En el bloque sobre “Materia, fuerzas y energía” del currículo para la Educación Primaria (BOE RD 157/2022 del 1 de marzo y DOGV, Decreto 106/2022, del 5 de agosto), aparecen contenidos como: “propiedades observables de los materiales”, “masa, volumen, densidad”, “Energía eléctrica”, “materiales conductores y aislantes” “circuitos eléctricos básicos”. En los textos de Educación Primaria, el tratamiento de las propiedades comunes se suele restringir a la masa (peso) y el volumen, olvidando que la carga eléctrica es otra propiedad común de todas las cosas (materiales) imprescindible para explicar y hacer predicciones sobre el mundo físico y, por tanto, poder intervenir en él. La carga eléctrica permite explicar fuerzas que de otro modo parecerían mágicas, la existencia de materiales con propiedades diferentes, las reacciones químicas con el modelo atómico molecular, la especificidad de las proteínas, etc. En definitiva, es una pieza esencial para la comprensión intelectual del mundo físico, químico y biológico.

Sin embargo, la atención a la carga eléctrica en los textos de primaria, cuando existe, se suele limitar a enunciar que hay fuerzas atractivas y repulsivas debidas a la existencia de cargas positivas y negativas, añadiendo que cargas del mismo signo se repelen y de distinto se atraen. Por propia experiencia, lo que hemos encontrado en las aulas de primaria es una ausencia de enseñanza sobre el modelo de carga eléctrica o ejemplos de transmisión de conocimientos que fomentan un aprendizaje escasamente ligado a las ideas, experiencias y razonamientos que podrían poner en práctica los alumnos/as. Es verdad que no tenemos acceso directo a las propiedades de la materia (es decir, comunes a todos los objetos de cualquier material): son conceptos teóricos, abstractos. Pero eso no quiere decir que no existan. El conocimiento científico de la naturaleza es fruto de un triálogo entre objetos reales, objetos teóricos y la comunidad científica. Hemos inferido, y probado, su existencia a partir de las fuerzas que se producen entre objetos (que sí son accesibles a nuestros sentidos o instrumentos). Sabemos que la materia tiene masa por la existencia de fuerzas gravitatorias (el peso) y que tiene carga eléctrica por la existencia de fuerzas eléctricas.

Nuestro objetivo clave, pues, será que los estudiantes admitan que existe una propiedad de la materia, a la que llamamos carga eléctrica, que permite explicar las fuerzas que aparecen entre objetos que no son ni el peso, ni como las que hay entre imanes y objetos de hierro. Además, también deseamos que comprendan que, para explicar esas fuerzas en distintas situaciones, es necesario admitir que dicha propiedad tiene dos variedades (a diferencia de la masa), es decir, que existen dos tipos de carga eléctrica (a las que podemos llamar vítrea y resinosa; positiva y negativa, o verde y azul), que se encuentran compensados (en cantidad) en los objetos neutros y descompensados en los objetos electrizados, y que pueden moverse o desplazarse en los objetos. Por supuesto, necesitaremos conectar con las ideas y experiencias que ya tienen los alumnos/as, lo que requerirá partir de preguntas o situaciones concretas para ir generalizando y abstrayendo, volver para explicar y dar sentido a esas preguntas y situaciones concretas, y realizar predicciones que podamos someter a pruebas.

No obstante, la mayor parte de la investigación sobre el aprendizaje del modelo de carga eléctrica se ha realizado con alumnos mayores que a los que dirigimos nuestra investigación (Furió y Guisasola 1998; Mi et al., 2023), con profesores en formación y en activo (Criado y García-Carmona, 2010; Melo et al., 2016), o enfocándose principalmente en la corriente eléctrica (Leone, 2014), por lo que tiene gran interés investigar en qué medida podemos conseguir nuestro objetivo con alumnos del último ciclo de educación primaria y cómo hacer que los maestros también puedan conseguirlo.

