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I. Objetivos

1. Demostrar experimentalmente la existencia de una de las propiedades fundamentales de la materia llamada carga eléctrica.

2. Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante los diversos procesos.

3. Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y signos opuestos.

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II. Materiales

Paños de algodón, seda y lana. Electroscopio Barras de acetato, vinilita y

vidrio. Esferas de tecnoport Soportes Maquina de wimshurst Generador de van de graaff

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III. Fundamentos TeóricosSe atribuye a Thales de Mileto (640-548 A.C) haber observado que un trozo de ámbar frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos. W. Gilbert (1540-1603) comprobó que no solo el ámbar al ser frotado atraía cuerpos ligeros, sino también lo hacían muchos otros cuerpos como la ebonita, el vidrio, la resina, el azufre, etc. Cuando sucede esto se dice que el cuerpo ha sido electrizado por frotamiento. Aceptamos que ha aparecido en ellos una “cantidad de electricidad” o una cierta carga eléctrica que es la causa de las atracciones, o también las repulsiones, que se producen.

Existen dos tipos de cargas eléctricas.Se comprueba experimentalmente que cuerposcon cargas de igual tipo se repelen, mientras que Gancholos de tipo distinto se atraen. Los dos tipos de cargaseléctricas existentes son denominados cargaspositivas y cargas negativas. A un cuerpo que no Hilo este cargado eléctricamente se le denomina cuerpo de sedaelectrostáticamente neutro, en este caso decimosque tiene igual número de cargas de ambos tipos. Bola de

tecnopor

ELECTROSTATICA:

Una de las cuatro interacciones fundamentales existentes en la Naturaleza es la interacción electromagnética. Los fundamentos de esta última se encuentran en su forma más simple en la conocida interacción electrostática.

CARGA ELECTRICA:

Propiedad de algunas partículas elementales que da lugar a una interacción o fuerza electrostática entre ellas, y por extensión a toda una serie de fenómenos definidos como eléctricos. La carga aparece en la naturaleza de dos formas, denotadas convencionalmente como carga positiva y carga negativa para distinguirlas. Dos partículas con cargas del mismo tipo (lo que se conoce como cargas del mismo signo), se ven sometidas a una fuerza de repulsión entre ellas; por el contrario, dos partículas con cargas de distinto signo se ven sometidas a una fuerza de atracción entre ellas. Por algún motivo, la carga eléctrica está unida a la masa. Es decir, no se conoce ninguna partícula elemental carente de masa que posea carga (p.e., no se conocen fotones cargados). La unidad natural de carga negativa es el electrón, mientras que la unidad natural de carga positiva es el protón. Ambas partículas poseen cargas de la misma magnitud, pero sus efectos sobre otra carga son opuestos. Los quarks poseen cargas que son una

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fracción de la unidad de carga del electrón, pero no es posible encontrar quarks aislados.La materia es eléctricamente neutra, ya que tiende a estar constituida por el mismo número de electrones y protones. El exceso de electrones haría que un cuerpo estuviese cargado negativamente, mientras que el defecto de electrones (los protones forman parte del núcleo atómico, y no son en principio susceptibles de ser ganados o perdidos con facilidad) haría que el cuerpo estuviese cargado positivamente. Un flujo de partículas cargadas constituye la electricidad.

El concepto fundamental requerido para la descripción de los fenómenos electromagnéticos es el de “carga eléctrica”, entenderemos que ésta es una propiedad de la materia que se presenta en dos variedades las que se ha dado en llamar positiva y negativa.

En último término la carga eléctrica se encuentra presente en las partículas fundamentales de la materia, es así como la carga negativa está asociada al electrón mientras que la positiva al protón.

