Informe de Laboratorio 3 2

Campo eléctrico

Campo Eléctrico

Experiencia N°2

Objetivos

Graficar las líneas equipotenciales en la vecindad de dos configuraciones de carga (electrodos).

Calcular la diferencia de potencial entre dos puntos. Calcular la intensidad media del campo eléctrico. Estudiar las características principales del campo eléctrico.

Materiales

01 Cubeta de vidrio. 01 Fuente de voltaje de

CD. 01 Voltímetro. 02 Electrodos de cobre. 01 Punta de prueba. 01 Cucharadita de sal. 02 Papeles milimetrados. 04 Cables de conexión.

Fundamento Teórico

Laboratorio de Física 3 Página 1

Campo eléctrico

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Generador de Van Der Graaff

Van de Graaff inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco.

El generador de Van de Graaff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.

El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.

En la figura, se muestra un esquema del generador de Van de Graaff. Un conductor metálico hueco A de forma aproximadamente esférica, está sostenido por soportes aislantes de plástico, atornillados en un pié metálico C conectado a tierra. Una correa o cinta de goma (no conductora) D se mueve entre dos poleas E y F. La polea F se acciona mediante un motor eléctrico.

Dos peines G y H están hechos de hilos conductores muy finos, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la cinta.


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La rama izquierda de la cinta transportadora se mueve hacia arriba, transporta un flujo continuo de carga positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas se crea un campo lo suficientemente intenso para ionizar el aire situado entre la punta G y la cinta. El aire ionizado proporciona el medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y a continuación, al conductor hueco A, debido a la propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor hueco (cubeta de Faraday).

Funcionamiento del generador de Van de Graaff

Hemos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática, cuando se ponen en contacto dos materiales no conductores. Ahora explicaremos como adquiere la cinta la carga que transporta hasta el terminal esférico.

En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie del polea y la cinta están hechos de materiales diferentes. La cinta y la superficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signo contrario.

Sin embargo, la densidad de carga es mucho mayor en la superficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas se extienden por una superficie mucho mayor

Supongamos que hemos elegido los materiales de la cinta y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera un carga negativa y la superficie de la polea una carga positiva, tal como se ve en la figura.


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Si una aguja metálica se coloca cerca de la superficie de la cinta, a la altura de su eje. Se produce un intenso campo eléctrico entre la punta de la aguja y la superficie de la polea. Las moléculas de aire en el espacio entre ambos elementos se ionizan, creando un puente conductor por el que circulan las cargas desde la punta metálica hacia la cinta.

Las cargas negativas son atraídas hacia la superficie de la polea, pero en medio del camino se encuentra la cinta, y se depositan en su superficie, cancelando parcialmente la carga positiva de la polea. Pero la cinta se mueve hacia arriba, y el proceso comienza de nuevo.

La polea superior E actúa en sentido contrario a la inferior F. No puede estar cargada positivamente. Tendrá que tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya superficie es metálica).

Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta cambiando los materiales de la polea inferior y de la cinta. Si la cinta está hecha de goma, y la polea inferior está hecha de nylon cubierto con una capa de plástico, en la polea se crea una carga negativa y en la goma positiva. La cinta transporta hacia arriba la carga positiva. Esta carga como ya se ha explicado, pasa a la superficie del conductor hueco.

Si se usa un material neutro en la polea superior E la cinta no transporta cargas hacia abajo. Si se usa nylon en la polea superior, la cinta transporta carga negativa hacia abajo, esta carga viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como descendente.

Las características del generador de Van de Graaff que disponemos en el laboratorio de Física de la E.U.I.T.I. de Eibar, son los siguientes:

Diámetro de la esfera conductora 21 cm

Capacidad 15 pF

Tensión máxima 150-200 kV

Máxima corriente 6 mA


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Procedimiento:

A. Experimentación con Barras, Péndulos y Electroscopio

1. Frotamos la barra de vidrio con la seda. Luego acercamos la barra al péndulo.RESULTADO: La bolita de tecnoport que pende del hilo se atrae y se pega a la barra cuando la acercamos a ella (sin hacer contacto).Repetimos el procedimiento, esta vez acercamos la barra a la cabeza del electroscopio.RESULTADO: Las laminillas del electroscopio se separan ligeramente, en un ángulo que aproximamos a 12°.

