Introducción

El trabajo a continuación se basa en una serie de tema para completar el contenido de la materia de Física III, en él se encuentran temas relacionados únicamente con electricidad, campo eléctrico, campo magnético y sus aplicaciones directas en la vida cotidiana. Es un trabajo con objetivo estrictamente teórico, por lo que exposiciones prácticas serán carentes. Tiene un total de 10 temas los cuales son brevemente explicados.

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1. Tipos de materiales:

¿Qué son materiales conductores?

Un conductor eléctrico es un material que ofrece poca resistencia al movimiento de carga eléctrica. Se define un conductor eléctrico como aquel material que en el momento en el cual se pone en contacto con un cuerpo cargado eléctricamente, trasmite la electricidad a todos los puntos de su superficie.

Los mejores conductores eléctricos son metales, tales como el cobre, el oro, el hierro y el aluminio, y sus aleaciones, aunque existen otro materiales no metálicos que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y soluciones salinas, por ejemplo agua de mar, o cualquier material en estado de plasma.

Los conductores eléctricos son altamente usados por el ser humano, en el sector eléctrico para suplir la energía eléctrica en cualquier parte donde sea solicitada, donde los conductores eléctricos metálicos usados son usados para el transporte de la energía eléctrica desde un punto de producción, por ejemplo una central eléctrica hasta un consumidor final, por ejemplo hogares, oficinas o sitios comerciales. Siendo el cobre el material por excelencia para este uso por su poca resistencia eléctrica y por qué es un material rentable o de poco costo; otro material usado es el aluminio que posee un conductividad eléctrica1 del orden del 60% de la del cobre, pero debido a que es un material tres veces más ligero es más indicado en las líneas aéreas que en la transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión. Cabe resaltar que la plata es conductor con mayor conductividad eléctrica metal a nuestro alcance, pero no es rentable industrialmente.

Los conductores eléctricos más usados son los siguientes: cobre, plata, aluminio, oro, níquel, cromo, hierro, magnesio, mercurio y titanio.

¿Qué son materiales aislantes?

Un aislante eléctrico es un material con escasa capacidad de conducción de la electricidad y una enorme resistencia eléctrica, usualmente son utilizadas para separar conductores eléctricos evitando un cortocircuito y para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión pueden producir una descarga.

Los más frecuentemente utilizados son los materiales plásticos y las cerámicas. Las piezas empleadas en torres de alta tensión empleadas para sostener o sujetar los cables

1 Conductividad eléctrica es el movimiento de las partículas cargadas eléctricamente, desde un medio de transmisión a otro.

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eléctricos sin que éstos entren en contacto con la estructura metálica de las torres se denominan aisladores.

El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la

electricidad a través del material. Para más detalles ver semiconductor.

¿Qué son materiales semiconductores?

Un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.

Los más conocidos y utilizados son el germanio (Ge) y el silicio (Si), los materiales que estén fabricados con Ge o Si darán 50 veces más resistencia que los conductores, pero a su vez y más aislantes que los que no son conductores. Entonces los semiconductores son malos conductores, pero al mismo tiempo son malos aislantes.

2. ¿Cómo se carga un material?

La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el segundo objeto que esta con mayor carga positiva, creándose una fuerza atractiva entre los objetos.

ContactoSea dos objetos, uno de ellos posee una carga muy negativa o muy positiva, al momento de que estos dos objetos entre en contacto, tendrán un intercambio de cargas positiva o negativa, según la naturaleza de los objetos, es decir que la carga por inducción es aquella transferencia de carga que ocurre mientras los objetos cuanto estén contacto.

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Fricción

En la carga por fricción se transfiere gran cantidad de electrones porque la fricción aumenta el contacto de un material con el otro. Los electrones más internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, pero los más externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el átomo varia de una sustancia a otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en la resina que en la lana, y si se frota una torta de resina con un tejido de lana bien seco, se transfieren los electrones de la lana a la resina. Por consiguiente la torta de resina queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, el tejido de lana queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los átomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque, al perder electrones (que tienen carga negativa), su carga neta resulta positiva.

Inducción

Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargado. Considérese una esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de conducción que se encuentran en la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de esta; como resultado, el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado cercano de aquella y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales.

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3. Serie Triboeléctrica

Antes de entrar a la serie triboeléctrica explicamos algunos conceptos relacionados a ella, por ejemplo efecto triboeléctrico: ¿Qué es el efecto Triboeléctrico? Es un tipo de electrificación por el contacto con otro material (por ejemplo el frotamiento directo). Se denomina triboelectricidad (del griego tribein, “frotar” y electrón, “ámbar”) al fenómeno de electrificación por frotamiento.

¿Cómo funciona? Sabemos que los átomos están compuestos por un núcleo cargado positivamente debido a los protones, que se encuentra rodeado por electrones cargados negativamente. Así, el átomo es eléctricamente neutro.

