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Cómo motivar a los estudiantes mediante actividades científicas atractivas

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EFECTO TRIBOELÉCTRICO

Mª Desamparados Casanova Llanes COLEGIO SAGRADO CORAZÓN

Meliana – Valencia

Introducción : La naturaleza está compuesta por átomos y estos a su vez por partículas subatómicas, algunas de ellas con carga eléctrica. De forma esquemática y simplificada podríamos describir el átomo como sigue:

• El núcleo del átomo está constituido por protones, que son partículas con carga positiva, y neutrones, que son partículas sin carga eléctrica.

• La corteza del átomo está constituida por electrones, partículas con carga eléctrica negativa.

El número de protones de un átomo es igual al número de electrones; por tanto es neutro en conjunto, pero un átomo puede ganar o perder electrones, por lo que puede quedar cargado eléctricamente. La electrización es el fenómeno por el cual los cuerpos adquieren carga eléctrica. En todo proceso de electrización, los electrones que gana un cuerpo los pierde otro, pero no se crean electrones nuevos. La carga eléctrica total es constante. La carga eléctrica se conserva. Vamos a realizar distintas experiencias, cada vez con mayor grado de complicación que pongan de manifiesto la naturaleza eléctrica de la materia como son: • Realización de la serie triboeléctrica con objetos cotidianos. • Aplicaciones sencillas de la energía electrostática • Electroscopio La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.

Antes del año 1832, que fue cuando Michael Faraday publicó los resultados de sus experimentos sobre la identidad de la electricidad, los físicos pensaban que la "electricidad estática" era algo diferente de las otras cargas eléctricas. Michael Faraday demostró que la electricidad inducida desde un imán, la electricidad producida por una batería, y la electricidad estática son todas iguales.

La electricidad estática se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plástico o las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables, o cuando partículas ionizadas se depositan en un material, como por ejemplo, ocurre en los satélites al recibir el flujo del viento solar y de los cinturones de radiación de Van Allen. La capacidad de electrificación de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboeléctrico, existiendo una clasificación de los distintos materiales denominada serie triboeléctrica.


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La electricidad estática se utiliza comúnmente en la xerografía, en filtros de aire, y en algunas pinturas de automóvil. Los pequeños componentes de los circuitos eléctricos pueden dañarse fácilmente con la electricidad estática. Los fabricantes usan una serie de dispositivos antiestáticos para evitar estos daños.

Objetivos:

• Conocer la naturaleza eléctrica de la materia así como las experiencias que la ponen de manifiesto.

• Interpretar el fenómeno de electrización y las interacciones entre cargas eléctricas. • Diseñar experiencias sencillas para poner de manifiesto diferentes aspectos de la

naturaleza. • Relacionar la naturaleza de los átomos con la electrización de la materia. • Relacionar la fuerza electrostática y la fuerza gravitatoria.

Relación del tema propuesto con el currículo del Curso: Está relacionado con el concepto de electricidad de la asignatura Física y Química de 3º ESO. También puede trabajarse con los alumnos de 4º ESO, ya que ellos vuelven a estudiar la estructura del átomo, para recordar la naturaleza eléctrica de la materia.

ACTIVIDAD 1. LA SERIE TRIBOELÉCTRICA Procedimiento:

Con esta experiencia tratamos de que los alumnos trabajen con materiales y sustancias de la vida cotidiana y comprobar en ellos la naturaleza eléctrica de la materia.

• Buscar en Internet qué es la serie triboeléctrica y conseguir una ordenación de materiales según este criterio.

• Traer a clase materiales que aparecen en la serie para ordenarlos según su tendencia a ganar o perder electrones.

• Confeccionar nuestra serie triboeléctrica. • Frotar una varilla de plástico con lana (materiales que quedan separados en la serie) y

acercar la varilla a distintos materiales: papel, aluminio, algodón, madera. • Observar qué ocurre. • Frotar una varilla de acero con lana (materiales que quedan separados en la serie) y

acercar la varilla a otros materiales como: papel, aluminio, algodón, madera. • Observar que ocurre.

El acero está en mitad de la serie su tendencia es a quedar neutro, por tanto no atraerá a ninguno de los materiales a los que lo acerquemos.