2. Frotamos la barra de vidrio con lana. Luego la acercamos al péndulo.

RESULTADO: La atracción que ejerce la barra es nula o casi imperceptible sobre el péndulo.Repetimos el procedimiento, esta vez acercamos la barra a la cabeza del electroscopio.RESULTADO: Las laminillas del electroscopio no experimentan ningún cambio.

3. Frotamos el tubo de plástico con lana. Luego lo acercamos al péndulo.RESULTADO: Acercando en gran medida el tubo, la bolilla de tecnopor es atraída y se pega al tubo.Repetimos el procedimiento, esta vez acercamos el tubo a la cabeza del electroscopio.RESULTADO: Las laminillas se mueven muy ligeramente, calculamos que menos de 10°.

4. Frotamos el tubo de plástico con seda. Luego lo acercamos al péndulo.RESULTADO: La bolita de tecnopor se pega al tubo cuando está a menos de un centímetro de distancia, pero el efecto no duró mucho.Repetimos el procedimiento, esta vez acercamos el tubo a la cabeza del electroscopio.RESULTADO: Las laminillas casi no se mueven. La reacción es mínima.

5. Frotamos la barra de vinilita con lana. Luego la acercamos al péndulo.RESULTADO: El péndulo no reaccionó al acercar ni hacer contacto con la barra.


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Repetimos el procedimiento, esta vez la acercamos a la cabeza del electroscopio.RESULTADO: La reacción de las laminillas es nula o imperceptible.

6. Frotamos la barra de vinilita con seda. Luego la acercamos al péndulo.RESULTADO: La bolilla se pega por corto tiempo y cuando se ha acercado mucho la barra. Repetimos el procedimiento, esta vez la acercamos a la cabeza del electroscopio.RESULTADO: La reacción de las laminillas es mínima, se puede apreciar una leve separación menor a 10°.

7. Frotamos la barra de acetato con lana. Luego la acercamos al péndulo.RESULTADO: La bolilla se pega incluso cuando la barra no se encuentra tan lejos.Repetimos el procedimiento, esta vez la acercamos al electroscopio.RESULTADO: Notable separación de las laminillas, de 20° aproximadamente.

8. Frotamos la barra de acetato con seda. Luego la acercamos al péndulo.RESULTADO: La bolilla es atraída por la barra desde una distancia medianamente grande (6 cm).Repetimos el procedimiento, esta vez la acercamos a la cabeza del electroscopio.RESULTADO: Separación notoria de las laminillas, 15° aproximadamente.

9. En uno de los péndulos acercamos la barra de vidrio que ha sido frotada con la seda y en otro acercamos el tubo de plástico que ha sido frotado con la lana. Retiramos el tubo y la barra. Acercamos las bolillas de ambos péndulos. ¿Qué ocurre?RESULTADO: Ambas bolillas se alejan. Sus cargas deben ser iguales.

10. En uno de los péndulos acercamos la barra de vidrio que ha sido frotada con la seda y en otro acercamos el tubo de plástico que ha sido frotado con seda. Retiramos el tubo y la barra. Acercamos ambos péndulos. ¿Qué ocurre?RESULTADO: Ambas bolillas se acercan. Sus cargas son opuestas.

B. Máquina de Wimshurst y Máquina de Van Der Graaff


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MAQUNA DE WIMSHURST

L Y L’: BOTELLAS DE LEYDENa: PLACAS DE ESTAÑOA, B: CONDUCTORES TRANSVERSALES CON PINCELES DE METALK: MANIVELAH: BARRA DE ELECTRODOSF: DISCO ACRILICOS, S’: SOPORTE AISLANTE

Al girar la manivela de la máquina de Wimshurst en sentido horario con el sistema de interruptor de aislamiento abierto se puede observar una chispa que se forma entre las barras de electrodos (los cuales están posicionados a 45°) pero cuando el interruptor de aislamiento está cerrado se va a producir una delgada chispa entre las barras de electrodo y el sonido va a ser menor.En todos estos siguientes casos el sistema interruptor de aislamiento debe estar cerrado .DESCARGA DE PUNTACuando nosotros colocamos la rueda de punta sobre el rodamiento de agujas en el soporte le agregamos una cadena que va a conectar el soporte de la rueda de punta con el soporte aislante de la máquina de Wimshurst paso seguido empieza a girar en sentido horario la manivela dela maquina observando que va a empezar a girar en sentido antihorario debido a la fuerza de puntas.