Existe una unidad fundamental de carga eléctrica llamada “carga del electrón”, simbolizada con la letra e, cuyo valor es 1,6 · 10-19 [C]. Así entonces se tiene que:

Carga eléctrica de un protón = +eCarga eléctrica de un electrón = - e

Habitualmente la carga presente en alguna distribución es representada con la letra q, la existencia de la unidad fundamental antes mencionada permite asegurar que:

q = N e

En donde N representa un número entero, esto se conoce como ley de cuantización de la carga eléctrica y su verificación experimental obedece al físico norteamericano Robert Millikan (1869-1953), quien, debido a estas investigaciones, recibe el Premio Nobel de Física en el año 1923.

Entonces podemos asegurar que si un objeto presenta carga positiva es porque ha perdido electrones, mientras que si presenta carga negativa se debe a que posee un exceso de electrones. Cuando se frota una varilla de vidrio con seda, electrones de la superficie de la varilla son transferidos a la seda, de esta manera la varilla queda cargada positivamente mientras que la seda adquiere la misma cantidad de carga pero negativa.

Cuando se frota una barra de ámbar con piel, electrones de la piel pasan hacia la barra, ante esto esta última adquiere una carga negativa, quedando entonces la

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piel con carga positiva. En beneficio de la cultura general es preciso hacer notar que en griego la palabra significa ámbar.

Cuando dos cuerpos que poseen igual carga eléctrica se acercan uno al otro el resultado será la repulsión de ambos en diferentes direcciones, en cambio, si ambos tuvieran diferentes tipos de cargas eléctricas ambos se atraerían automáticamente como se muestra en la figura:

Repulsión

Repulsión

Atracción

Atracción

Máquina de Wimshurst:

La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832 - 1903). Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra-rotación (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Se basa en el efecto

+

-

+

+ -

-

-

+

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triboeléctrico, en el que se acumulan cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.

Máquina de Van De Graaff:

El generador de Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los 5 megavoltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.

Este tipo de generador eléctrico fue desarrollado inicialmente por el físico Robert J. Van de Graaff en el MIT alrededor de 1929 para realizar experimentos en física nuclear en los que se aceleraban partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El primer modelo funcional fue exhibido en octubre de 1929 y para 1931 Van de Graaff había producido un generador capaz de alcanzar diferencias de potencial de 1 megavoltio. En la actualidad existen generadores de electricidad capaces de alcanzar diferencias de voltaje muy superiores al generador de Van de Graaff pero directamente emparentados con él. Sin embargo, en la mayor parte de los experimentos modernos en los que es necesario acelerar cargas eléctricas se utilizan aceleradores lineales con sucesivos campos de aceleración y ciclotrones. Muchos museos de ciencia están equipados con generadores de Van de Graaff por la facilidad con la que ilustra los fenómenos electrostáticos.

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IV. Procedimiento

A-1 Maquina de wimshurst

1. Identifique las partes de las maquinas electrostáticas.

2. Gire lentamente la manivela en sentido horario, los conductores transversales deben señalar, por arriba, hacia la izquierda y por debajo, hacia la derecha, en un angulo de 45°, en relación con la barra de aislamiento.

3. Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado

 Al mantener el interruptor abierto y girar la manivela en sentido horario podemos apreciar que se produce una descarga de chispas por la palanca de acoplamiento

4. Ahora cierre el interruptor, anote lo observadoDe igual manera al mantener el interruptor cerrado se aprecia una descarga de chispas.

5. Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 2,3 y 4 se efectúan girando las manivelas del equipo

6. Determinamos la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio, este último se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plástico previamente frotada con lana, anote el signo de la carga.

7. Ahora acerque la lámpara de fluorescente y anote lo observado, identifique la polaridad de la lámpara. No se realizó este paso por falta de materiales.

8. Descarga con punta (figura -04); colocar la rueda de punta sobre el rodamiento de agujas en el soporte, conectar la fuente de carga y transmitir la carga, anote lo observado.Se observa que las agujas empiezan a girar en sentido anti horario.

