

Objetivos. Reconocer que hay dos tipos de fuerza de atracción y repulsión de

acuerdo a los materiales.

Tiempo de ejecución: Una sesión

Materiales:

Versorium

Tubo de resina

Tubo de vidrio

Procedimiento

Se les pregunta a los estudiantes ¿Cuántos tipos de electricidad existen? Un grupo

de estudiante respondió que hay electricidad positiva y electricidad negativa, otro

grupo decía que solo hay electricidad negativa. Pero ninguno de los dos grupos

explicaba el por qué, simplemente lo nombraron.

Luego se hace el montaje del versorium y se inicia con un tubo de material resinoso

sobre el eje. En seguida se carga un tubo tambien resinoso y se acerca al

versorium. Se observa que el tubo rechaza el versorium.

Posteriormente se acerca un tubo de vidrio al versorium que porta sobre su eje

resina y se observa como el tubo de vidrio atrae al tubo de resina del versorium.

Prácticas realizadas por los estudiantes

Los estudiantes deducen que, si son del mismo material los que intervienen, se rechazan

y que si son de diferente material son atraídos. Como se mencionó anteriormente se tuvo

en cuenta el pensamiento de grandes mentes entre estas la del científico Du Fay se les

relata que este científico realizó esta experiencia y concluía que la electricidad se

Actividad #5 ¿Cuántos tipos de electricidad existen? Du Fay

Capítulo (2) 63

conformaba por dos tipos de fluidos, la electricidad vítrea y la electricidad resinosa. Se les

aclara a los estudiantes que, aunque esta deducción es errónea fue una aproximación

sobre las cargas eléctricas. Queda el cuestionamiento nuevamente si la electricidad tiene

dos fluidos o un solo fluido.

64 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Tipo de situación didáctica Preconceptos, hipotesis, construcción, aplicación y

conclusiones

Objetivos. Reconocer que si dos cuerpos estan cargados con la misma carga se

repelen.

Tiempo de ejecucion: Una sesión

Materiales:

Tubo de pvc

Metal

Paño o medias veladas

Cuerpos livianos

Procedimiento

Se cuestiona a los estudiantes: ¿Qué sucede cuando se acerca un cuerpo ligero a

un objeto que está cargado por frotamiento? Todos decían que el cuerpo queda

cargado, algunos decían que se escucha una “chispa”.

Se construye un equipo para esta actividad, haciendo replica a una de las prácticas

que realizó Von Guericke.

Práctica de Von Guericke

Actividad #6 ¿Qué pasa cuando se acerca un cuerpo ligero a un cuerpo que

está cargado? Von Guericke

Capítulo (2) 65

Práctica realizada por los estudiantes en el salón de clases tomando como

referente las prácticas de Von Guericke

Se frota el tubo de PVC quedando de esta forma cargado, luego se acerca un

cuerpo liviano (mota) queda un corto tiempo atraído y luego es rechazado, se puede

“jugar” con este efecto por largo tiempo como si estuviera flotando en el aire.

Actividad desarrollada la IX Fería de Semilleros de Astronomía Planetario Distrital

Conclusiones

Los estudiantes concluyen que el cuerpo liviano se carga con las cargas del tubo

por frotación y por eso están ahí durante cierto tiempo; luego, al quedar con la

misma carga, se repelen.

66 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Luego se toca el objeto liviano y vuelve a caer. Se realiza una segunda pregunta a

los estudiantes. ¿Por qué el cuerpo después de tener contacto con otro objeto,

puede ser por una misma persona, vuelve a caer o a perder el rechazo del metal

que está incorporado al tubo?

Un porcentaje alto afirmó que perdía la carga el cuerpo liviano; otros que se gastaba

la carga con el tiempo y otros estudiantes decían que estas cargas pasaban a la

persona que había tenido contacto con él.

En esta práctica varios estudiantes concluyen correctamente que un cuerpo se

puede cargar por frotación, posiblemente afirman esto porque ya se ha realizado

en varias prácticas, además que el cuerpo liviano se carga, con la misma clase de

carga que el otro cuerpo y al estar con las mismas cargas es rechazado y un

pequeño grupo hace una afirmación correcta sobre la conservación de las cargas

y es que esas cargas se transfieren a la persona y hasta pueden ir a tierra, pero

que no se pierden.

Capítulo (2) 67

Tipo de situación didáctica Construcción, aplicación y conclusiones

Objetivos. Descubrir que se puede construir materiales que guarden grandes

cantidades de electricidad

Tiempo de ejecución: Dos sesiones

Materiales:

Vasos de plástico

Láminas de metal

Frascos de plastico

Cartulina negra

Papel aluminio

Cable

Tubo de PVC

Piel de conejo o paño

Tornillos

Procedimiento

Se entrega a los grupos tres vasos plásticos, un molde de cartulina para hacer el

diseño con el papel aluminio que servirá de recubrimiento con los vasos colocando

el papel aluminio intercalado y se distribuyen las láminas en paralelo.

