ELECTROMAGNETISMO 19/06/2015 MAURICIO COHETERO BALTAZAR ROGER GUZMAN MENDEZ LIUS IVAN VARELA LEON
ELECTROMAGNETISMO
Contenido Electromagnetismo ............................................................................................................................. 5 Desarrollo histórico de la teoría electromagnética.................................................................. 5 Orígenes del electromagnetismo: el experimento de Oersted........................................................... 6 Campo magnético creado por una corriente eléctrica ....................................................................... 6 L es la longitud de la circunferencia del anillo. ......................................................................... 7 Fuerza electromagnética ..................................................................................................................... 8 Faraday-Lenz, la inducción electromagnética y la fuerza electromotriz inducida .............................. 9 La ley de Faraday-Lenz ........................................................................................................................ 9 EL MAGNETISMO HASTA EL AÑO 1.800 ........................................................................... 11 Corrientes de Foucault ...................................................................................................................... 11 MAXWELL. LA SÍNTESIS DEL ELECTROMAGNETISMO. OTRA VEZ LA LUZ ...... 13 ¿COMO FUNCIONA EL TREN MEGNATICO? ...................................................................................... 13
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ELECTROMAGNETISMO
TABLA DE ILUSTRACCIONES Ilustración 1 ......................................................................................................................................... 5 Ilustración 2 ......................................................................................................................................... 6 Ilustración 3 ......................................................................................................................................... 7 Ilustración 4 ......................................................................................................................................... 8 Ilustración 5 ......................................................................................................................................... 9 Ilustración 6 ......................................................................................................................................... 9 Ilustración 7 ....................................................................................................................................... 10 Ilustración 8 ....................................................................................................................................... 10 Ilustración 9 ....................................................................................................................................... 12 Ilustración 10 ..................................................................................................................................... 13 Ilustración 11 ..................................................................................................................................... 14 Ilustración 12 ..................................................................................................................................... 15
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Casos bobina__________________________________________________________________________________ 6 circular _________________________________________________________________________________ 6 corrientes eléctricas _______________________________________________________________________ 8 electricidad ______________________________________________________________________________ 5 electromagnetismo _______________________________________________________________________ 5 elemento de corriente _____________________________________________________________________ 6 fenómeno físico __________________________________________________________________________ 9 La dirección _____________________________________________________________________________ 7 La Ley de Faraday _________________________________________________________________________ 8 Las corrientes de Foucault _________________________________________________________________ 10 sistemas de levitación magnética ___________________________________________________________ 11 un campo magnético ______________________________________________________________________ 5
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ELECTROMAGNETISMO Comentario [mau1]: ES EL TEMA QUE VAMOS A VER
Electromagnetismo El electromagnetismo es la parte de la electricidad que estudia la relación entre los fenómenos eléctricos y los fenómenos magnéticos. Los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron considerados como independientes hasta 1820, cuando su relación fue descubierta por casualidad. Así, hasta esa fecha el magnetismo y la electricidad habían sido tratados como fenómenos distintos y eran estudiados por ciencias diferentes. Sin embargo, esto cambió a partir del descubrimiento que realizó Hans Chirstian Oersted , observando que la aguja de una brújula variaba su orientación al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella. Los estudios de Oersted sugerían que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno: las fuerzas magnéticas proceden de las fuerzas originadas entre cargas eléctricas en movimiento.
Ilustración 1 Comentario [mau2]: CIENTIFCO QUE DESCUBRIO EL ELECTROMAGNETISMO
El electromagnetismo es la base de funcionamiento de todos los motores eléctricos y generadores eléctricos. Comentario [RG3]: ES UN FENOMENO QUE ESCRIBE LO QUE SUCEDE CON EL MAGNETISMO SUS TIPOS & DESAROOLOS
Desarrollo histórico de la teoría electromagnética Históricamente, el magnetismo y la electricidad habían sido tratados como fenómenos distintos y eran estudiados por ciencias diferentes. Sin embargo, los descubrimientos de Oersted y luego de Ampère , al observar que la aguja de una brújula tomaba una posición perpendicular al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella. Así mismo los estudios de Faraday en el mismo campo, sugerían que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno. La idea anterior fue propuesta y materializada por el físico escocés James Clerk Maxwell ( 1831 - 1879 ), quien luego de estudiar los fenómenos eléctricos y magnéticos concluyó que son producto de una misma interacción, denominada interacción electromagnética, lo que le llevó a formular, alrededor del año 1850 , las ecuaciones antes citadas, que llevan su nombre, en las que se describe el comportamiento del campo electromagnético. Estas ecuaciones dicen esencialmente que: • Existen portadores de cargas eléctricas, y las líneas del campo eléctrico parten desde las cargas positivas y terminan en las cargas
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negativas. • No existen portadores de carga magnética; por lo tanto, el número de líneas del campo magnético que salen desde un volumen dado, debe ser igual al número de líneas que entran a dicho volumen. • Un imán en movimiento, o, dicho de otra forma, un campo magnético variable, genera una corriente eléctrica llamada corriente inducida. • Cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.