Sin embargo, no todos los elementos presentan afinidad por los electrones, es decir su tendencia a captar o ceder electrones. Esto es debido a que los elementos químicos tienden a adquirir la configuración electrónica de los gases nobles más cercanos, ya que son los elementos electroquímicamente más estables. Bajo este concepto ocurre este fenómeno.

Aunque algo más complejo, cuando se frotan dos materiales compuesto por elementos diferentes, la diferencia en afinidad electrónica provoca que uno de los materiales adquiera electrones del otro, y por tanto que uno quede cargado positivamente y otro negativamente. Para que se produzca esta transferencia de cargas no es necesario el frotamiento; mediante contacto también se produce esta transferencia, pero al frotar se renuevan continuamente los puntos de contacto por donde se transfieren las cargas, y por ende tiene el mismo efecto que si aumentáramos la superficie real de contacto.

Una vez que el intercambio de cargas ha tenido lugar y los dos cuerpos se han separado, si el material es conductor las cargas se repartirán uniformemente por toda la superficie, mientras que si el material es aislante, la carga permanecerá los puntos superficie donde ha tenido lugar la transferencia de cargas.

Serie Triboeléctrica

La secuencia triboeléctrica es una lista de materiales dispuestos en un orden determinado.

Frotando dos materiales de la secuencia, el que esté en la posición más alta se cargará positivamente, mientras que el que se sitúe más abajo se carga negativamente. Además cuanto más separados estén los materiales en la tabla, más intensa es su electrización.

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Los materiales se enumeran a menudo en el orden de la polaridad de la separación de la carga cuando se tocan con otro objeto. Un material hacia el fondo de la serie, cuando está tocando a un material cercano al tope de la serie, logrará una carga más negativa, y viceversa. Cuanto más lejos están los dos materiales en la serie, mayor es la carga transferida.

Estas tablas, aunque orientativas, no siempre son ciertas, puesto que dependen del estado de las superficies que se ponen en contacto, de la humedad, del frotamiento, y de otros factores.

Los materiales cerca en la serie pueden no intercambiar el uno con el otro ninguna carga, o pueden intercambiar lo contrario de lo que es implicada por la lista. Esto depende más de la presencia del frotamiento, la presencia de contaminantes o de óxidos, o sobre características con excepción en del tipo de material. La carga también varía para los materiales próximos.

Tabla de la Serie Triboeléctrica

4. Campo eléctrico en medio de un capacitor de placas paralelas

Antes de iniciar con la explicación de este tema, nos tenemos a definir que es un capacitor o condensador eléctrico es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que paren de una van a para a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío.

Ahora bien, supongamos que tenemos el capacitor que se observa a la izquierda, está compuesta por

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dos placas, una se conecta con el polo “+” y otra con el polo “-” de una batería cada placa tiene una carga de igual magnitud pero de signos opuestos y supondremos que las placas son infinitamente grandes, y que la separación entre las placas es pequeña comparada con sus dimensiones.

Al realizar un diagrama para analizar los campos eléctricos generados por ambas placas observamos lo siguiente:

El campo se cancela en las regiones situado afuera de las placas, y se suma en el espacio situado entre las placas. Por tanto solo existe campo entre las placas del capacitor, siendo despreciable fuera de las mismas.

Por lo que el campo en medio de un capacitor obtenido matemáticamente es el siguiente:

∫|E||dS|=Q /∈0

Donde σ=Q/A

∫ E∗dS cos (0 )=Q /∈0 E∗S=σ∗S /∈0 E∗S=σ∗S /∈0 E=σ /∈0 Como acordamos que era la suma de los campos obtenemos finalmente:

E=2 σ /∈0

5. Energía potencial almacenada en un capacitorComo el campo eléctrico es una constante, la diferencia potencial entre las placas se calcula multiplicando el modulo del campo por la separación entre las mismas. Como se expresa a continuación:

E=2 σ /∈0

∆ V =∫1

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❑E∗dL

6. Asociación de capacitores (circuitos en series y en paralelos)

¿Qué es un circuito eléctrico? Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes,talescomo resistencias, inductores, condensadores, fuentes,interruptores y s

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emiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos que contienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores) y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables) que pueden analizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento en corriente directa o en corriente alterna. Un circuito que tiene componentes es denominado un circuito electrónico. Estas redes son generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos.