Actividad #7 Como un cuerpo es capaz de guardar grandes cantidades de

electricidad. Botella de Leyden

68 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

A continuación se carga la botella de Leyden, se conecta a tierra la botella y se

carga por medio de frotar el tubo de PVC con alguna tela, o también se carga con

un generador, lo ideal fue diseñarlo con materiales que los estudiantes puedan

conseguir con facilidad.

Fue importante colocar la botella sobre un aislante ya que no se cargaría. Esto

implicó que los estudiantes se cuestionaran ¿Por qué en ciertas situaciones se

cargaba la botella generando unas descargas que sentían por su cuerpo y que en

cierta medida fue maravilloso para elllos? Y en otros momentos ¿Por qué la botella

no se cargaba?

No solucionaron estas preguntas en la misma clase, llevaron este interrogante para

sus casas.

Capítulo (2) 69

En el siguiente encuentro elaboraron mejor la botella de Leyden, se realizaron

nuevamente diferentes pruebas, los estudiantes quedaron muy inquietos con este

fenómeno.

Conclusiones

La mayoria de estudiantes afirmaban que era por las condiciones atmosfericas, se

les recalcó que la actividad se había desarrollado simultáneamente, entonces no

podría ser el motivo.

Otros estudiantes decían que las botellas no estaban bien construidas. Pero se

probó nuevamente sobre el aislante donde no se cargó y a tierra donde sí se

cargaba con facilidad.

Al terminar la clase, la hipótesis de un estudiante de octavo grado fue que no se

podía cargar porque se encontraba sobre un aislante y el estudiante que sosteía la

botella podia representar la comunicación a tierra. Entonces las cargas que salían

permitían que entraran cargas a la botella y así, de esta manera, la botella se

cargaba.

Esto fue algo importante porque llego a uno de los principios descubiertos por

Franklin: la conservacion de las cargas.

70 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Algo interesante que se trabajó con los estudiantes fue la importancia de la antena.

Se discutía en las clases que toda la materia está conformado de átomos, de

electricidad. El aire, así no lo pudieramos observar, tiene átomos, hay electricidad,

pero la antena participa en un principio Universal la Acción Mínima, porque es mas

fácil que los electrones se desplacen por un material conductor que por el aire que

es menos conductor.

Exposición IX Feria de Astronomia Planetario de Bogotá 2015

Capítulo (2) 71

Tipo de situacion didáctica Preconceptos, construcción del cohesor de Branly y

aplicación.

Objetivos. Identificar ondas electromagnéticas (ondas de radio) por medio de la

botella de Leyden y el cohesor de Branly.

Tiempo de ejecucion: Tres sesiones.

Materiales:

Cobre, hierro

Tubos delgados

Led

Pilas de 1,5 V

Base de madera

Cables

Botella de Leyden

Caimanes

Procedimiento

1. Se construye el cohesor de Branly. Esto es importante en la fabricación de

materiales ya que se apropian de sus equipos y conciben la construcción de

ellos como algo posible. Primero los estudiantes obtienen finas limaduras de

cobre y de hierr.o

Obtención de limaduras de hierro y cobre realizado por los estudiantes

Actividad #8 ¿La Botella de Leyden puede transmitir Ondas de Radio?

Construcción cohesor de Èdouard Branly

72 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Desarrollo de la construcción del cohesor de Branly

Después de tener las limaduras se introducen en un pequeño tubo aislante con dos

terminales preferiblemente de cobre los cuales no tienen contacto directo entre ellos y dos

conductores para conectar las terminales. Normalmente las limaduras no son conductoras

cuando no hay presencia de ondas electromagnéticas. Por tal motivo, el cohesor no

transmite electricidad de un extremo a otro pero, en presencia de un campo

electromagnético o una onda de radio, las limaduras se unen entre sí y forman un enlace

conductor, se vuelven conductoras lo cual permite que fluya una corriente eléctrica.

Después que se detecta la onda electromagnética es necesario generar un golpe para que

el cohesor llegue al estado no conductor y así este se encuentra nuevamente preparado

para detectar una nueva onda electromagnética.

En estas fotos se muestra cuando la botella de Leyden se carga lo suficiente se produce

el arco electrico o chispaso el cual tiene una repercusion en el cohesor de Branly por la

deteccion de la onda electromagnetica, cuando actua el chispaso en el cohesor se permite

que circule corriente. Para esto primero se probaron las botellas de Leyden de los

estudiantes con el fin de estar seguros que funcionaban esto se comprobaba si se genera

un arco electrico.

Capítulo (2) 73

Construcción cohesor de Branly

Montaje del cohesor de Branly, formado por un

soporte de madera con una pila de 1,5 V,

conductor comunicado al led y al cohesor, si no

hay ningún emisor, en este caso botella de

Leyden cargada en el receptor, no hay señal y

no se prende el led.

Detección de ondas de radio por medio del cohesor de Branly

En esta imagen se muestra a la botella de

Leyden cuando está cargada, en este momento

en el emisor “botella de Leyden” se genera el

arco eléctrico, simultáneamente llega la onda

electromagnética al cohesor y se prende el led,

en este cohesor los estudiantes utilizaron

antenas y se dieron cuenta como era más eficaz

un alambre de cobre de puntas o una antena de

puntas que un alambre normal. En este caso se

aplicó el efecto de puntas que desarrolló Franklin.