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9. Juego de campanas; (figura -07) colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y acrecentar lentamente la carga suministrada, anote lo observado.Se observa que los péndulos se repelen y durante una fracción de segundo se pegan a las campanas y generan electricidad en contacto

10.Tablero de destellos; (figura -08) colocar el tablero de destellos en el soporte, conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada, anote lo observado.Se observa que el tablero presenta destellos de luz. Estos destellos son bastante pequeños pero se presentan en todo el tablero.

11.Carril de rodamiento con bolar; (figura -11). Colocar sobre el soporte la placa de base, y el carrol de distancia a carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegurese de que la distancia del carril de rodamiento con bolas no caiga hacia un lado. Coloca la bola, limpia y seca, sobre la placa de base de tal manera que entre en contacto con el canto del electrodo esférico superior. Conectar la fuente de alimentación y suministrar lentamente la carga, anote lo observado.

A-2 Máquina de Van De Graaff:

1. Conecte la máquina de Van De Graaff, a la fuente de 250V de C.A.

2. Una vez encendida, la faja vertical comenzara a girar, identifique el sino de la carga de la esfera, con la ayuda de un electroscopio. Anote lo observado.

Con la ayuda del electroscopio podemos notar que la esfera se carga positivamente.

3. Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo valor del ángulo que se desvían las hojuelas.

Cuando acercamos el electroscopio a la esfera podemos observar que entre ambos se genera un rayito azul, mientras más cerca se encuentra el electroscopio la intensidad del rayo es mayor.

El máximo ángulo de desvío es de aproximadamente 120°.

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A-3 Péndulo eléctrico

1. Acerque cualquiera de las barras, sin frotarla, a la esfera de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico como muestra la ilustración

2. Frote la barra de acetato con el paño de sea, luego acérquela a la esfera de tecnoport. Repita la operación frotando la barra de vinilito.

3. Ponga a frente dos esferas de tecnoport suspendidas en los péndulos eléctricos. A continuación frote la barra de vinilito con el paño de lana, luego toque a la esfera 1 y a la esfera 2.

4. Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda y la barra de vinilito con el paño de lana y toque la esfera 1 con la barra de acetato y a la esfera 2 con la barra de vinilito.

5. Asigne el nombre que usted desee a las cargas eléctricas obtenidas en los pasos 3 y 4.

6. Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda, luego toque la esfera 1 y la esfera 2.

7. Frote nuevamente la barra de vinilito con el paño de lana, luego acerque a la esfera 1 y esfera 2.

8. Acerque sin tocar la barra de acetato a la esfera 1, simultáneamente acerque sin tocar la barra de vinilito a la esfera 2.

9. La ilustración 3 nos muestra un estetoscopio, aparato que nos permite observar si un cuerpo está electrizado o no lo está. Acerque la barra de acetato previamente frotada con el paño de seda a ña esfera metalica del estetoscopio.

10.Manteniendo cerca de la esfera metálica, la barra de acetato, coloque un dedo de su mano sobre la esfera.

11.Manteniendo cerca de la esfera metálica la barra de acetato, retire el dedo que había colocado sobre ella.

12.Retire la barra de acetato de la vecindad de la esfera metálica.

13.Repita ls pasos 7, 8, 9 y 10 con la barra de vinilito que ha sido previamente frotada con el paño de lana.

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V. Conclusiones

Hemos concluido que cargas diferentes se atraen entre si así como también las cargas de mismo signo se repelen entre sí, además hemos aprendido que el hecho de que un cuerpo tenga carga positiva o negativa significa que tiene un exceso o un déficit de electrones.Hemos comprobado la eficacia de los métodos por el cual se carga un objeto: fricción, frotación y contacto.

VI. Recomendaciones Mantener los objetos q participan en los experimentos inicialmente neutros.

Tener cuidado al manipular los instrumentos ya que en este experimento trabajamos con corriente eléctrica.