Serie: Dos o más condensadores se dice que están en serie cuando cada una de ellos se sitúa a continuación del anterior a lo largo del hilo conductor de un circuito. Condensador equivalente2 en Serie: los condensadores en serie pueden ser sustituidos por un único condensador en el que el inverso de su capacidad es la suma de las inversas de sus capacidades

1Ceq

= 1C 1

+ 1C 2

+…+ 1Cn

Paralelo:En las configuraciones de los condensadores en paralelo, los bornes de todos condensadores están conectados a los mismo dos bornes del circuito. Al igual que en la distribución en serie se puede encontrar un condensador equivalente sumando todos los condensadores en paralelo:

Ceq=C 1+C 2+…+Cn

7. Consumo de la energía eléctrica (kilo-hora)

El kW es la unidad de medida que utilizan las empresas eléctricas para cobrar lo que consumen los usuarios y la forma conveniente de expresar un consumo energético, en todos los casos se refiere a

2 Se denomina condensador equivalente al condensador resultante que se obtiene al asociar un conjunto de ellos.

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la cantidad de energía consumida durante un periodo determinado, por ejemplo:

1 KW consumido durante 10 horas por día, que es el equivalente a mantener encendidas 10 lámparas de 100 vatios durante 10 horas continuas o interrumpidas, nos da por resultado un consumo de energía de 10 kW/día, que si a su vez mantenemos constante durante los 30 días de un mes tendremos un consumo energético de 300 kW/mes.

En específico kilowatt-horas: kilo: es una potencia de diez (103) usada para evitar números muy grandes. Watt (vatio): es la unidad en la que se expresa la potencia eléctrica (Sistema Ingles), es

equivalente al Joule (Sistema Internacional). Hora: es la unidad de tiempo en definida (por el usuario) respecto a la que se calculara la

potencia eléctrica. 1kilowatt-hora: energía necesaria para mantener un watt (vatio) de potencia durante una

hora.

Corriente Eléctrica:

La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus extremos.

Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se genera el movimiento de electrones a través del cable conductor. Las cargas que se desplazan forman parte de los átomos de la sustancia del cable, que suele ser metálica, ya que los metales —al disponer de mayor cantidad de electrones libres que otras sustancias— son los mejores conductores de la electricidad. La mayor parte de la energía eléctrica que se consume en la vida diaria proviene de la red eléctrica a través de las tomas llamadas enchufes, a través de los que llega la energía suministrada por las compañías eléctricas a los distintos aparatos eléctricos —lavadora, radio, televisor, etc; que se desea utilizar, mediante las correspondientes transformaciones; por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se convierte en energía mecánica, calórica y en algunos casos lumínica, gracias al motor eléctrico y a las distintas piezas mecánicas del aparato. Lo mismo se puede observar cuando funciona un secador de pelo o una estufa.

Comparaciones entre tarifa de costo de kW en República Dominicana y España:

El costo de la tarifa eléctrica regulada por el Gobierno Español es 0,154531 euros promedio que en pesos dominicanos serian 7.968 pesos por kW, mientras que en República Dominicana es ARREGLAR

8. Intensidad relacionada con los portadores de carga.

Intensidad: Cantidad de electricidad que atraviesa un conductor en una unidad de tiempo, a través de un área especificada.

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I=ŋ∗q∗Vd∗A

ŋ= Densidad de los portadores de cargaVd= Velocidad de deriva A= Área de la sección transversal

La unidad del SI para la corriente es el ampere, que es igual a un coulomb por segundo (1A= 1C/seg). La corriente I a través de un área A depende de la concentración ŋ y la carga q de los portadores de carga, así como de la magnitud de su velocidad de deriva Vd.

La densidad de corriente es corriente por unidad de área de la sección transversal. La corriente se describe convencionalmente en términos de un flujo de carga positiva, aun cuando los portadores de carga real sean negativos o de ambos signos.

9. Dipolo Eléctrico

Un dipolo eléctrico es un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud cercanas entre sí.

Los dipolos aparecen en cuerpos aislantes dieléctricos3. A diferencia de lo que ocurre en los materiales conductores, en los aislantes los electrones no son libres. Al aplicar un campo eléctrico a un dieléctrico aislante éste se polariza dando lugar a que los dipolos eléctricos se reorienten en la dirección del campo disminuyendo la intensidad de éste.

Es el caso de la molécula de agua, aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa, mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva. Por eso en la práctica, la molécula de agua se comporta como un dipolo.

3 Se denomina dieléctrico al material mal conductor de electricidad, por lo que puede ser utilizado como aislante eléctrico, y además si es sometido a un campo eléctrico externo, puede establecerse en él un eléctrico interno, a diferencia de los materiales aislantes con los que suelen confundirse. Todos los materiales dieléctricos son aislantes pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos.

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Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno. La carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.

Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro moléculas unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura de tipo reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas.

Líneas de Campo de un Dipolo

Bajo la influencia de un campo eléctrico, las cargas de una molécula no polar llegan a desplazarse como en “a” las cargas positivas experimentan una fuerza en el sentido del campo y las negativas en sentido contrario al campo. Este tipo de dipolos formados a partir de moléculas no polares se denominan dipolos inducidos.