74 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Tipo de situacion didáctica Preconceptos, construcción de un sistema resonante,

aplicación y conclusiones.

Objetivos:

Comprender la existencia de una clase de radiación electromagnetica. Ondas de

Radio

Utilizar materiales sencillos y de bajo costo para que los estudiantes realicen el

efecto de un circuito oscilante.

Demostrar experimentalmente el efecto de un circuito oscilante RLC.

Comprender uno de los principios de la radio y la televisión.

Tiempo de ejecución: Cuatro sesiones.

Materiales:

2 Diapasones

1 Máquina eléctrica

2 Condensadores Botella de Leyden

2 Espiras rectangulares con alambre de cobre

1 Lámpara de Neón

Procedimiento.

Primero se trabajó con dos diapasones de la misma frecuencia, al tocar el primer

diapasón el segundo vibra de forma continúa generando una onda sonora, se

detuvo el sonido del primer diapasón con la mano y los estudiantes notaron que el

segundo diapasón transmitía sonido, se escuchaba.

Sobre este fenómeno se fueron creando preguntas orientadoras.

¿Qué pasó con el sonido? ¿Por qué si se detuvo el sonido del primer diapasón

podemos percibir el sonido en el segundo diapasón?

Todos los estudiantes manifestaban que era producido por el eco, que el sonido

llegaría a la otra caja de resonancia y rebotaba el sonido, lo cual generaba el eco.

Luego se cambió la ubicación de los cilindros sobre el diapasón variable y

repitiendo el proceso anterior deja de producirse resonancia.

Los niños sobre este fenómeno afirmaron que probablemente era por la caja, un

porcentaje alto afirmó que por la longitud del diapasón.

Actividad #9 ¿Cuáles son los principios básicos para detectar una señal

sintonizada? Sistema resonante de Oliver Lodge

Capítulo (2) 75

Se volvió a hacer el primer procedimiento, luego se aumentó la distancia entre los

dos diapasones percibiendo los estudiantes que no estaba ocurriendo el primer

resultado de la resonancia, los estudiantes decían que era por aumentar la

distancia entre los dos diapasones, que existían otros cuerpos que absorbían el

sonido y no alcanzaban a llegar al resonador dos.

Diapasones

Sistema resonante O Lodge

Exposición Planetario Distrital

Construcción

Luego se construyó previamente el sistema resonante de Oliver Lodge, formado

por dos circuitos con la misma longitud y la misma capacitancia. En el circuito

emisor la espira es fija y se construye con alambre de cobre; el condensador que

se utilizó fue la botella de Leyden. El circuito receptor se construye teniendo en

cuenta que tenga las mismas dimensiones, el condensador, otra botella de Leyden,

con el mismo material y cantidad de papel aluminio, una segunda espira donde se

podrá variar su longitud y una lámpara de neón conectada a este circuito.

76 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Práctica y análisis

Al tener las mismas dimensiones de las variables, se carga el primer circuito (la

botella de Leyden) con una máquina eléctrica, en este caso se frota el tubo de PVC

para que la botella de Leyden se cargue lo suficiente. En el momento que esté

totalmente cargado se genera un arco eléctrico y los estudiantes observan cómo

se prende la lámpara de neón del circuito receptor.

Se varían las dimensiones del circuito receptor variando la longitud de la espira y

sin cambiar las dimensiones del condensador. En ese momento los estudiantes

observan que no se prendió la lámpara de neón (no existe resonancia). Luego con

las mismas dimensiones de la espira, pero con diferentes condensadores (botellas

de Leyden) tampoco hay resonancia.

Conclusiones

Se quiso hacer una analogía entre la resonancia sonora y la resonancia

electromagnética que experimentó Oliver Lodge, preguntando a los estudiantes

¿Cuáles serían las variables de este circuito para que pueda captar la señal?

Se llegó a la meta: los estudiantes notaron que las variables eran las dimensiones

de la espira y la capacidad de los condensadores botella de Leyden. Se les nombra

el concepto de la resonancia electromagnética siendo uno de los principios de las

ondas de radio. Con esto queda claro que si los dos circuitos tienen la misma

longitud de la espira y tamaño y material en el condensador el circuito queda

sintonizado.

Las experiencias del cohesor de Branly y la de resonancia de Lodge permitieron

mostrar a los estudiantes la existencia de una radiación que no se puede ver con

los ojos pero que, si existe en la naturaleza, de esta manera los mismos estudiantes

encontraron una clase de radiación electromagnética. Se indaga a los estudiantes

¿Qué otra clase de ondas electromagnéticas han escuchado o conocen, que

existen en la naturaleza?

Nombraron un porcentaje alto la radiación ultravioleta y los infrarrojos. La mayoría

de estudiantes decían que los ultravioletas son dañinos para la salud y se

encuentran en la luz del Sol. Otro grupo señaló que se encuentran en las plantas.

Sobre los rayos infrarrojos decían que se encuentran en algunas cámaras

fotográficas, que se encuentran en estrellas de color rojo, que están en el

microondas.