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Los más positivos (en este extremo pierden electrones)

• Piel humana

• Cuero

• pelo de conejo

• vidrio

• cabello humano

• nylon

• lana

• Pelo de gato

• seda

• aluminio

• papel

• algodón

• Acero (0)

• Madera

• Ámbar

• Cera

• Globo de goma

• poliestireno expandido: corcho blanco

• Poliester

• polipropileno

• Cloruro de Polivinilo (tubo PVC)

• teflon

• goma de silicona

Los más negativos

(en este extremo roban electrones)


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Cuestiones para los alumnos

• ¿Qué es el efecto triboeléctrico? • Relaciona la electrización de la materia con la composición de la misma a nivel

atómico. • ¿Qué es la serie triboeléctrica? • ¿Por qué algunos materiales quedan positivos y otros negativos?

ACTIVIDAD 2. SEPARAR SAL Y PIMIENTA Material y recursos necesarios: Sal gorda Pimienta molida Paño

Plato, cartulina Globo pequeño

Procedimiento:

• Mezcla un poco de sal y pimienta en un plato. • Coge el globo y frótalo con fuerza en lana. • Muy lentamente acerca el globo a la sal y la pimienta.

Cuestiones para los alumnos

• Observa y anota lo sucedido. • Trata de dar una explicación • ¿Cómo hemos electrizado el globo? • ¿Por qué hemos de poner en contacto lana con el globo? • ¿Por qué el globo electrizado es capaz de atraer la pimienta? ¿Qué ley física explica este

fenómeno? • ¿Por qué la sal no queda pegada al globo? ¿Qué efecto es el que mantiene a la sal en el

papel? Haz un dibujo para explicarlo. La pimienta volará, quedando la sal en el plato, ya que la pimienta es más ligera y es atraída por la electricidad estática que hemos creado por frotamiento. Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: 15 minutos.


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ACTIVIDAD 2. ELECTROSCOPIO Material y recursos necesarios: Papel de aluminio Cable de cobre Frasco de vidrio Tapón de material aislante. (Cinta de estaño) Procedimiento:

• Perfora el tapón de corcho y haz pasar a su través el cable de cobre. • Coloca el cable de cobre recto sin que toque el fondo del frasco y dobla de parte inferior

a modo de gancho. • Recorta una lámina rectangular de papel de aluminio de unos 0,5 cm de ancho. Dóblala

por la mitad y colócala en el extremo del cable con forma de gancho. • Haz una bola de unos 6 mm de diámetro, aproximadamente, con papel de aluminio.

Colócala en la parte superior del cable. • Frota con fuerza un globo con una pieza de lana y acércalo a la bola del electroscopio.

Anota que sucede. Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: 30 minutos. Cuestiones para los alumnos

• ¿Qué es un electroscopio? • ¿Cómo lo hemos construido? • Explica el funcionamiento del electroscopio al acercarle un objeto electrizado. • ¿Cómo podemos saber si un material se electriza?


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Análisis de las respuestas de los alumnos: Se ha realizado la práctica con alumnos de 3º y de 4º de ESO. En la mayoría de los casos las respuestas son similares, en otros, se observa que los alumnos de 4º de ESO son más capaces de relacionar las experiencias con los fundamentos teóricos. Presento ahora algunos comentarios sobre las respuestas de los alumnos a las cuestiones de la práctica.

1. Relaciona la electrización de la materia con la composición atómica de la misma. Los alumnos tienen claro que la materia está formada por cargas eléctricas, por protones, neutrones y electrones y que es por ello que son capaces de electrizarse, ahora el que es por ganancia o pérdida de electrones no lo ven tan evidente.

2. ¿Qué es la serie triboeléctrica?

Los alumnos entienden que es la ordenación de la materia según la carga que adquieren por frotación de unos materiales con otros.

3. ¿Por qué algunos materiales quedan positivos y otros negativos? Con la pregunta formulada de esta forma son más los alumnos que entienden que se pierden o ganan electrones al frotar un material con otro.

4. ¿Cómo hemos electrizado el globo? Los alumnos entienden que por frotamiento pueden electrizarse los materiales.

5. ¿Por qué hemos de poner en contacto lana con el globo? La respuesta más repetida ha sido “para que se electrice el globo”. Algunos han hecho referencia a la transmisión de electrones de la lana al globo.

