ELECTROSTATICA Y MAGNETISMO

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN U.E.C.A “ÁNGEL DE LA GUARDIA ” ESTADO GUARICO

DOCENTE:

ESTUDIANTES:

LUIS LOPEZ

RANGEL JECKSON # 10 9º SECCIÓN “B”

SAN JUAN DE LOS MORROS, MORROS, ABRIL 2012

INTRODUCCIÓN La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados y son temas de gran importancia en la física. Usamos electricidad para suministrar energía a las computadoras y para hacer que los motores funcionen. El magnetismo hace que un compás o brújula apunte hacia el norte, y hace que nuestras notas queden pegadas al refrigerador. Sin radiación electromagnética viviríamos en la obscuridad ¡pues la luz es una de sus muchas manifestaciones. La electricidad puede existir como carga estacionaria, conocida como electricidad estática; también puede estar en movimiento y fluyendo, conocida como corriente eléctrica. Las partículas subatómicas tales como los protones y electrones, poseen cargas eléctricas minúsculas. En tiempos relativamente recientes, la humanidad ha aprendido a almacenar el poder de la electricidad. Este poder, y los muchos tipos de circuitos y dispositivos eléctricos que el hombre ha inventado, han transformado el mundo de manera radical. La electricidad también juega un papel importante en el mundo natural, cuando se generan poderosos rayos que producen señales que se desplazan a través de nuestros nervios. El magnetismo es primo hermano de la electricidad. Algunos materiales, tales como el hierro, son atraídos por imanes, mientras que otros, como el cobre, ignoran su influencia. Describimos el movimiento de objetos influenciados por imánes en t érminos de campos magnéticos. Sabemos que los imanes tienen polo norte y polo sur, y que polos iguales se rechazan entre sí, mientras que polos opuestos se atraen. La electricidad y el magnetismo son dos caras de una simple fuerza fundamental. Al acelerar un imán se producirá una corriente eléctrica, si varías el flujo de electricidad, se origina un campo magnético. Estos principios los usamos en la construcción de motores y generadores. Alterar los campos magnéticos produce radiación electromagnética. Esta energía de movimiento muy rápido ocurre en una forma continua conocidas como espectro electromagnético, que abarca de ondas de radio y microondas a luz ultravioleta, luz visible luz infrarroja, y los potentes rayos X y rayos gamma . Cuando el espectro es separadp en sus constituyentes por un espectroscopio, el espectro electromagnético revela mucho sobre objetos distantes tales como las estrellas. Hacemos uso de nuestro conocimiento sobre este tipo de radiación en la construcción de telescopios para ver los cielos, radios para comunicaión, y máquinas de rayos X para diagnósticos medicos. La sociedad humana moderna hace uso de la electricidad y el magnetismo de muchas maneras. Los generadores en las plantas de energía convierten el vapor en flujo eléctrico, el cual vuelve a convertirse en energía mecánica cuando la corriente llega hasta un motor. Un láser lee la información de un disco compacto, y convierte los patrones microscópicos en sonidos audibles cuando las señales eléctricas llegan hasta las bocinas. Los semiconductores de las computadoras canalizan el flujo de información contenida en pequeñas señales eléctricas, ¡envíando información sobre electricidad y magnetismo (y muchos otros temas) a través de Internet hasta su computador.

QUÉ ES LA ELECTRIZACIÓN Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere cargas eléctricas, se dice que ha sido electrizado. La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática. Para explicar como se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo número des cargas positivas y negativas. Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie Triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en la serie triboeléctrica. Un ejemplo de materiales ordenados de más positivo a más negativa es el siguiente: Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón. El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas por que ambos materiales ocupan posiciones distintas en la serie triboeléctrica, lo mismo se puede decir del ámbar y del vidrio. Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material.

FORMAS DE ELECTRIZACIÓN Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de electrización denominada por contacto se caracteriza porque es permanente y se produce tras un reparto de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que depende de la geometría de los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante, la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo en contacto con él. Se trata, en este caso, de una electrización a distancia o por inducción o influencia. Si el cuerpo cargado lo está positivamente la parte del cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con electricidad positiva.

ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada negativamente y aquél positivamente. En términos análogos puede explicarse la electrización del vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del principio de conservación de la carga eléctrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.

ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones

ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro. Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.

Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste.

En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente

Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.