Capítulo (2) 77

Exposición Espectro electromagnético Ondas de Radio

IX Feria club de semilleros de Astronomía Planetario Distrital 2015

78 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

2.3.4 Fase 3. Estudio y análisis de la luz infrarroja

En esta última fase, se quiso hacer primero la construcción de la meridiana para poder

colocar los equipos que se diseñaron para la actividad de la luz infrarroja de una manera

eficaz a cualquier hora del día y poder detectar la mayor cantidad de radiación del Sol.

Además, la meridiana es una herramienta importante para cualquier clase de estudios

astronómicos, entre estos la ubicación adecuada de telescopios.

Tiempo de ejecución: 3 sesiones de 5 horas cada una aproximadamente

1. Ubicación de los puntos cardinales del lugar de observación (trazado de la

meridiana).

2. Medición de la temperatura de los diferentes colores del espectro visible con un

termómetro, en un día con clima estable. En este experimento se logró

identificar el descubrimiento de William Herschel de los rayos calóricos o

infrarrojos. Esta práctica se realizó con luz halógena en el salón de clases ya

que el clima no fue favorable.

3. Medición de la temperatura de los diferentes colores del espectro visible con un

termómetro, en un día con clima lluvioso y con sol. Se realizó también en el

salón de clases igual que la experiencia anterior.

Capítulo (2) 79

Tipo de situación didáctica Preconceptos, aplicación y conclusiones.

Objetivos.

o Trazar la meridiana en el colegio Brasilia.

o Comprender los movimientos aparentes del Sol en el cielo

o Emplear la meridiana para incorporar los equipos para un adecuado

estudio de la luz infrarroja

Tiempo de ejecución: Una sesión de cuatro horas

Materiales:

Palo en madera de 152cm de largo, arena, balde, nivel, metro, hilo, escuadra,

transportador, cinta adhesiva, pintura para tráfico pesado, tiza.

Procedimiento

En un balde circular se depositó la arena y se enterró el gnomon de 152 cm de

largo en el centro del balde, siendo necesario que quede absolutamente vertical.

Para esto se utilizó un nivel de burbuja, y se trazó la circunferencia generada por

el balde.

Luego se intentó en varios días hacer el seguimiento de la sombra desde las 10:00

am. Marcando el punto extremo cada 10 a 15 minutos, pero fracasamos en muchas

ocasiones, el clima no nos favorecia. Pero… ¡Por fin! Octubre 6.

Actividad # 9 Trazo de la Meridiana del lugar

80 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Una vez instalado el gnomon y siguiendo la marcación

de la sombra, dibujamos otro círculo concéntrico entorno al

gnomon como se ve en la figura.

Primera marca de la sombra. Por fin

11:27 am

Los estudiantes marcan las

coordenadas geográficas a su parecer, para

comparar con las coordenadas geográficas

que se obtendrán al finalizar la actividad.

Capítulo (2) 81

Después de marcar varias sombras, los

estudiantes trazan una segunda

circunferencia, iniciando por el primer

punto generado por la primera sombra.

Se buscan dos puntos de la

circunferencia externa, el primer punto

generado por la sombra inicial 11:27 am y

otro que coincida con este al trazar la

segunda circunferencia 12:06 pm.

Trazaron los dos radios que

corresponden a los puntos anteriormente

mencionados

82 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Se trazó la línea bisectriz de dichos

ángulos dibujados y de esa manera se obtuvo

la línea Norte-Sur o Meridiana del lugar.

Comparan los que habían trazado cada

uno con los resultados que obtuvieron, notando

que tenían errores. No había ubicación

geográfica.

Posteriormente se trazó la

perpendicular de la recta Norte-Sur, para indicar

el punto oriente y occidente.

Por último se cubre con cinta de

enmascarar y se pinta con pintura para tráfico

pesado.

Capítulo (2) 83

Tipo de situación didáctica Preconceptos, construcción, predicción y aplicación.

Objetivos:

Redescubrir los experimentos del astrónomo William Herschel sobre el espectro

visible, que se refieren a una conjetura, de que la potencia del calentamiento e

iluminación de los objetos podría ser desigualmente distribuida entre los rayos

coloreados.

Tiempo de ejecución: 2 sesiones de 5 horas cada una aproximadamente

1. Medición de la temperatura de los diferentes colores del espectro visible con

un termómetro, en un día con clima estable. En este experimento se logró

identificar el descubrimiento de William Herschel de los rayos calóricos o

infrarrojos. Esta práctica se realizó con luz halógena en el salón de clases

ya que el clima no fue favorable.

2. Medición de la temperatura de los diferentes colores del espectro visible con

un termómetro, en un día con clima lluvioso y con sol. Se realizó también

en el salón de clases igual que la experiencia anterior.

Materiales:

Un prisma con placas de vidrio con medidas de 20 x 10 cm cuyo interior se llenó con agua.