Respecto a la cuestión de si los alumnos de último ciclo de primaria (de 10 a 12 años) pueden aprender el modelo de carga eléctrica, investigadores sobre el tema responden afirmativamente (Criado y Cañal, 2002). Más aún, Schalk et al. (2019) han demostrado que la enseñanza por indagación de temas de física a alumnos de 9 años mejora aspectos epistémicos generales, como el control de variables, respecto a grupos de control que han sido instruidos de otras formas, y que obtienen mejores resultados en la etapa secundaria (Edelsbrunner et al., 2024). Nuestra posición, pues, es que no hay que esperar a que los alumnos alcancen un pensamiento abstracto, supuestamente general, que les permita elaborar explicaciones de manera razonada: hay que favorecer que ocurra, proponiendo situaciones de aprendizaje problematizadas con contenido específico que fomenten, adecuadamente, el pensamiento hipotético-deductivo. Este modelo de enseñanza se organiza a partir de un problema estructurante, que es abordado por profesor/a y alumnos/as (organizados en pequeños grupos), siguiendo un plan (índice del tema) que sería lógico seguir si fuéramos un grupo de investigadores noveles que se enfrentan a avanzar en el problema planteado. El plan se concreta en una secuencia de actividades que son planteadas a los pequeños grupos, que reflexionan, debaten y expresan sus ideas en las puestas en común. En ese ambiente tentativo, las ideas expresadas por los grupos y el profesor/a son sometidas a análisis, a pruebas, lo que genera un avance de todos/as de una manera razonada. Un adecuado diseño, requiere, pues, conocer los problemas que están en el origen de los conocimientos que deseamos que adquieran los alumnos/as; las ideas que permitieron avanzar en su solución y, también, las dificultades que fue necesario superar para que dicho avance fuera posible (Gil y Martínez-Torregrosa, 1987; Gil et al., 1991; Verdú y Martínez-Torregrosa, 2004). Por supuesto, esta metodología ya ha sido ampliamente probada, y los resultados muestran que cuando los estudiantes abordan problemas importantes (estructurantes), no sólo obtienen mejores resultados de aprendizaje respecto a grupos de control, sino que por supuesto, mejora significativamente su capacidad para desarrollar explicaciones fundamentadas. Además, este enfoque no sólo favorece la comprensión de conceptos, sino que también promueve otras habilidades cognitivas, como el pensamiento crítico y la capacidad de transferencia a nuevos contextos (Martínez-Torregrosa et al., 1994, Osuna et al., 2007; Nicolás-Castellano et al., 2021, Nicolás-Castellano et al., 2023).

Así pues, si se ha tratado el modelo corpuscular de los materiales, podríamos, además, integrar la carga eléctrica como una de las propiedades, junto con la masa, de las partículas, al preguntar por el origen de las fuerzas que mantienen más unidas las partículas en líquidos y sólidos que en gases, y por qué aparecen dichas fuerzas en los cambios de fase (de gas a líquido, y de líquido a sólido). No obstante, en la etapa primaria, consideramos conveniente que cada SpEA tenga sentido en sí misma y, que al mismo tiempo suponga un paso para avanzar en un hilo argumental que, a lo largo de toda la etapa, favorezca un aprendizaje coherente, secuenciado (véase el Anexo I) y, cada vez, con mayor poder explicativo sobre el mundo físico (Nicolás-Castellano et al., 2021; Reiser et al., 2021; Penuel et al., 2022). El desarrollo que pretendemos aquí queda abierto, por tanto, para que la carga eléctrica pueda integrarse, posteriormente y con relativa facilidad, con el modelo cinético corpuscular de la materia (Martínez-Torregrosa et al., 2020).

Aunque la meta parece clara, seleccionar los objetivos más concretos, y los obstáculos asociados para llegar hasta ahí, no es una tarea sencilla. El estudio epistemológico nos ayudará a identificar ideas que permitieron avanzar hasta admitir que la carga eléctrica era una propiedad de todos los materiales que (a diferencia de la masa) podía ser de dos tipos (positiva o negativa; vítrea o resinosa). A continuación, haremos un análisis que corresponde con la fase Understand del proceso de IBD descrito por Guisasola et al. (2017) y será el primer paso para la planificación de la enseñanza problematizada sobre el tema (Oliva y Aragón, 2024).

A continuación, presentamos los logros relevantes o/e ideas explicativas sobre los fenómenos eléctricos de los investigadores, seleccionados por su relevancia en la construcción del modelo de carga eléctrica que queremos enseñar. El análisis histórico mucho más detallado, se encuentra en Martínez-Torregrosa et al. (2024), donde se describe y comenta el extenso recorrido de las principales ideas y experimentos que han contribuido a la construcción del modelo de carga.

Cuando se habla de la historia de la electricidad debemos remontarnos en el mundo occidental a Tales de Mileto (600 a.C.), fue él quien descubrió, seguramente por casualidad, que el ámbar cuando se frotaba con cualquier material adquiría la propiedad de atraer otros cuerpos livianos (efecto triboeléctrico). No hubo avances significativos sobre electricidad hasta los trabajos de Sir William Gilbert. Por eso nuestro análisis sobre el desarrollo del concepto de carga eléctrica comienza desde las ideas de Gilbert expresadas en De Magnete (1600) hasta los trabajos de Dufay presentados en 1733. Hemos utilizado trabajos de físicos e historiadores de la ciencia que han analizado las fuentes primarias, especialmente de Harré (1979), Meyer (1972), Roller y Roller (1954), Torres Assis (2010) y Whittaker (1910). Además, nuestra intención también es resaltar la pasión de los investigadores para transmitir que la ciencia es fruto de una empresa humana, aunque en los textos escolares, desafortunadamente se ignoren los sujetos (hombres, pero mucho más a mujeres) de la ciencia (Martínez-Torregrosa et al., 2014).