ESTRUCTURA DE LA MATERIA La materia consiste de partículas extremadamente pequeñas agrupadas juntas para formar el átomo. Hay 92 ocurrencias naturales de estas agrupaciones de partículas llamadas elementos. Estos elementos fueron agrupados en la tabla periódica de los elementosen secuencia de acuerdo a sus números atómicos y peso atómico. Hay además 14 elementos hechos por el hombre que no ocurren en la naturaleza, por lo que al final son unos 106 elementos conocidos hasta la fecha. Estos elementos no pueden cambiarse por procesos químicos. Ellos solo pueden ser cambiados por reacción nuclear o atómica, sin embargo pueden ser combinados para producir el incontable número de compuestos con los que tropezamos día a día. Los primeros investigadores que en épocas recientes

intentaron el estudio de la materia se dieron cuenta que había ciertas regularidades en todos los elementos de una columna y que esto solo era posible si se admitía cierta estructura atómica. El descubrimiento del electrón por Thomson, los trabajos de Rutherford y el descubrimiento de protones y neutrones afirmaron la divisibilidad del átomo y la existencia de cierta estructura en su interior.

FENÓMENO ELECTROSTÁTICO La existencia del fenómeno electrostático es bien conocido desde la antigüedad, existen numerosos ejemplos ilustrativos que hoy forman parte de la enseñanza moderna, como el hecho de que ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotamiento.

Electrización Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. 1. Por contacto: Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva. 2. Por frotamiento: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

CARGA ELÉCTRICA Es una de las propiedades básicas de la materia. Realmente, la carga eléctrica de un cuerpo u objeto es la suma de las cargas de cada uno de sus constituyentes mínimos (moléculas, átomos y partículas elementales). Por ello se dice que la carga eléctrica está cuantizada. Existen dos tipos de carga eléctrica, que se han denominado cargas positivas y negativas. Las cargas eléctricas de la misma clase o signo se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen.

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN Y CUANTIZACIÓN DE LA CARGA Las cargas eléctricas solo se pueden producir por parejas. La cantidad total de las cargas eléctricas positivas producidas en igual a la de las negativas, es decir, la cantidad total de carga eléctrica en cualquier proceso permanece constante. Además, cualquier carga localizada en un cuerpo siempre es múltiplo entero de la unidad natural de carga, la del electrón.

EJEMPLOS DE FENÓMENOS ELÉCTROESTATICOS 1. Poniendo muy próximos dos péndulos eléctricos tocados con vidrio frotado, se observa una repulsión mutua; si los dos se han tocado con resina frotada, la repulsión se origina análogamente; si uno de los dos péndulos se ha puesto en contacto con resina frotada y el otro con vidrio, se produce una mutua atracción.

2. Cuando frotamos una barra de vidrio con un paño. Lo que hemos hecho es arrancar cargas negativas de la barra que han quedado atrapadas en el paño, por lo que la barra inicialmente neutra ha quedado con defecto de cargas negativas (cargada positivamente) y el paño con un exceso de cargas negativas, en el sistema total vidrio-paño, la carga eléctrica no se ha modificado, únicamente se ha redistribuido. 3. Cuando caminas por alfombra y tocas el pivote de la puerta metálico. Sientes una descarga eléctrica. 4. Cuando te peinas con un peine puedes recoger pedacitos de papel con el peine.

LEY DE CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA El electrón, la primera partícula elemental, se descubrió hace mucho, en 1897. Por lo que se ha podido comprobar hasta el momento, es absolutamente estable y no se desintegra en otras partículas más ligeras. La estabilidad absoluta del electrón está garantizada por la ley de conservación de la carga eléctrica En una interacción de partículas la carga eléctrica total ha de mantenerse constante. El electrón es la partícula cuántica cargada más ligera, y no puede desintegrarse en partículas más ligeras porque no hay ninguna partícula que pueda llevarse su carga eléctrica. La ley de la conservación de la carga eléctrica, como todas las leyes físicas, se somete a pruebas experimentales; hasta el momento no se ha demostrado que no se cumpla. Las leyes de conservación, como la ley de conservación de la carga eléctrica, desempeñan un papel muy importante en la interpretación de las interacciones de partículas y en la investigación del origen del universo. Las leyes de conservación, de acuerdo con los trabajos de Noether, son consecuencia de una simetría exacta. La ley de conservación de la carga eléctrica, si es absoluta, es el resultado de una simetría exacta de las ecuaciones de la teoría de campo.