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VII. Cuestionario1. ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas

de tecnopor? Explique.Como el ser humano está en contacto con la tierra obtiene carga negativa por lo que al ponerse en contacto un dedo con la esfera de tecnopor, el dedo atraerá o repelerá a la esfera si la carga del tecnopor es positiva o negativa respectivamente. Esto significa que como el dedo de la mano está cargado negativamente entonces la esfera si está cargada positivamente será atraída por el dedo puesto que necesita balancear su carga negativa y si tuviese carga negativa el dedo lo repelerá puesto que tienen la misma carga.

2. En las experiencias efectuadas, ¿Cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique.

Podemos explicarla en la máquina de Van De Graaff, pues se nota que es un objeto de dimensión apreciable, podríamos tomar un diferencial de carga para la esfera de la máquina de Van De Graaff y la interacción con un cuerpo de dimensión despreciable de carga Q, entonces cada diferencial de carga interactúa con la carga Q y la suma de todas las fuerzas obtenidas sería la fuerza ejercida entre la carga Q y la carga q. Aquí podríamos apreciar el principio de superposición.

3. Del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?

En nuestro experimento hemos trasladado la carga negativa, aunque hemos visto que se han cargado los objetos tanto negativa como positivamente.

4. Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.

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

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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.

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5. ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente.Porque casi el 70% del organismo consta de agua ionizada, un buen conductor de electricidad. De acuerdo con la electrofisiología, ciencia que estudia las reacciones que produce la corriente eléctrica, cada uno de los tejidos de nuestro cuerpo reacciona cuando una descarga circula por el organismo y los efectos biológicos dependen de su intensidad. Se ha descubierto que las partes más sensibles son la retina y el globo ocular, pues ante cualquier estímulo eléctrico producen una sensación luminosa. Le sigue la lengua, la cual manifiesta un sabor alcalino. El aislamiento de la persona del suelo por usar suelas de material no conductor (goma, plástico) o estar situada sobre pavimento no conductor es la condición necesaria para que ésta pueda acumular cargas electrostáticas considerables.

6. En la ilustración 6 considere la bola 1 tiene una carga q y la bola 2 está descargada. considere además que ambas bolas tienen igual radio r ¿qué sucedería?

Lo que sucedería es que ambas bolas se juntarían haciendo que la bola descargada obtenga una carga opuesta a la bola cargada.

7. siguiendo con la ilustración 6, suponga que mediante algún deslizamiento del hilo ambas esferas se ponen en contacto, después del contacto ¿qué es lo que observaría? ¿cuál sería la carga de la esfera 2?

La unión de ambas bolas se debe posiblemente a que una bola este cargada inicialmente negativamente, esto produciría que los protones de la bola descargada se concentre en la superficie de contacto.

8. Respecto a la pregunta 6, suponga ahora que la bola 1 tiene un radio 2r y la bola 2 un radio r. Si la bola 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la bola 2; ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2?

Cuando se pongan en contacto la carga que adquiere la esfera 2 será igual a Q/5 pues la carga antes y después de estar en contacto se conserva y en las esferas la carga se distribuirá en forma proporcional a sus respectivas superficies, así pues la esferita 2 queda con esa carga y la esfera 1con una carga de 4Q/5, ambas del mismo signo.

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9. En un experimento de electrostática se observa que la distancia entre las esferas idénticas 1 y 2, inicialmente descargadas es de 12 cm, (Ilustración 6). Luego de transmitirles la misma carga q a ambas esferas estas se separan hasta 16 cm. ¿Cuál es el valor de esta carga, si la masa de cada una de ellas es de 5 g y la longitud de los hilos en los que están suspendidas las esferas es de 30 cm?

Sabemos:

.10. Un objeto cargado positivamente se acerca a la esfera de un

electroscopio y se observa que las laminillas se cierran; y cuando se sigue acercando, sin tocar la esfera, de pronto las hojuelas se abren. ¿Qué tipo de carga tiene el electroscopio?