La motivación del estudio sobre la electrización de Gilbert era mostrar que la atracción eléctrica y magnética eran diferentes, por eso en su trabajo solo dedica un capítulo a los fenómenos eléctricos, con la intención de diferenciarlos de los magnéticos, mientras que Dufay consiguió avanzar y dejar bien establecido la existencia de dos tipos de carga. Gilbert amplió los materiales que adquirían la capacidad de atraer a otros objetos, además del ámbar. Su objetivo era generalizar los materiales que podían ser atraídos (Harré, 1979). Tras frotar diferentes materiales (como el diamante, zafiro, mica, ópalo, berilio, entre otros), resaltó que todos mostraban el mismo comportamiento: atraían trozos pequeños de diversos materiales. Este fue un primer avance importante, ya que permitió reconocer que distintos materiales se comportaban de manera similar en determinadas circunstancias. Sin embargo, Gilbert asociaba erróneamente la atracción con el acercamiento físico, lo que le llevó a pensar que solo se atraían objetos pequeños. En su concepción, si no había acercamiento, no existía atracción.

De esta explicación, se derivan dos posibles obstáculos conceptuales:

• El objeto atraído es considerado pasivo. No se trata de una atracción mutua, sino de una fuerza violenta ejercida por el efluvio eléctrico emanado del objeto electrizado, que envuelve y empuja al cuerpo atraído. Para los estudiantes esto puede llevar a la creencia errónea de que la atracción no es mutua, es decir, que el tercer principio de la Dinámica no se cumple cuando un cuerpo electrizado atrae a uno neutro.

• La carga no existe previamente al frotamiento, sino que se genera al frotar ciertos objetos. Un objeto cargado atrae a otros sin carga, por lo que la atracción no se produce entre cargas opuestas, sino entre un cuerpo cargado y uno sin carga. Esto implica que el objeto neutro atraído no experimenta ningún cambio en su naturaleza que justifique la atracción.

Al continuar con sus experimentos, Gilbert se dio cuenta de que había sustancias que no eran capaces de atraer pequeños cuerpos sino solo ladearlos. Para poder detectar esas atracciones débiles sobre cuerpos grandes inventó un nuevo instrumento, más sensible, el versorio, el primer electroscopio conocido y el primer instrumento para medir cargas eléctricas, y que efectivamente contribuyó a la universalización de los objetos que son atraídos. Poder colocar alternativamente el objeto electrizado o el neutro en la plataforma móvil facilita la idea de atracción mutua, pero Gilbert no lo utilizó para tal fin porque su modelo explicativo se lo impedía. Ni siquiera describió los rebotes o repulsiones que, sin duda, ocurrían durante sus experimentos. Solo pensaba en atracciones y que, una vez se pegaba el cuerpo atraído al electrizado, «el efluvio se gastaba o desvanecía y el cuerpo atraído se despegaba por su propio peso» (Roller y Roller, 1954, p. 11).

Se planteó que la atracción podía ser debida al calentamiento del objeto electrizable al frotarlo. Para contrastarlo calentó algunos objetos de esas sustancias electrizables y vio que no atraían al versorio, «a menos que el calor se produzca por fricción o frotamiento. La causa es el frotamiento y no el calor». Descartó, por tanto, la idea de que el calor era el responsable de la atracción. Sin embargo, tendremos en cuenta que muchas personas, erróneamente, pueden pensar que la atracción se debe al calentamiento del objeto al frotarlo.

También identificó sustancias que, aunque se las frote, no atraen y las calificó como no-eléctricas. Hizo, pues, una clasificación de los materiales en dos grupos: eléctricos y no-eléctricos. Estaba muy lejos aún la idea de conducción o transmisión de la virtud eléctrica.

Durante la realización de sus experiencias eléctricas, Gilbert observó que las condiciones ambientales influían en los resultados. Señaló que «podemos observar mejor esta atracción cuando, en pleno invierno, la atmósfera está muy fría, clara y transparente». Este es un factor importante que habrá que tener en cuenta al realizar experimentos electrostáticos en el aula.

Según el modelo causal de Gilbert, la propiedad eléctrica se activa por frotamiento de los materiales eléctricos y no se transmite. Según esto, un cuerpo atraído por un cuerpo electrizado no se hace eléctrico, la atracción eléctrica es por impulsión sobre el objeto atraído, que no experimenta ninguna modificación en su fuerza original. La posibilidad de la conducción eléctrica, es decir, la transferencia de la excitación eléctrica de un cuerpo a otro quedaba aparentemente descartada por su convicción de que un objeto en contacto real con otro electrizado tiende «a suprimir el efluvio desde su mismo comienzo». Aquí emerge una nueva idea errónea: la carga no se conserva, se crea por frotamiento y se va gastando, desapareciendo, con el tiempo; los cuerpos solo son atraídos, y se despegan del cuerpo electrizado, porque la carga se ha gastado y ya no puede sostener su peso.