PENDULO DOBLECuando nosotros colocamos el péndulo de bolitas de sauco en el soporte con gancho luego lo conectamos a la fuente de carga mediante una cadena y empezamos a girar la manivela de la maquina (sentido horario) se va a observar que las bolitas de sauco se van a repeler.

JUEGO DE CAMPANASColocamos el juego de campanas en el soporte luego lo conectamos a la fuente de carga mediante dos cadenas que van a conectar a los soportes aislantes de la maquina con el juego de campanas y a su soporte y empezamos a girar la manivela de la maquina (sentido horario) se va a observar que los dos péndulos de la campana se van a dirigir a las


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campanas de los extremos provocando chispas sin embargo esto no se puede ver debido al ambiente húmedo de Lima.

TABLERO DE DESTELLOSColocamos el tablero de destellos en el soporte luego lo conectamos a la fuente de carga mediante dos cadenas que van a conectar a los soportes aislantes de la maquina con el tablero y a su soporte y empezamos a girar la manivela de la máquina y se va a observar que se van a prender los puntos de luminiscencia que tiene el tablero en su superficie.

DANZA ELECTRICAColocamos sobre el soporte el tablero base luego colocamos sobre las bolitas de sauco de 6 unidades y ponemos encima la cubierta con electrodos esféricos invertida. Conectamos mediante dos cadenas los soportes aislantes de la máquina y la cubierta con electrodos esféricos invertida y su soporte paso siguiente se va a girar la manivela y se va a observar un movimiento veloz de las bolitas de sauco todas ellas van a ser atraídas al electrodo esférico que se encuentra en la cubierta sin embargo cuando las bolitas se quedan en las paredes de la cubierta no se aprecia movimiento.

GENERADOR DE VAN DER GRAFFEl generador de Van der Graff al encenderse va a empezar a girar su faja vertical, ésta faja al tener peines genera cargas por fricción estas cargas positivas van a alojarse en la esfera.


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Debido a la atmosfera húmeda de Lima no se puede ver con claridad esos rayos que se produce en el acercamiento a la esfera.

Cuestionario

1. ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport?


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Al inicio ambas esferas se encuentran con carga neutra. Una vez que frotamos la seda con la barra de vidrio, ésta última queda con carga positiva ya que el vidrio cedió electrones a la seda, presentando la seda un exceso de e- y el vidrio una deficiencia de e-. Así cuando se acerque el vidrio a las esferas de tecnoport y se alejen presentaran signo positivo pero si se repelen entonces las esferas tendrán signo negativo.

2. En las experiencias efectuadas, ¿Cómo podría aplicar el principio de superposición? Notamos de la experiencia en clase que como resultado de las frotaciones a las distintos tipos de barras, éstas quedan cargadas de distinto signo y cuando se le acercan a la esfera del electroscopio (parte de arriba), rápidamente las laminillas del electroscopio comienzan a moverse por las distintas cargas que se están superponiendo en un solo punto (sobre la esfera).

3. ¿Del experimento realizado, se puede deducir qué tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?No, sin embargo, si se puede llegar a esa conclusión usando la práctica con la base teórica que tenemos. Se puede notar que la carga de un cuerpo varía cuando se frota con otro, por las experimentaciones que hemos hecho, con el vidrio y la lana, por ejemplo; sin embargo no es posible precisar que carga tiene. Si vemos la parte teórica, podremos entender que existen cuerpos que son más electroafines, es decir que tienden a tomar los electrones de otros cuerpos, estos se cargan negativamente, y el cuerpo del que obtiene estos electrones se carga positivamente. Este fenómeno se debe a que los electrones que se transfieren de un cuerpo a otro tienen carga negativa, de forma que el que recibe los electrones aumenta en carga negativa, y lo inverso pasa con el que los pierde.