Las moléculas polares o dipolos permanentes de un dieléctrico están orientados al azar cuando no existe campo eléctrico, como en “b”. Bajo la acción de un campo eléctrico, se produce cierto grado de orientación. Cuanto más intenso es el campo, tanto mayor es el número de dipolos que se orientan en la dirección del campo.

10. Aplicación: Generador de corriente alterna

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El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético uniforme.

El movimiento de rotación de las espiras es producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central hidroeléctrica, o por un chorro de vapor en una central térmica. En el primer caso, una parte de la energía potencial agua embalsada se transforma en energía eléctrica; en el segundo caso, una parte de la energía química se transforma en energía eléctrica al quemar carbón u otro combustible fósil.

Cuando la espira gira, el flujo del campo magnético a través de la espira cambia con el tiempo. Se produce una fem. Los extremos de la espira se conectan a dos anillos que giran con la espira, tal como se ve en la figura. Las conexiones al circuito externo se hacen mediante escobillas estacionarias en contacto con los anillos.

Los generadores de corriente alterna o alternadores pueden utilizarse también como motores para generar energía mecánica a partir de la eléctrica. Para ello basta con conectar las escobillas de un alternador con otro generador de alterna, con el fin de inducir una reorientación y un giro indefinido de la espira del segundo alternador mientras exista aporte de corriente.

Al conectar entre sí dos alternadores y activar mecánicamente el primero, éste se convierte en un motor que induce un giro indefinido de la espira del segundo.

Aplicaciones:

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Estos tipos de generadores de corriente tienen una innumerable cantidad de usos, pero los más importante son para la generación de energía eléctrica, convirtiendo energía externa en energía eléctrica, pueden ser encontrados en generadoras hidroeléctricas, generadores eólicos, en la industria automotriz, etc.

11. Aplicaciones: transformadores

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Partes fundamentales:

El bobinado de alta tensión: Es un bobinado de alambre de cobre aislado, este tiene una sección transversal muy delgada y está construido para recibir o entregar la tensión mayor nominal del transformador.

El bobinado de baja tensión: Es un bobinado de alambre de cobre aislado, este a comparación del bobinado de alta tensión tiene una sección trasversal muy grande (más gruesa) y está construido para recibir o entregar la tensión menor nominal del transformador.

El núcleo: el núcleo está constituido por chapas magnéticas con alta proporción de silicio (4%), grano orientado y pérdidas por histéresis muy bajas, las cuales tienen por un lado un aislamiento impregnado en el proceso metalúrgico.

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Esquema básico y funcionamiento del transformador

Los transformadores se basan en la inducción electromagnética. Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flujo magnético en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado primario hasta el secundario. Con su movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado secundario.

Aplicaciones:

Modificar la tensión para transportarla, cuando generamos la electricidad en las centrales y tenemos que enviarla por la red eléctrica, aumentamos su tensión para reducir así las perdidas por la ley de Joule.

Para conectar los aparatos electrónicos a la electricidad ya que estos trabajan con otras características, como corriente continua o bajas tensiones.

Para aislar tensiones de la red, esto se utiliza en zonas donde se necesita estar aislado de cualquier defecto de la red, como por ejemplo electro medicina.

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Conclusión

El trabajo trato contenido teórico de una serie de puntos a investigar para la finalización de la materia física III, no fue un trabajo de orden experimental, solo teórico, para completar una serie de conocimientos supuestos a conocer dado a que se tomó esta materia. Posee conocimientos muy prácticos del diario vivir, y que sin duda alguna son merecedores de conocer, dado que prácticamente deberían de ser cultura universal. Sin lugar a duda, durante la realización de este trabajo he aprendido diversos temas, en especial serie triboeléctrica, el cual en los personal fue el más interesante, pero sin quitarle la importancia a los demás temas.

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Bibliografía

Aplicaciones de transformadores –Alex-Endesa Educa. Transformadores-Instituto Tecnológico de la Costa Grande República Dominicana es el segundo país con la energía más cara del mundo –Edwin

Ruiz- Diario Libre Generadores de Corriente Alterna –Blogspot Transformador –Wikipedia Generador de corriente Alterna -Sc.Echu Corriente Alterna-Wikipedia Dieléctrico-Wikipedia Intensidad –Wikipedia Dipolo –Wikipedia Generador eléctrico –Wikipedia Campo eléctrico –Wikipedia Mercado eléctrico de España –Wikipedia Energía Eléctrica –Wikipedia Condensadores en Serie y paralelo –Physictutorials Asociación de capacitores –Profesormolina Circuito –Wikipedia Condensador Eléctrico –Wikipedia Conductores –Wikipedia Aislantes eléctricos –Wikipedia Semiconductores –Wikipedia Polaridad –Wikipedia Electroestática –Wikipedia

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