6. ¿Por qué el globo electrizado es capaz de atraer la pimienta?¿Qué ley explica este fenómeno? Algunos alumnos han nombrado la Ley de Coulomb. Por otra parte entienden que las cargas de distinto tipo se atraen, pero no han puesto de manifiesto que los átomos de pimienta tienen tanto protones como electrones. Dicen: lo negativo atrae a lo positivo.

7. ¿Por qué la sal no queda pegada al globo?¿Qué efecto es el que mantiene a la sal en el papel?. Haz un dibujo para explicarlo. El concepto de masa está bien interiorizado: la pimienta es más ligera que la sal, pero eso se pega al globo y la sal no. En esta pregunta he notado mucha diferencia en las respuestas de los alumnos de 3º con respecto a los de 4º de ESO. Algunos dicen que la sal no tiene cargas…

8. ¿Qué es un electroscopio? Algunos describen el dispositivo, otros contestan que es un aparato para detectar cargas eléctricas.


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9. ¿Cómo lo hemos construido?

Todos son conscientes del procedimiento para fabricar un electroscopio.

10. Explica el funcionamiento el electroscopio al acercarle un objeto electrizado. Todos ven el efecto que causa sobre las láminas de papel de aluminio acercar un objeto electrificado al mismo. Hacen referencia a que las cargas pasan por un material conductor (Cu) y que se repelen las láminas porque quedan cargadas con cargas del mismo signo.

11. ¿Cómo podemos saber si un material se electriza? Porque se separan las láminas. Respuesta correcta.

Análisis de la práctica presentada por el profesor: Con respecto al tiempo: La práctica se realizó en una sesión de clase, para favorecer más la participación de los alumnos trabajamos en grupos de tres y desdoblamos el grupo de la clase, de forma que se utilizaron dos horas lectivas, una para cada mitad. Con respecto a los alumnos:

• El grado de motivación fue alto, tanto en la búsqueda de información como en el laboratorio. Siempre que planteas una actividad fuera del aula los alumnos se sienten interesados. Además al ser una actividad práctica el comportamiento y la participación fue muy buena. Fueron responsables con el material, y no tanto con la limpieza del laboratorio.

• El nivel de autonomía no fue muy elevado, primero por inseguridad, y después por falta de concentración, si les guías ellos siguen las pautas sin problemas, pero les falta concentración a la hora de hacer una lectura comprensiva de la práctica.

• La parte práctica todos los alumnos la realizaron correctamente, a la hora de extraer conclusiones la participación no fue global. Las cuestiones las repartí unos días después y no todos supieron contestar correctamente al porqué de las experiencias que habíamos realizado


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Con respecto a los contenidos:

• Con esta práctica, además de los métodos de electrización se tratan otros conceptos relacionados que considero imprescindible para poder progresar adecuadamente la asignatura de Física y Química, como es la estructura atómica: ya que son los electrones los que se transfieren, partículas atómicas más externas, por tanto más fácilmente intercambiables. De todas formas, este concepto no ha quedado totalmente claro.

• En la práctica de “separación de sal y pimienta” se pueden relacionar la Ley de Coulomb y la Ley de la gravitación, ya que al pesar más la sal gorda no se siente atraída por el globo (en algunos casos se veía atraída, pero al poco tiempo caía al plato), con esta observación se puede relacionar conceptos de dinámica, comparar que para la sal, el peso gravitatorio es mayor que la fuerza eléctrica generada por la electrización del globo, cosa que no ocurre con la pimienta.

Con respecto a puesta en práctica: Serie triboeléctrica:

• Pensaba que iba a haber más diferencias con respecto a la electrización, que iba a notar como cuando más separados estuvieran dos materiales en la serie triboeléctrica más interacción habría entre ellos, pero esto no puede detectarse ocularmente que es como yo lo pretendía.

Separación de sal y pimienta:

• Hay que utilizar sal gorda, porque la sal fina se queda pegada al globo al igual que la pimienta.

• Esta práctica ha sido muy divertida de hacer y además puedes relacionar conceptos de electricidad y dinámica. Esta parte es la que más me ha gustado.

Electroscopio

• Llevar a la práctica esta parte de la experiencia ha sido más costoso de lo que esperaba, primero porque al leer las “recetas” para construirlo parece más sencillo, y que con cualquier material conductor es suficiente, pero esto no es así.

• Conseguimos que funcionaran algunos electroscopios, pero no obtuvimos resultados tan espectaculares, además debido a que no conseguían que funcionaran se perdió un parte de la motivación y el orden.

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