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

Existen 3 tipos de electrización y estos son:


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ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO

Consiste en frotar un cuerpo fuertemente con una tela de seda, notamos que este se carga positiva o negativamente dependiendo de su tendencia a perder o ganar electrones.En términos análogos se puede explicar la electrización del vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenómenos se pierde o gana electrones, pero el número de e- cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de e- aceptados por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica.Por ejemplo al frotar una barra de vidrio, ésta se cargará positivamente.

ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO

La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de n cuerpo a otro.Cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con otro, la carga eléctrica se distribuye entre los dos y, de esta manera, los dos cuerpos quedan cargados con el mismo tipo de carga.

En la figura del electroscopio. Al tocar con un cuerpo cargado la esfera superior, la carga penetra hasta las láminas, éstas al adquirir la misma carga se repelen y se separan.

ELECTRIZACION POR INDUCCION

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.

Cuando un campo eléctrico es acercado a un cuerpo neutro, este adquiere una carga del mismo signo que la del campo eléctrico; si se mantiene el campo eléctrico cerca del cuerpo llegara un momento en que estos se rechacen, pues ambos tendrán carga eléctrica del mismo signo. Esta forma de electrizar un cuerpo se denomina inducción.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.

5. ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente.En el mundo existen cuerpos que poseen la propiedad de presentar mayor o menor resistencia al paso de e-, conocidos como aislantes o conductores respectivamente;


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dependiendo esta propiedad de las características del cuerpo o materia por donde circule dichos e-.Sabemos que el cuerpo humano es un buen conductor de electricidad ya que el 98% del mismo está compuesto por agua y fluidos, los cuales poseen diferentes tipos de minerales y compuestos, como ácidos, sales, óxidos, hierro, calcio, etc. Los cuales se ha demostrado que son conductores de electricidad porque permiten el paso de electrones a través de ellos. Es por eso que es un buen conductor de electricidad.

6. Un objeto cargado positivamente se acerca a la esfera de un electroscopio y se observa que las láminas 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 estaba cargado positivamente, por ello al acercar un objeto que tenía la misma carga, las láminas se cerraron. Al seguir acercando el objeto, se va perdiendo la polarización, por ello, las láminas se abrirán cuando el electroscopio ha vuelto a su carga neutral.

7. Que función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente.La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas. Puede ser considerada como el primer condensador. Se trata de un condensador simple, de placas paralelas, o en otros términos de un "acumulador de carga eléctrica, que puede almacenar cantidades sustanciales de carga. Cuando la botella de Leyden se usa en combinación con alguna máquina de fricción, permite desarrollar cargas muy altas, del orden de kilovoltios.Una vez cargada al máximo, la botella puede descargarse de forma espontánea o mediante un descargador; en ambos casos, produciendo una chispa azul intenso, de características similares a un rayo. En ocasiones, las botellas de Leyden se unen a los generadores de Van der Graaff para almacenar la electricidad que estos crean.En las máquinas de Wimshurst, la carga se acumula en los conductores y en las botellas de Leyden para que en el momento propicio se produzca la ruptura en forma de arco voltaico.

8. Durante el uso del generador electrostático se percibe un olor característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente.Se percibe un fuerte olor a ozono (O3) que se genera a partir del oxígeno por efecto de las chispas. También se percibe cuando hay tormentas eléctricas. El científico van Marum denomino a estos olores como “el olor de la materia eléctrica”.

9. Explique el poder de las puntas y sus aplicaciones.Propiedad que se atribuye a los cuerpos puntiagudos y electrizables por comunicación, de atraer y de repeler al fuego eléctrico; y de obrar en esto de más lejos y con mayor eficacia que los cuerpos obtusos.


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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.

Aplicación del poder de las puntasEl pararrayos:Es una aplicación del poder de las puntas y de los fenómenos de inducción. Su inventor fue Benjamín Franklin. Actualmente todos los edificios importantes poseen pararrayos en su parte superior. El asta metálica, terminada en varias puntas, debe estar muy bien conectada a tierra, para que las cargas pasen sin dañar. Además el pararrayos se complementa con un enrejado metálico que constituye una jaula de Faraday que protege el interior del edificio de las perturbaciones eléctricas provocadas por las descargas.

10. Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van De Graaff.Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen:

Producción de rayos X mediante grandes flujos de energía.


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Experimentos en el campo de la física nuclear. En estos experimentos se perseguía sacar conclusiones sobre los núcleos de los átomos a partir de colisiones, para ello, era necesario acelerar partículas cargadas, que tras alcanzar gran velocidad chocaban contra blancos fijos.

Esterilización de alimentos mediante la aceleración de electrones. Experimento de física de partículas. Experimento de ruptura dieléctrica en alta tensión sin peligro para el que los

realiza. Fin educativo. El generador de Van De Graaff es usado por los estudiantes como

recurso para la enseñanza-aprendizaje del concepto de campo eléctrico.

11. ¿Al frotar el lomo de un gato, este queda cargado positiva o negativamente?En el momento de frotar el lomo de un gato, este pierde electrones por frotamiento. Por consiguiente su carga es positiva (por ionización).

12. ¿Puede cargarse los aislantes por inducción, al igual que los conductores?En principio solo se puede cargar por inducción los materiales que tienen electrones libres dentro de su masa, para experimentar una transferencia de electrones (ionización).Los aislantes no se pueden cargar por inducción ya que no cuentan con electrones libres.

13. Deducir las unidades de la constante de Coulomb (k).

E = K*Q1*Q2/D2

[E] = [k]*[Q1]*[Q2]/[ D]2

N/C = [K]*C*C/L2

[K] = N*L2 C3

14. Calcular la relación que existe entre la fuerza eléctrica y la fuerza gravitatoria entre dos protones. Lo Primero es saber cómo se calcula la fuerza eléctrica y la fuerza gravitatoria entre los protones.La carga para cada Protón es Q.*Fuerza Eléctrica: Fe = k*Q2 , K: Constante Eléctrica.

D2 D: Distancia entre los Electrones.

La masa para cada Protón es M*Fuerza Gravitatoria: Fg = G*M2 , G: Constante Gravitatoria.

D2 D: Distancia entre los Electrones.

Ahora despejamos en cada la distancia al cuadrado (D2) en cada formula.


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K * Q2 = G * M2

Fe Fg

Fg = G * M2

Fe K * Q2

Si se asume la Constante Eléctrica (k) como 9 * 109 y la Constante Gravitatoria como (G) como 6*10-11 .

Fg = 6 * 10-21 * M2

Fe Q2

CONCLUSIONES:

1. Nos damos cuenta que cuando un cuerpo luego de ser frotado con un pedazo de tela, si se carga positivamente entonces significa que hay una deficiencia de e- ya que el cuerpo ha cedido, y si se carga negativamente entonces significa que hay un exceso de e- ya que el cuerpo a ganado e-.

2. Observamos que 2 cuerpos cargados positivamente se repelen mutuamente. De igual modo, se repelen si son negativamente ambos. Cualquier cuerpo cargado positivamente atrae a otro cuerpo cargado negativamente.

3. Notamos que las barras de acetato, vinilito y vidrio no son conductores de electricidad ya que estos objetos ceden o ganan electrones a la franela de tela o seda, en cambio si fueran de metal si conducirían electrones a través de sus cuerpos.

4. Algunos cuerpos (vidrio) son más difíciles de cargar que otros debido a su naturaleza fría en cambio otros se calientan más rápidamente necesitando menos esfuerzo que el anterior.

5. Vemos que cuando acercamos un cuerpo neutro a un cuerpo cargado positivamente, las partículas negativas son atraídas hacia el otro cuerpo. Como la carga inducida negativa está más próxima al cuerpo positivo, aparece la fuerza de atracción.

SUGERENCIAS

1. Seria optimo realizar el experimento de la máquina de Wimshurst en un lugar con poco o nada de humedad de preferencia en la altura ya que cuando hay humedad no se podrá


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analizar procedimientos importantes (destellos de e-) haciendo que no funcione correctamente el experimento.

2. Tomar las medidas preventivas y no acercarse demasiado a las máquinas y manipularlas con cuidado, ya que se producen sobrecargas de e- en las máquinas que pueden desencadenar liberación de e- no deseados en las personas que lo manipulan.


Informe de Laboratorio 3 2

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