Tres termómetros de mercurio con escalas en grados centígrados de 500, 2500 y 3000. Dos

lentes convergentes de 30 cm de distancia focal. Pintura negra y un marcador permanente

de tinta negra. Soporte para los termómetros con ángulo de inclinación variable. Un soporte

vertical que incluye una rendija para poder aislar los diferentes colores producidos por un

prisma. Una fuente de luz halógena de 500 vatios de potencia que nos sirve para generar

el espectro visible.

Actividad # 11 Visión infrarroja de William Herschel

84 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Capítulo (2) 85

Procedimiento

Antes de comenzar el montaje fue necesario analizar los conocimientos previos que tenían

los estudiantes sobre la luz infrarroja. Conocer, ¿cómo estaba presente en sus vidas y de

qué manera podían ellos verificar que existe? Por tal motivo se hicieron las siguientes

indicaciones y cuestionamientos.

Ambientación

Se les dijo que colocaran muy carca las manos en las mejillas sin tener ningún

contacto, luego que colocaran una mano sobre la otra también sin tener contacto.

Se les preguntó qué sensación tuvieron.

Algunos decían que no sentían nada, se les señaló que fueran cuidadosos con lo

que percibían. Otros estudiantes decían que sentían calor. Luego se preguntó:

¿Han escuchado hablar sobre la luz infrarroja?

Respuestas:

En los rayos X

En el control remoto

Se utiliza en los exámenes médicos

Es una onda, como las de radio.

Tiene que ver con el calor…

¿Pueden mencionar varios fenómenos en los cuales intervienen la luz infrarroja?

No contestaron ninguno

¿Para qué sirve un termo? ¿Cómo funciona?

Para que no se enfríen las cosas. Otra niña dijo también hay termos para mantener

cosas frías.

Se llevó un termo a la clase y se mostró las partes del termo, los niños observaron

el revestimiento del termo. Se les enseñó que hay dos partes y un espacio que

separa estas dos partes. Algo importante para el tema era que observaran el espejo

que se encuentra dentro del termo. Que ellos mismo se preguntaran para que es

necesario este espejo, que función hace en el termo. Una estudiante de grado

séptimo Paula Vizcaya intervino y dijo: …el espejo sirve para que rebote los rayos

del calor… Para que no salga.

86 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

¿Qué han escuchado del efecto invernadero?

Que llega el calor del Sol… …pero hay una capa que no deja escapar ese calor…

Se preguntó ¿qué relación hay con los invernaderos en los cultivos? ¿Cómo están

hechos? Los describieron y vieron analogía con el efecto invernadero, mantienen

calor en los cultivos no dejan salir el calor…

¿Por qué en clima cálido mencionándoles sectores que probablemente conocían

se utiliza ropa blanca o clara y en los climas fríos se les dio como ejemplo el páramo

de Sumapaz se puede utilizar mejor la ropa oscura?

Primero señalaron los colores oscuros…Retienen el calor… Absorben energía…

Después de esta serie de preguntas se les mencionó a los estudiantes que se

realizaría una práctica que tenía que ver con el calor, mientras se fue haciendo el

montaje, ellos colaboraron en oscurecer y serían los que tomaban los datos

posteriormente.

Se mostró a los estudiantes antes los termómetros, pero no sabían la lectura de

ellos. Rápidamente se les enseñó a manejar y leer el instrumento nombrándoles

las unidades de medida que existen, pero indicándoles en particular los grados

Celsius de los termómetros que se manejaron en esta actividad.

DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD.

Experimentos sobre la potencia del calor de los rayos del espectro visible.

Antes de comenzar el experimento, es fundamental ennegrecer los bulbos de los

termómetros con la pintura negra para que absorban mejor el calor.

El experimento se debe hacer en un día soleado. Pero como las condiciones del clima no

lo permitieron, se tomó la decisión de utilizar una lámpara halógena como fuente de luz

para generar el espectro visible.

El dispositivo para la experiencia se dispuso de la siguiente manera. Sobre una

mesa se colocó una lámpara halógena de 500 vatios, un prisma con una lente

convergente y el soporte con ranura vertical totalmente alineada para poder

conducir el espectro formado sobre el bulbo de uno de los termómetros colocados

en el soporte con ángulo de inclinación variable. El siguiente paso fue rotar el

prisma hasta obtener un espectro lo más amplio posible en el soporte de los

termómetros

Capítulo (2) 87

Fuente de tungsteno, lente convergente y

prisma con agua

Soporte para los termómetros con ángulo

variable

Soporte con ranura vertical Espectro proyectado en la pantalla

88 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Cuando se mostró el espectro en la pantalla, se preguntó a los estudiantes ¿Qué

si las temperaturas de los colores que observaban en el espectro serían las

mismas?

Hubo diferentes hipótesis. Una gran parte afirmó que el rojo tendría mayor

temperatura, un estudiante relacionó los colores del espectro con un documental

en el que explicaban el proceso de las estrellas y afirmó que sería la franja azul la

de mayor temperatura como ocurría con el color de las estrellas.

Después de esto se tomó la temperatura ambiente con los tres termómetros y al

igual que hizo William Herschel, se escogió un termómetro de referencia. En este

caso, el que tenía mayor sensibilidad y con un bulbo más grande.

Se comienza a medir la temperatura en cada color durante 10 minutos

aproximadamente.