Podríamos resumir los avances e ideas clave de Gilbert como:

• Universalización de los objetos que son atraídos.

• Invención del versorio para detectar fuerzas pequeñas.

• La carga no existe antes de frotar, se crea al frotar determinados objetos y se va gastando (la carga no se conserva).

• Clasificación de los materiales en eléctricos (que se cargan al frotarlos) y no eléctricos (no se cargan al frotarlos). Esta fue una primera aproximación a lo que hoy conocemos como aislantes y conductores.

• La atracción es debida al frotamiento. Identifica atracción con acercamiento.

• El objeto atraído es pasivo, no existe la atracción mutua, ni hay cambio en su naturaleza que explique la atracción.

• La propiedad eléctrica no se transmite.

En 1629, Niccolo Cabeo se cuestionó la hipótesis del origen de los eléctricos: «muchas cosas que son duras y provienen de humores solidificados no se electrizan, y muchas otras cosas que atraen no parecen ser solidificaciones de un humor». Según Cabeo, los objetos que son atraídos y hacen contacto con el objeto electrizado, a menudo no caen por su peso, sino que rebotan a una distancia de varias pulgadas. Esto sería la primera identificación de la repulsión eléctrica, aunque para Cabeo, el efecto observado era debido a un mero rebote mecánico de un objeto ligero que choca con otro pesado. Cabeo afirmó: si no hubiera aire alrededor de un objeto electrizable no atraería objetos, aunque se frotara. Dicha hipótesis se podía contrastar, pero la bomba de vacío, necesaria producir la ausencia de aire, aún no estaba lo suficientemente desarrollada y los problemas de tipo técnico hicieron que los resultados no fueran concluyentes.

Entre 1657 y 1667, en la Academia Florentina, se realizaron importantes experimentos sobre la atracción eléctrica. En uno de ellos, colgaron un trozo de ámbar electrizado de una cuerda y un objeto no electrizado en otra, observando cómo ambos péndulos se acercaban mutuamente. La explicación causal, que implicó un avance, fue que la atracción eléctrica es mutua (entre objeto electrizado y no electrizado). Este descubrimiento permitió la creación de una escala semicuantitativa de materiales electrizables, clasificándolos según su capacidad de atraer.

Sin embargo, frotar manualmente los objetos electrizables, manteniéndolos fijos, resultaba ineficiente y agotador. En 1660, Otto von Guericke inventó el primer generador triboeléctrico, lo que facilitó la realización de experimentos que antes resultaban imposibles. Además, Otto von Guericke es conocido por su invención de la primera bomba de vacío en 1650. Esta herramienta fue fundamental para que, en 1675, Robert Boyle pudiera probar la hipótesis de Cabeo sobre el papel del aire en la atracción eléctrica. Boyle descubrió que la atracción ocurría tanto en el aire como en el vacío. Por tanto, el efluvio debía ser algo material, quizás partículas o átomos.

En el mismo año que Boyle contrastó la hipótesis de Cabeo, Jean Picard descubrió la luz barométrica (destellos luminosos en el volumen vacío de un barómetro de mercurio, cuando se agitaba el mercurio contra el vidrio). Entre 1705 y 1719, este descubrimiento permitió a Hauksbee realizar una serie de avances experimentando con dicha luz:

• Identificó la humedad como el gran enemigo de la electrización. Las moléculas polares del agua son atraídas por los cuerpos electrizados, disminuyendo enormemente su poder de atracción. Este avance fue importante para superar la idea errónea de que la pérdida de electrización de un cuerpo, al dejarlo sobre una base aislante, ocurría porque la carga se desgastaba o desaparecía con el tiempo. En realidad, esa pérdida de naturaleza eléctrica pasa a otros cuerpos (moléculas) o es neutralizada porque atrae a otros (moléculas de agua, si es en un ambiente húmedo).

• Describió la producción de destellos luminosos en un tubo de vidrio en el que se había hecho el vacío cuando lo acercaba, sin tocar, a un objeto electrizado. La interpretación de este hecho podría haberle llevado al descubrimiento de la electrización por influencia. Sin embargo, Hauksbee mantuvo la creencia de que los destellos eran producto del efluvio del cuerpo electrizado que frotaba el tubo vacío, manteniendo así la creencia de que la electrización siempre se tenía que producir por frotamiento. Incluso intentó dar explicaciones parciales asignando propiedades de sólido al efluvio (para que pudiera frotar). Por analogía con la atracción hacia el centro en gravitación y magnetismo, animó a buscar relaciones entre la electricidad, magnetismo y gravitación, reconociendo que estaban fuera de su alcance (Roller y Roller, 1954, p. 26-27).