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA CARGA En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva. En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera, sólo existe una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea. Al igual que las otras leyes de conservación, la conservación de la carga eléctrica está asociada a una simetría del lagrangiano, llamada en física cuántica invariancia gauge. Así por el teorema de Noether a cada simetría del lagrangiano asociada a un grupo uniparamétrico de transformaciones que dejan el

lagrangiano invariante le corresponde una magnitud conservada. La conservación de la carga implica, al igual que la conservación de la masa, que en cada punto del espacio se satisface una ecuación de continuidad que relaciona la derivada de la densidad de carga eléctrica con la divergencia del vector densidad de corriente eléctrica, dicha ecuación expresa que el cambio neto en la densidad de carga dentro de un volumen prefijado es igual a la integral de la densidad de corriente eléctrica sobre la superficie que encierra el volumen, que a su vez es igual a la intensidad de corriente eléctrica :

Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que posee el electrón y al cual se lo representa como e. Cualquier carga q que exista físicamente, puede escribirse como siendo N un número entero, positivo o negativo.

DIVISIBILIDAD DE LA CARGA ELÉCTRICA Fueron los experimentos de Faraday sobre la electrólisis, realizados hacia 1830, los que: Sugirieron que los átomos no eran tan simples e indivisibles como Dalton supuso. El hecho de que la corriente eléctrica produjera un cambio químico indicaba la existencia de una relación entre electricidad y materia, o en otras palabras, que los átomos debían poseer una estructura de naturaleza eléctrica. Pero, ¿en qué consistía la electricidad? ¿Por qué, aunque sus propiedades eran conocidas, la electricidad seguía considerándose, como desde el principio, un fluido misterioso?

IMÁN Un imán (del francés aimant) es un cuerpo o dispositivo con un campo magnético (que atrae o repele otro imán) significativo, de forma que tiende a juntarse con otros imanes (por ejemplo, con campo magnético terrestre).

PARTES DE UN IMÁN 

Eje magnético: barra de la línea que une los dos polos.

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Línea neutral: línea de la superficie de la barra que separa las zonas polarizadas.

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Polos: los dos extremos del imán donde las fuerzas de atracción son más intensas. Estos polos son, el polo norte y el polo sur; (no deben confundirse con positivo y negativo) los polos iguales se repelen y los diferentes se atraen.

POLOS MAGNÉTICOS Tanto si se trata de un tipo de imán como de otro, la máxima fuerza de atracción se halla en sus extremos, llamados polos. Un imán consta de dos polos, denominados polo norte y polo sur, o, alternativamente, polo positivo y polo negativo. Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen. No existen polos aislados (véase Monopolo magnético), y por lo tanto, si un imán se rompe en dos partes, se

forman dos nuevos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur, aunque la fuerza de atracción del imán disminuye. Entre ambos polos se crean líneas de fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en el interior del imán también van de un polo al otro. Como se muestra en la figura, pueden ser visualizadas esparciendo limaduras de hierro sobre una cartulina situada encima de una barra imantada; golpeando suavemente la cartulina, las limaduras se orientan en la dirección de las líneas de fuerza.

POLARIDAD DE UN IMÁN Para determinar los polos de un imán se considera la tendencia de éste a orientarse según los polos magnéticos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural: el polo norte de un imán se orienta hacia el polo sur magnético, que está próximo al polo norte geográfico, mientras que el polo sur del imán se orienta hacia el polo norte magnético, que está próximo al polo sur geográfico. El ángulo comprendido entre la componente horizontal del campo magnético terrestre y el meridiano geográfico se denomina declinación magnética.

EFECTO MAGNÉTICO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA Durante muchos siglos, los fenómenos magnéticos no tuvieron demasiado interés para los científicos. Pero el estudio del magnetismo cobró un tremendo impulso tras los descubrimientos que relacionaron el magnetismo con la corriente eléctrica.

Las experiencias de Oersted En 1819, mientras daba clases sobre electricidad, Hans Christian Oersted (17771851) comprobó que la aguja de una brújula se desviaba en las proximidades de un hilo conductor por el que circulaba corriente eléctrica Igual que en el primer experimento, antes de conectar la corriente eléctrica la aguja imantada se orienta al N-S geográfico. Pero al conectar ahora el circuito eléctrico, la aguja se orienta también perpendicularmente al hilo, aunque girando en dirección contraria a la efectuada anteriormente. Las experiencias de Oersted demuestran que las cargas eléctricas en movimiento crean un campo magnético, que es el causante de la desviación de la brújula; es decir, una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético.