AZUL

TEMPERATURA

TERMÓMETRO 1

TEMPERATURA

TERMÓMETRO 2

TEMPERATURA

TERMÓMETRO DE

REFERENCIA

TIEMPO INICIAL 20 20 21

5 minutos 20 21 22,2

10 minutos 20 21 22,8

Capítulo (2) 89

Cada vez que se toma la temperatura de

cada color, es necesario llevar el

termómetro de referencia a temperatura

ambiente. Por este motivo se colocó sobre

papel aluminio durante 10 minutos como

hizo Herschel para que volviera a tomar la

temperatura ambiente.

Termómetro tomando la temperatura ambiente del salón

90 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

VERDE TEMPERATURA

TERMÓMETRO 1

TEMPERATURA

TERMÓMETRO 2

TEMPERATURA

TERMÓMETRO DE

REFERENCIA

TIEMPO INICIAL 21 22 22

5 minutos 21 22 22,3

10 minutos 21 22 23

ROJO TEMPERATURA

TERMÓMETRO 1

TEMPERATURA

TERMÓMETRO 2

TEMPERATURA

TERMÓMETRO DE

REFERENCIA

TIEMPO INICIAL 20 22 22,6

5 minutos 20 22 23,5

10 minutos 20 22 23,6

Capítulo (2) 91

Los estudiantes iban tomando estos datos y fueron notando que aumentaba la temperatura

en cada color con el termómetro de referencia. ¿Qué pasará después del rojo? ¿Disminuye

o aumenta la temperatura? Continuamos con la práctica.

DESPUÉS DEL ROJO TEMPERATURA

TERMÓMETRO 1

TEMPERATURA

TERMÓMETRO 2

TEMPERATURA

TERMÓMETRO DE

REFERENCIA

TIEMPO INICIAL 20 21 22,6

5 minutos 20 21 23,6

10 minutos 20 21 23,9

92 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Análisis y resultados

Se les preguntó a los niños qué conclusiones podían sacar de los datos que habían

registrado.

Decían que había un aumento de temperatura, pero no era clara la explicación. Un

grupo de estudiantes sugería que era necesario analizar las temperaturas finales

del termómetro de referencia.

Si se analiza de esta forma ¿Qué pasa con las temperaturas en cada espectro

visible? En cada franja de color la temperatura ha aumentado, de un color a otro,

contestó cada grupo

¿En qué parte del espectro la temperatura es mayor?

Contestaron algunos: en el rojo

Otros: después del rojo

Notaron que la medida de la temperatura de los colores iba en aumento del azul al

rojo y que después del rojo el dato de la temperatura era máximo.

Otra pregunta orientadora fue: ¿Qué tienen que ver estos datos con las preguntas

que se hicieron al comienzo?

Respuestas: El calor.

Cuando llegaron a la respuesta que se esperaba se les enseñó esta diapositiva:

Espectro electromagnético18

18 http://naturamecaondu.blogspot.com.co/p/caracteristicas-de-cada-onda-del.html

Capítulo (2) 93

Así la luz sea familiar para los estudiantes, se les mostró que hay otra clase de luz no

visible que se encuentra dentro del espectro electromagnético. Se nombró cada uno de los

que se indican en el esquema.

Pudieron reconocer que se había estudiado dos clases de ondas electromagnéticas que

no se encuentran dentro del espectro visible, pero que, sí fueron percibidas por ellos en

las prácticas: las ondas de radio y la luz infrarroja.

Un estudiante preguntó: ¿Antes del violeta la temperatura ambiente disminuye? Se

propuso realizar la experiencia y estos fueron los resultados:

ANTES DEL AZUL TEMPERATURA

TERMOMETRO 1

TEMPERATURA

TERMOMETRO 2

TEMPERATURA

TERMOMETRO DE

REFERENCIA

TIEMPO INICIAL 22 22 22,4

5 minutos 22 22 22,4

10 minutos 22 22 22,4

De acuerdo a la interpretación de los niños, algunos afirmaron que la temperatura antes

del violeta aumentaba comparando con los otros termómetros que se encontraban fuera

del espectro. Se les indicó que era necesario comparar la temperatura inicial y final en el

termómetro de referencia, ya que eso mostraría el cambio de temperatura.

Se les señaló que compararan el tamaño de los bulbos y las escalas en los termómetros,

que debido a esta diferencia el termómetro de referencia podía ser más sensible a la toma

de temperatura. Siendo necesario comparar las temperaturas inicial y final del termómetro

que se encontraba después del azul o termómetro de referencia.

No hay aumento ni disminución de temperatura en el ambiente. Entonces se les afirmó hay

una clase de luz no visible relacionada con el calor cerca del rojo, pero antes del violeta de

acuerdo al esquema ¿hay luz no visible? Afirmaron que sí, ¿Creen que tiene que ver con

el calor también? No. Es la luz Ultra Violeta que no tiene relación con el calor.