• «Tras el contacto con un cuerpo electrizado aparece la repulsión, pero si toca algún objeto no electrizado (como la pared), no solo deja de ser repelido, sino que es, de nuevo, atraído por el tubo electrizado». No está claro cómo reconcilió la idea de un efluvio que atrae y que también repele al mismo cuerpo, lo que sí está claro es que para encajar todos los fenómenos que Hauksbee había observado en un solo esquema conceptual, era necesaria una transformación radical de la hipótesis/ modelo del efluvio material (Roller y Roller, 1954, p. 28).

Los problemas, no resueltos, planteados por Hauksbee condujeron la naciente ciencia de la electricidad a una etapa revolucionaria, cuya consecuencia más inmediata fue el descubrimiento de la conducción eléctrica por Stephen Gray.

En 1720, Gray amplió los materiales electrizables por frotamiento: la seda, el lino, la lana, el papel, la madera, el cabello humano y las pieles, entre otros. Sin embargo, el método que utilizaba (calentar sujetando con la mano y posterior frotamiento vigoroso también a mano) fue un obstáculo al intentar electrizar metales, ya que al sostenerlos impedía su electrización y continuó clasificándolos como no eléctricos.

No fue hasta 1729 cuando, al probar si un tubo de vidrio se electrizaba de igual manera con los extremos abiertos o cerrados con tapones de corcho (para evitar la entrada de polvo), Gray hizo un descubrimiento significativo. Observó que los tapones, sin haber sido frotados directamente, adquirían la capacidad de atraer y repeler plumas simplemente por estar en contacto con el tubo electrizado (Roller y Roller, 1954, p. 30-31). Tras este hallazgo, insertó una bola de marfil en el extremo de una varilla de abeto que colocó en el tapón de corcho y observó que la bola, igual que el corcho, también se electrizaba. A continuación, experimentó con bolas y varillas de diferentes materiales obteniendo siempre los mismos resultados. Cuando las varillas comenzaron a doblarse y a vibrar debido al frotamiento del tubo de vidrio, Gray las reemplazó por una cuerda de embalar trenzada. Ató un extremo al tubo de vidrio y dejó caer una bola desde un balcón sujeta al otro extremo. Fue cambiando el material de la bola y la longitud de las cuerdas (llegó hasta un metro), y obtuvo los mismos resultados. Este descubrimiento supuso un avance fundamental, ya que reveló la conducción eléctrica: la propiedad eléctrica podía transmitirse no solo por contacto directo, sino también a través de un cuerpo intermedio.

Gray repitió los experimentos colgando de la cuerda objetos metálicos que no se electrizaban cuando los frotaba sujetándolos con la mano. En todos los casos, observó que adquirían lo que él denominaba virtud eléctrica, es decir, podían atraer y repeler a otros objetos. Tras este importante avance, decidió explorar la posibilidad de transmitir la propiedad eléctrica a mayores distancias. Para ello, diseñó un experimento en el que unió cañas de bambú y varillas de abeto a un tubo previamente electrizado, colocando esferas en el extremo opuesto. De este modo, el 31 de mayo de 1729, consiguió electrizar una esfera a una distancia de 15,85 metros.

Para seguir aumentando la distancia, Gray decidió intentar una disposición horizontal para la cuerda o el cable de transmisión, creando un recorrido en zigzag entre las vigas de una estancia, utilizando lazos de cuerda para sujetar el cable. Al final del trayecto, colocó una esfera de marfil colgando verticalmente, apenas unos centímetros por encima de una bandeja con virutas de latón y plumas. Sin embargo, al frotar el tubo de vidrio, no se detectó ninguna atracción en las virutas o plumas. Gray explicó el fracaso del experimento aludiendo a que la virtud eléctrica se desvió hacia las vigas a través de los lazos de cuerda que sostenían la transmisión, reduciendo significativamente la carga que llegaba a la esfera (Roller y Roller, 1954, p. 33).

Mientras mostraba sus experimentos al Dr. Wheler, este le sugirió reemplazar los lazos de cuerda que empleaba por trozos de hilo de seda. Gray pensó que, al ser más fino el hilo de seda, se perdería menos virtud eléctrica en el proceso de transmisión, pues creía que el grosor del hilo era lo que influía, y no el tipo de material (Roller y Roller, 1954, p. 34). Al hacer que la cuerda de transmisión descansara sobre hilos de seda que atravesaban la estancia de viga a viga, sostenidos por clavos de hierro, logró una transmisión exitosa hasta una distancia de 89,31 metros. A través de este experimento, descubrieron que el éxito en la transmisión dependía del tipo de material que sostenía la cuerda (seda) y no de su grosor. Así, concluyeron que los materiales utilizados para sujetar la línea de transmisión influyen en el proceso porque también pueden transmitir la propiedad eléctrica. De este modo, los materiales se dividieron en dos grandes categorías: aquellos que transmiten fácilmente la propiedad eléctrica y aquellos que no (ahora les llamamos conductores y no conductores (o aislantes)).