Campo magnético creado por un conductor rectilíneo Las líneas de fuerza del campo magnético creado por un conductor rectilíneo son circunferencias concéntricas y perpendiculares al conductor eléctrico. Para saber la dirección que llevan dichas líneas de fuerza nos ayudaremos con la regla de la mano derecha. Para aplicar dicha regla, realizaremos el siguiente proceso. Tomamos el hilo conductor con la mano derecha colocando el dedo pulgar extendido a lo largo del hilo en el sentido de la corriente. Los otros dedos de la mano indican el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético creado.

Campo magnético creado por una espira Una espira es un hilo conductor en forma de línea cerrada, pudiendo ser circular, rectangular, cuadrada, etc. Si por la espira hacemos circular una corriente eléctrica, el campo magnético creado se hace más intenso en el interior de ella. El sentido de las líneas de fuerza es el del avance de un sacacorchos que girase en el sentido de la corriente.

Campo magnético creado por un solenoide o bobina Si, en lugar de disponer de una sola espira, colocamos el hilo conductor en forma enrollada, obtendremos un solenoide o bobina. En este caso, el campo magnético creado por la corriente al pasar a través de la bobina será mucho mayor, puesto que el campo magnético final será la suma de campos creados por cada una de las espiras. Así  pues, en una bobina, el campo magnético será más intenso cuanto mayor sea la intensidad de corriente que circule por ella y el número de espiras que contenga la bobina. De esta forma, una bobina, por la que circule una corriente eléctrica equivaldría a un imán de barra. El sentido de las líneas de fuerza se determina a partir de cualquiera de sus espiras.

El magnetismo a nivel microscópico El magnetismo es, pues, una propiedad de las cargas en movimiento. Podríamos decir entonces que un imán está formado por infinidad de cargas eléctricas en movimiento. A nivel microscópico, podemos pensar que los átomos que forman el imán se comportan como imanes elementales con sus respectivos polos. 

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En un imán, todos sus imanes elementales están orientados de igual forma. En una sustancia no magnética, los imanes elementales están orientados al azar.

El electroimán Cuando atravesamos un conductor rectilíneo por una cartulina sobre la que se han esparcido limaduras de hierro, al cerrar el circuito la distribución de las limaduras nos da idea de cómo son las líneas del campo magnético creado. Un conductor arrollado en forma de circunferencia se llama espira, y se comporta como un pequeño imán. Al aumentar la corriente que pasa por la espira se incrementa el valor del campo magnético en el centro de la misma.

Amperímetro Sabemos que al aumentar la intensidad que circula por la bobina también aumenta el campo magnético creado en el interior de la bobina. Aplicando lo anterior podemos construir un amperímetro. Un amperímetro consta de una bobina conectada a un circuito eléctrico con un imán móvil en el interior de la bobina, unido a una aguja que se desplaza sobre una escala

El campo magnético Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un ‘campo magnético’. Los campos magnéticos suelen representarse mediante ‘líneas de campo magnético’ o ‘líneas de fuerza’. En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas. En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza.

APARATO BASADO EN EFECTO ELECTROMAGNÉTICO MOTOR ELÉCTRICO Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos magnéticos variables electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos. Son ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos. Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estátor, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor. Aprovechando el estator y rotor ambos de acero laminado al silicio se produce un campo magnético uniforme en el motor. Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha

CONCLUSIÓN Al haber concluido la siguiente investigación logramos comprender que la corriente eléctrica es de gran importancia para el desarrollo de la vida diaria ya que sin ella no podríamos realizar ningunas de las actividades, que llevamos a cabo cada día de nuestra vida. Es por ello que podemos decir que la corriente eléctrica es: La corriente eléctrica es el flujo de portadores de carga eléctrica, normalmente a través de un cable metálico o cualquier otro conductor eléctrico, debido a la diferencia de potencial creada por un generador de corriente. Es gran de gran importancia que para la realización de esta investigación se llevo a cabo, la recopilación bibliográfiica de todo tipo de material referente al desarrollo de del presente objetivo a desarrollar como lo es la corriente eléctrica entre otros temas a destacar.

BIBLIOGRAFIA

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