Entonces la clase de luz que logramos percibir y medir es la LUZ INFRARROJA, pero que

con nuestros ojos no podemos observar. Se les dijo que jugáramos un poco con la

imaginación y miráramos en infrarrojo. Si pudiéramos mirar en infrarrojo y teniendo en

94 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

cuenta los resultados que obtuvimos donde la temperatura aumenta del azul al infrarrojo

¿De qué color estaríamos mirando un café caliente? Rojo

¿Un cubo de hielo de qué color lo podríamos ver con esa visión infrarroja? Azul

Entonces, creen ustedes que un hielo irradia calor. Afirmando que No

Por último, en esta clase se les mostró unas diapositivas, con la visión del infrarrojo.

Medición del clima de la Tierra en infrarrojo19

19 http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/learn_ir

Capítulo (2) 95

Nacimiento de estrellas a la izquierda con presencia de gas y polvo, derecha presencia de gas y polvo

pero como el infrarrojo puede viajar a través de estos, así se puede observar en INFRARROJO20

Análisis de resultados

La diferencia de temperatura en cada color del espectro visible con los otros dos

termometros fue

Azul: 1,3

Verde: 2,5

Rojo: 2,6

Infrarrojo: 3,4

20 http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/learn_ir

96 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Tipo de situación didáctica Preconcepto, predicción y aplicación.

Objetivos:

Realizar los experimentos del astrónomo William Herschel con luz solar.

Tiempo de ejecución: Sesion de 5 hora aproximadamente

Procedimiento

Se pretendía realizar la experiencia con la luz solar, pero no fue posible por cambios

climáticos repentinos. Comenzó la sesión con un día soleado, luego nublado,

entonces nos desplazamos al salón para realizar la experiencia, luego lluvia y

mucho viento. Sin embargo, se desarrolló la práctica, se obtuvo otra clase de

resultados y se unificaron las conclusiones.

Análisis y conclusiones

AZUL TEMPERATURA

TERMÓMETRO 1

TEMPERATURA

TERMÓMETRO 2

TEMPERATURA

TERMÓMETRO DE

REFERENCIA

TIEMPO INICIAL 20 22 21,5

5 minutos 20 22 21,7

10 minutos 20 22 21,8

VERDE TEMPERATURA

TERMÓMETRO 1

TEMPERATURA

TERMÓMETRO 2

TEMPERATURA

TERMÓMETRO DE

REFERENCIA

TIEMPO INICIAL 19,5 22 22

5 minutos 19 22 21,5

10 minutos 19 21,5 21,65

Actividad # 12 Visión infrarroja de William Herschel II PARTE

Capítulo (2) 97

ROJO TEMPERATURA

TERMÓMETRO 1

TEMPERATURA

TERMÓMETRO 2

TEMPERATURA

TERMÓMETRO DE

REFERENCIA

TIEMPO INICIAL 19,5 22 21,4

5 minutos 19,5 22 21,4

10 minutos 19,5 22 21,6

INFRARROJO TEMPERATURA

TERMÓMETRO 1

TEMPERATURA

TERMÓMETRO 2

TEMPERATURA

TERMÓMETRO DE

REFERENCIA

TIEMPO INICIAL 19,5 22 21,4

5 minutos 19,5 22 21,4

10 minutos 19,5 22 21,4

Se analiza las temperaturas en la medición con el termómetro de referencia. En el

azul hay un aumento de temperatura de la inicial (temperatura ambiente) con la

temperatura final; en el verde disminuye la temperatura de la inicial (temperatura

ambiente) con la temperatura final; en el rojo hay un pequeño aumento de

temperatura de la temperatura inicial (temperatura ambiente) con la temperatura

final y en el infrarrojo permanece la temperatura estable igual que la temperatura

ambiente cuando empezó a medirse en el infrarrojo.

Comparando los resultados finales del termómetro de referencia, se observa que

hay una disminución de temperatura en los colores, del azul al rojo. Para cada toma

de temperaturas se hacía cargo un grupo de estudiantes para verificar que los datos

fueran correctos.

Los estudiantes decían: “el experimento no nos salió” … “algo hicimos mal”.

Les formulé una pregunta a los estudiantes ¿Qué factores pudieron haber

influenciado en los resultados, diferente al registro de la temperatura de los colores

del espectro?

98 Propuesta didáctica para explorar la luz infrarroja con estudiantes del club de

Astronomía del colegio Brasilia de la localidad de Usme

Llegaron a la conclusión que los cambios bruscos de temperatura en el medio

pudieron influir, se realizó una diferencia entre los termómetros fuera del espectro

visible y los que se encontraban dentro del espectro

Análisis y resultados

Realizando la diferencia final entre las temperaturas del termometro de referencia

y las otras dos , se obtuvo:

Azul: 1,8 grados

Verde: 1,4 grados

Rojo 0,9 grados

Infrarrojo 0,3 grados

Se propone continuar con la actividad en una temporada de verano.

3. Conclusiones y recomendaciones

3.1 Conclusiones

Una de las conclusiones relevantes en este trabajo es que, a través de este grupo de

Astronomía que nació en el segundo bimestre del 2015, se creó un ambiente de

aprendizaje donde los estudiantes perdieron la timidez de opinar, hubo participación y

respeto por el otro, lograron ser más reflexivos en los análisis de fenómenos físicos lo cual

les brinda una aproximación más certera del mundo al generar hipótesis y predecir con

análisis y reflexión.