Gray fue pionero en el uso de cables para la transmisión eléctrica: utilizando pares de postes con hilos de seda para sostener la cuerda de transmisión, consiguió electrizar una esfera de marfil a una distancia de 198 metros, construyendo así la primera línea de transmisión aérea sobre postes. Además, logró realizar la transmisión simultánea a través de tres líneas desde un solo tubo electrizado.

Es importante subrayar que el descubrimiento de la conducción eléctrica se realizó con líneas de transmisión hechas de materiales como cañas, varillas de madera y cuerda, que hoy en día sabemos que son malos conductores. El éxito de los experimentos podría haberse debido a las condiciones climáticas húmedas, lo que provocaba que las líneas de transmisión estuvieran húmedas, tal como demostró posteriormente Dufay. Además, tanto la madera como la cuerda, cuando están secas, conducen algo de electricidad. En cuanto a los aislantes eléctricos utilizados por Gray, como el hilo de seda, no solo son muy malos conductores en seco, sino que tampoco absorben fácilmente la humedad del ambiente (Roller y Roller, 1954, p. 37). Este hecho ayuda a explicar una idea errónea que se ha popularizado: la creencia de que la capacidad de un material para aislar o conducir electricidad es dicotómica y absoluta, cuando en realidad es una propiedad con un amplio rango de variación.

Ese mismo año, en 1729, Gray hizo otro descubrimiento crucial: la electrización por influencia, es decir, sin contacto directo. En este experimento, acercó un tubo electrizado a una cuerda de la que colgaba una bola de plomo, y observó cómo la bola atraía y repelía virutas metálicas repetidas veces, sin haberla tocado. A diferencia de Hauksbee, Gray no intentó explicar este fenómeno mediante la teoría del efluvio, ya que esta noción aparentemente no desempeñaba un papel relevante en su interpretación (Roller y Roller, 1954, p. 38).

Un posible obstáculo en la comprensión de la electrización por influencia sería la creencia de que este fenómeno se limita únicamente a electroscopios u objetos metálicos. Sin embargo, un objeto neutro es atraído por otro electrizado debido a la electrización por influencia o inducción. Este proceso polariza el objeto, de modo que las cargas de signo opuesto al cuerpo electrizado quedan más cercanas que las de igual signo. Este efecto ocurre incluso si el objeto no está completamente neutro. En consecuencia, un objeto débilmente cargado podría ser atraído por otro cargado con el mismo tipo de carga, en lugar de ser repelido.

Durante 1732 continuaron sus avances. Gray logró electrizar varias sustancias, incluyendo el agua, al colocarlas en las proximidades de un tubo electrizado, sin necesidad de tocarlas (ya que atraían virutas y plumas). Además, demostró que podía electrizar un trozo de línea de transmisión por influencia y que este, a su vez, podía inducir electrización en otro trozo de línea separada por una distancia de hasta un pie (Roller y Roller, 1954, p. 42). En otro experimento, observó que una varilla de hierro cuyos extremos terminaban en punta, suspendida de hilos de seda, emitía conos de luz por ambos extremos en la oscuridad al aproximar un tubo electrizado (comparando los ruidos y las chispas con los truenos y relámpagos) (Meyer, 1972, p. 17). A continuación, observó que cuando se acercaba una barra de metal puntiaguda a un objeto electrizado, este perdía su electricidad de manera lenta y silenciosa, descargándose de manera casi imperceptible. En cambio, si la barra era roma, la descarga se producía con un fuerte chasquido. Esta observación lo posicionó como un precursor del pararrayos, mostrando una relación entre ciencia, tecnología y sociedad.

El trabajo de Gray supuso un gran avance en la ciencia de la electricidad donde podríamos destacar 3 hitos:

• Descubrimiento de la conducción eléctrica.

• Identificación de los materiales como transmisores o no de la propiedad eléctrica (lo que hoy en día conocemos como conductores y no conductores o aislantes).

• Descubrimiento de la electrización por influencia.

En 1736, Jean Desaguliers continuó las investigaciones de Gray y redefinió los materiales no eléctricos como conductores (Whittaker, 1951, p. 42).

Por su parte, Dufay en 1733, recopiló y resumió los trabajos de Gray, presentándolos ante la Royal Society, añadiendo sus propias ideas y experimentos. A continuación, describiremos brevemente los avances que resultaron de su trabajo:

• Amplió la lista de eléctricos. Y, aunque seguía excluyendo a los metales y al cuerpo humano, su clasificación suponía la culminación del catálogo de cuerpos eléctricos iniciado por Gilbert.

• Enunció que todos los cuerpos, sin excepción, podían ser electrizados por influencia, tanto sólidos como líquidos, incluyendo el hielo y el carbón. Notó que los materiales clasificados como menos eléctricos por frotamiento adquirían un alto grado de electricidad cuando se les acercaba un tubo de vidrio electrizado.