El electroscopio tiene carga negativa ya que a un principio se encuentran separadas las laminillas, cuando se acerca la carga negativa de las laminillas se van a la esfera y quedan con carga neutra. Al acercarse más el objeto cargado positivamente, mayor cantidad de carga negativa se va a la esfera metálica y nuevamente las laminillas quedan cargadas y se separan pero esta vez con carga positiva.

11.Que función cumplen las botellas de Leyden en la maquina de wimshust, explique detalladamente

La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas comportándose como un condensador o capacitador. La varilla metálica y las hojas de estaño conforman la armadura interna. La armadura externa está constituida por la capa que cubre la botella. La misma botella actúa como un material dieléctrico aislante entre las dos capas del condensador. El nombre de condensador proviene de las ideas del siglo XIX sobre la naturaleza de la carga eléctrica que asimilaban esta a un fluido que podía almacenarse tras su condensación en un dispositivo adecuado como la botella de Leyden. Este es el principio por el cual, si un rayo cae

F=T cos θmg=Tsenθ

Fmg

=T cosθTsenθ

F=mg(ctgθ )Kq2

(0 .16 )2=mg(ctg θ )→

9(109 )q2

(0 .16 )2=5 (10 )(6 . 682)(10−2 )

109q2=9. 5(10−3)→q=3 . 82μC

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por diferencia de potencial en un avión, este no sufrirá en su interior ningún tipo de descarga ni alteración eléctrica.

12.Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente

Tras aquellos experimentos se percibió un olor característico, único y punzante, generador; Van Marum se refirió al mismo como “el olor de la materia eléctrica”. Este olor era producto de la formación de ozono, siendoel primero en describirlo científicamente. Es el olor a Ozono O3 (variedad alotrópica del Oxigeno O2), que se genera a partir de el, por efecto de las chispas. También se percibe cuando hay una tormenta eléctrica

13. Explique el poder de las puntas y sus aplicaciones

En electrostática, el poder de las puntas está íntimamente relacionado con el concepto de la rigidez dieléctrica. Ésta es el mayor valor de campo eléctrico que puede aplicarse a un aislante sin que se vuelva conductor. Este fenómeno fue descubierto hace 200 años por Benjamin Franklin, al observar que un conductor con una porción puntiaguda en su superficie, descarga su carga eléctrica a través del aguzamiento y por lo tanto no se mantiene electrizado. Actualmente se sabe que esto se produce debido a que un conductor electrizado tiende a acumular la carga en la región puntiaguda. La concentración de carga en una región casi llana es mucho menor que la acumulación de carga eléctrica en un saliente acentuado. Debido a esta distribución, el campo eléctrico de las puntas es mucho más intenso que el de las regiones planas. Valor de la rigidez dieléctrica del aire en la porción más aguzada será sobre pasado antes que en las otras regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del conductor.

14.Mencione al menos 5 ejemplos del equipo de van de graaff.

1. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen producción de rayos x, esterilización de alimentos y experimentos de física de particulares y física nuclear Gracias al generador podemos hacer experimentos de ruptura dieléctrica en alta tensión sin peligro para el que los realiza.

2. Experimentos físicos: Se usa para realizar experimentos en física nuclear en los que se aceleran partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el banco.

3. Aceleración de electrones para esterilizaciones los alimentos y materiales usados en procesos industriales o científicos.

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4. Generará Rayitos X mediante grandes flujos de energía.

5. Fines educativos y de instrucción en temas de cargas eléctricas, gracias a este generador podemos hacer experimentos de ruptura dieléctrica en alta tensión sin peligro para el que lo realiza.

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VIII. Bibliografía 

FÍSICA GENERALIng. Juan Goñi GalarzaLIMA - PERU

FÍSICA GENERALAdisson Wesley LongmanBoulevard de las cataratas N3México 01900, DF.

FÍSICA GENERALSears ZemanskyYoung FreedmanVolumen II.

Fundamentos de ElectromagnetismoCheng FinneyVolumen IParis