En estas prácticas se evidenció que el diálogo, el lenguaje entre los estudiantes y el

maestro es primordial en el desarrollo de las ideas, discutiendo a profundidad los

conceptos complejos que se pensaría que de acuerdo a los lineamientos curriculares no

corresponden a la edad de los estudiantes para la comprensión del estudio de las ondas

electromagnéticas. Por ejemplo, en este caso se presentó a los estudiantes una

metodología para abordar el estudio de los fenómenos físicos, antes de presentar su

relación con las matemáticas. Es así como los estudiantes de los primeros niveles de

educación secundaria y primaria pueden tener contacto con experimentos físicos cruciales,

que les permitieron tener una mejor comprensión del desarrollo de las ideas humanas, y

no de la acumulación de datos que se presenta en los libros de texto tradicionales.

Ya que las ideas científicas fundamentales no se pueden explorar bajo la perspectiva de

reproducir un taller con ciertos pasos y procedimientos, dado que las condiciones de un

experimento pueden cambiar de acuerdo a las circunstancias, los intereses,

cuestionamientos que se van generando, pero con las metas claras de lo que se quiere

lograr. Por lo tanto, un estudiante debe tener la posibilidad de experimentar una idea crucial

en su mente, y no repetir un resultado.

100 Conclusiones

Con este trabajo se logró consolidar el interés por la ciencia de los niños y jóvenes del club

de astronomía del colegio Brasilia, al experimentar con ondas electromagnéticas, que para

ellos eran totalmente desconocidas. Los experimentos de electricidad con ondas de radio

de Oliver Lodge y el estudio de los rayos infrarrojos descubiertos por William Herschel,

permitieron mostrar la existencia de ciertas radiaciones que no se pueden ver con los ojos,

y el método que usan los científicos para mostrarnos que existen en la naturaleza.

Además de consolidar un grupo y poder hacer un ambiente de aprendizaje, asimilaron los

estudiantes que no todo en la ciencia está hecha, que hubo fracasos y factores externos

que influían en las hipótesis y resultados que varios estudiantes predecían, como se pudo

ver en la práctica de la detección de luz infrarroja.

También los estudiantes tuvieron la oportunidad de participar por primera vez en la Feria

de Astronomía y Ciencias del Espacio del Planetario de Bogotá, que tiene como objetivo

dar a conocer y compartir los proyectos que se realizaron en los diferentes clubes de

Astronomía con otros jóvenes que también despiertan interés por la ciencia.

Con la culminación de este trabajo, se pretende solidificar el club de Astronomía

Astrobraus, continuar con el estudio del infrarrojo para el 2016, realizando una práctica con

la energía solar ya que no pudo ser posible por la temporada de invierno en que se

desarrolló y, posteriormente, hacer un estudio de otras áreas del espectro

electromagnético en rayos ultravioleta y su relación con la vida humana, ya que este tema

incrementó el interés de los estudiantes en las actividades que se desarrollaron en el

estudio de la luz infrarroja.

El tema de estudio del infrarrojo se proyecta mostrar en la feria de Astronomía y

Expociencia para el 2016, ya que para la fecha de estas actividades en el 2015 estábamos

en ese momento terminando el estudio de radiación electromagnética en ondas de radio y

no se alcanzó a compartir. Lo cual quedara como una de las propuestas para este año.

Bibliografía

[1] AMPERE. André- Marie. Mémoire présenté à l’Académie royale des Sciences, sur les

effets des courans électriques. Annales de chimie et de physique (1820)

[2] AZNAR. Pantaleón. Vida del Dr Benjamín Franklin.

[3] BRAUN. Eliezer. Electromagnetismo. De la ciencia a la Tecnología. Fondo de

Cultura Económica. México (1992)

[4] EL ABATET, Nollet. Ensayo sobre la Electricidad de los cuerpos. De la Academia Real

de las Ciencias de París (1747)

[5] FRANKLIN. Benjamin. Experiments and Observation on Electricity. Royal Society in

London. (1774)

[6] HERSCHEL. William. Investigation of the Powers of the prismatic Colours to heat and

iluminate Objects; with Remarks, that prove the different Refrangibility of radiant Heat.

Royal Society in London. (27 Marzo, 1800); p. 255-283

[7] HERTZ. H. Ondas electromagnéticas. Universidad Politécnica de Cataluña. (1989)

[8] KITAIGORODSKI. A I. Física para todos. Libro 3. Electrones. Editorial Mir de Moscú.

(1982)

[9] LODGE, Oliver. “Experiments on the Discharge of Leyden Jars”, Proceedings of the

Royal Society of London, 50, 2-39, 1891.

[10] MAFFIOTTE. Juan. La Electricidad y sus maravillas. Garnier Hermanos Editores. París

(1896)

[11] PARK. Benjamin. History of Electricity Nueva York (1898)

[12] SMITH. Alex Radio Exploration of the Sun .Van Nostrand Momentum Books. Londres

y Toronto (1967)