• Demostró que la afinidad por el agua influía en la atracción eléctrica. Anteriormente, Gray había afirmado que el color de las cintas de seda que usaba influía en la atracción eléctrica, pero Dufay concluyó que era debido a la diferente absorción de los tintes empleados para colorear las cintas.

• La transmisión de la electrización a través de una cuerda de embalar mejoraba si esta se humedecía. Afirmó también que el cuerpo humano conduce la electricidad y para ello, repitió los experimentos de Gray con diferentes seres vivos y con él mismo.

• Enunció un principio fundamental: «Un cuerpo electrizado atrae a cualquier cuerpo no electrizado y lo repele tan pronto como este adquiere electricidad por contacto». Aunque Dufay continuaba explicando este fenómeno con la noción de efluvios, su teoría incluía la idea de que el efluvio era autorrepulsivo, lo que explicaba por qué un objeto electrizado repelía a otro después del contacto: la repulsión era debida a que ambos cuerpos estaban cargados (modelo monocarga).

• Él mismo advirtió su error cuando comprobó que un objeto repelido por otro electrizado, era atraído por otro cargado, pero de distinto material. Formuló, entonces, la hipótesis de la existencia de dos tipos de carga.

Dufay desarrolló un nuevo principio al descubrir que había dos tipos de electricidad: la vítrea y la resinosa. La electricidad vítrea se asociaba al vidrio frotado y a materiales como el cristal de roca, piedras preciosas, pelo de animales y lana, mientras que la electricidad resinosa se atribuía al ámbar, copal, seda, goma laca, y otros cuerpos similares. Según su hipótesis, bastaba con electrizar un hilo de seda (electricidad resinosa) y observar si un cuerpo electrizado lo atraía o repelía para determinar su tipo de electricidad. Si lo atraía, era de electricidad vítrea; si lo repelía, era de electricidad resinosa.

No obstante, el mismo Dufay reconoció que una posible idea errónea era asociar el tipo de electricidad al material del objeto. Experimentos posteriores demostraron que el tipo de electrificación que adquiría un objeto dependía tanto del material frotado como del material frotante, y variaba según las condiciones de las superficies involucradas. Por ejemplo, el vidrio frotado con seda, lana o piel de gato, generalmente mostraba electricidad vítrea, pero al frotarlo con piel de conejo mostraba electricidad resinosa.

Finalmente, el modelo de las dos variedades de carga debía explicar por qué los objetos electrizados, ya sea con carga positiva o negativa, atraían a los objetos neutros. Dufay concluyó que los objetos neutros sufrían cambios internos cuando se les acercaba un cuerpo electrizado, y estos cambios eran diferentes si el cuerpo tenía carga positiva o negativa. La atracción mutua se explicaba por la menor distancia media entre las partículas cargadas de signo contrario, comparada con la distancia media entre partículas del mismo tipo.

A continuación, vamos a inferir posibles implicaciones de este estudio para el diseño de una SpEA en el contexto que habíamos definido. El objetivo es conseguir que los estudiantes consideren la carga eléctrica como una propiedad general de todos los materiales, con dos variedades, que explica las fuerzas eléctricas que aparecen en la interacción entre objetos.

En este apartado, presentamos los objetivos concretos/parciales de aprendizaje y los obstáculos asociados inferidos del estudio anterior, así como los avances históricos que han contribuido a su consecución. El resumen de la relación explícita entre las ideas clave identificadas en el estudio y los objetivos de aprendizaje, puede verse en el Anexo II.

Así pues, en primer lugar, a lo largo del recorrido histórico se constata un objetivo siempre presente: el de ampliar el tipo de materiales que son atraídos por un objeto electrizado, y el tipo de materiales que pueden electrizarse. Pasos necesarios para aceptar la universalización de la naturaleza eléctrica de todos los materiales, fueron:

• Todos los materiales son atraídos por un objeto electrizado. La consecución de este avance fue facilitada por:

- Sistematización empírica.

- Instrumentos adecuados (versorio, péndulo eléctrico, …), que permitieron detectar pequeñas fuerzas y mostrar que la atracción era mutua.

- Toma de conciencia de la influencia de las condiciones meteorológicas (especialmente, la humedad) en los fenómenos eléctricos.

• Posibles obstáculos:

- Identificación de atracción con acercamiento, lo que conduce a la creencia de que sólo son atraídos objetos pequeños.

- Ignorar que sobre un objeto actúan otras fuerzas además de la de atracción eléctrica (si fuera atraído, se movería).

• Todos los materiales se pueden electrizar (pueden adquirir la capacidad de atraer a objetos neutros). La consecución de este avance fue facilitada por:

- Mejora en los métodos de electrización por frotamiento (por ejemplo: calentar antes de frotar (reduciendo la humedad), que fue ampliando el conjunto de materiales eléctricos (electrizables por frotamiento) y reduciendo el de los no eléctricos a metales y cuerpos blandos (líquidos, gases; posiblemente el cuerpo humano).

- Descubrimiento de que la propiedad eléctrica se podía transmitir a un objeto neutro por contacto con otro ya electrizado por frotamiento. Incluso que se podía transmitir a objetos lejanos del electrizado a través de objetos interpuestos (conducción eléctrica). Especialmente, los materiales considerados no eléctricos, como los metales, se electrizaban fácilmente por contacto, y eran buenos o muy buenos conductores de la electricidad.

- Todos los materiales se pueden electrizar, pero se pueden clasificar como conductores o aislantes, según transmitan más o menos fácilmente la electrización. Los metales son buenos o muy buenos conductores (cobre, plata, oro). El vidrio y la seda son muy buenos aislantes (además, absorben muy poco la humedad del aire). La conductividad es una propiedad que varía enormemente. Algunos malos conductores (como la madera seca, cuerda de embalar, …) mejoran su conductividad al absorber la humedad del aire o al mojarse.

En segundo lugar, este avance hacia la universalización de la electrización fue acompañado de posibles explicaciones sobre las causas de ese comportamiento, hasta llegar a la hipótesis de que había una propiedad (la carga eléctrica), común a todos los objetos, que tenía dos variedades, cuya cantidad está igualada en los objetos no electrizados. Un objeto manifiesta dicha propiedad (atrayendo a objetos no electrizados) cuando (por algún método) adquiere mayor cantidad de una variedad de carga que de la otra (se dice, entonces, que está cargado) o cuando, sin estar cargado, debido a la cercanía a un objeto cargado, la concentración de ambas variedades es diferente en distintas partes del objeto (se dice, entonces, que está electrizado por influencia o polarizado). La capacidad de atraer de un objeto polarizado desaparece en cuanto se aleja del objeto cargado. Además, objetos cargados con variedades diferentes se atraen y cargados con la misma variedad se repelen.

Los pasos necesarios para llegar a aceptar que la carga eléctrica es una propiedad de la materia (de cualquier objeto o material) con dos variedades, fueron:

• La superación de un modelo monocarga (solo un tipo de carga) del objeto electrizado que atraía a objetos neutros sin que se produjera cambio alguno en el objeto atraído (pasivos). La consecución de este avance fue facilitada por:

- La atracción era mutua (utilizando versorios o dos péndulos).

- El descubrimiento de fuerzas repulsivas entre el objeto electrizado por contacto y el que le transmite la propiedad eléctrica (el modelo monocarga tenía que explicar por qué unas veces atraía y otras repelía; Dufay tuvo que introducir la idea de que la carga era autorrepulsiva: un cuerpo cargado siempre atraía a uno descargado, pero dos cuerpos cargados siempre se repelían).

- El estudio de la interacción entre cuerpos cargados: entre objetos cargados puede haber fuerzas repulsivas o atractivas (esto no podía ser explicado por el modelo monocarga). En particular, el descubrimiento de que todos los cuerpos cargados (por cualquier método) que eran repelidos por otro objeto cargado, se repelían entre sí; y que todos los cuerpos cargados (por cualquier método) que eran atraídos por otro objeto cargado, se repelían, también, entre sí. Cuando un objeto cargado atraía a otro también cargado, atraía a todos los objetos cargados que eran repelidos por él. Tenían que existir dos variedades de la propiedad eléctrica. Nunca ha hecho falta una tercera variedad.

- La explicación de por qué ambas variedades atraían a objetos neutros. Esto implica admitir que los objetos neutros no eran pasivos, sino que tenían ambas variedades de carga que se desplazaban de distinta forma dependiendo del tipo de carga del objeto electrizado que se le acercaba: ¡en los objetos neutros estaban siempre presentes ambas variedades de cargas en la misma cantidad! Electrizar o cargar un cuerpo equivale a dejarlo con exceso de una de las dos variedades de carga.

Además, el estudio histórico-epistemológico aporta conocimiento práctico (cómo electrizar mejor objetos por frotamiento, la necesidad de disminuir al máximo la humedad en el aula, cómo aislar, …) que facilitará que los experimentos de electrización no sean tan imprevisibles o caóticos como podrían ser si no se tiene este conocimiento.

Por último, en el estudio presentado también se han indicado posibles ideas erróneas que pueden tener nuestros alumnos/as que incluyen las encontradas en la investigación didáctica (Furió y Guisasola, 1998; Criado y Cañal, 2002; Criado y García Carmona, 2010; Mi et al., 2023) para alumnado principiante. También, pueden encontrarse argumentos y contraargumentos para hacer reflexionar a los alumnos/as sobre sus ideas en las puestas en común de las actividades de la SpEA (Martínez-Torregrosa et al., 2024).