Orígenes del electromagnetismo: el experimento de Oersted Esta relación entre la electricidad y el magnetismo fue descubierta por el físico danés Hans Christian Øersted. Éste observó que si colocaba un alfiler magnético que señalaba la dirección norte-sur paralela a un hilo conductor rectilíneo por el cual no circula corriente eléctrica, ésta no sufría ninguna alteración.
Comentario [IN4]: ESTE TEXTO ES MUY INTERESANTE
Sin embargo en el momento en que empezaba a pasar corriente por el conductor, el alfiler magnético se desviaba y se orientaba hacia una dirección perpendicular al hilo conductor. En cambio, si dejaba de pasar corriente por el hilo conductor, la aguja volvía a su posición inicial. De este experimento se deduce que al pasar a una corriente eléctrica por un hilo conductor se crea un campo magnético.
Campo magnético creado por una corriente eléctrica Una corriente que circula por un conductor genera un campo magnético alrededor del mismo.
Comentario [mau5]: ACA EL MANETISMO FUNCIONA X DIFERENTES PROCEDIMEIENTOS
El valor del campo magnético creado en un punto dependerá de la intensidad del corriente eléctrico y de la distancia del punto respecto el hilo, así como de la forma que tenga el conductor por donde pasa la corriente eléctrica. El campo magnético creado por un elemento de corriente hace que alrededor de este elemento se creen líneas de fuerzas curvas y cerradas. Para determinar la dirección y sentido del campo magnético podemos usar la llamada regla de la mano derecha.
Ilustración 2
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En el caso de un hilo conductor rectilíneo se crea un campo magnético circular alrededor del hilo y perpendicular a él. Cuando tenemos un hilo conductor en forma de espira, el campo magnético sera circular. La dirección y el sentido del campo magnético depende del sentido de la corriente eléctrica. Cuando tenemos un hilo conductor enrollado en forma de hélice tenemos una bobina o solenoide. El campo magnético en su interior se refuerza todavía más en existir más espiras: el campo magnético de cada espira se suma a la siguiente y se concentra en la región central.
Ilustración 3
Una aplicación muy común de las bobinas es utilizarlas como electroimanes. Este tipo de electroimanes consiste en una bobina, por donde circula una corriente eléctrica, y un núcleo ferromagnético, colocado en el interior de la bobina. Cuando por la bobina circula una corriente eléctrica, el núcleo de hierro se convierte en un imán temporal. Cuantas más espiras tenga la bobina, mayor será su campo magnético.
L es la longitud de la circunferencia del anillo. A medida que el material se somete a una intensidad de campo magnético H en aumente, la densidad de flujo B también crece hasta que el material se satura. Observe la curva AB de la figura 5.8. Ahora bien, si gradualmente la corriente se reduce a 0, la densidad de flujo B a lo largo del núcleo no regresa a 0 sino que retiene cierta intensidad magnética, como muestra la curva BC. La pérdida de la restitución magnética se conoce como histéresis. Histérisis es el retraso de la magnetización con respecto a la intensidad
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Comentario [RG6]: LA MEDIDA QUE EL MATERIAL SE SOMETE ALA INTENCIDAD DEL MAGNETISMO
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del campo magnético. La única forma de regresar a cero la densidad de flujo B en el anillo consiste en invertir el sentido de la corriente que fluye por el devanado. Este procedimiento origina la intensidad magnética H en sentido opuesto, como indica la curva CD. Si la magnetización continúa incrementándose en sentido negativo, el material finalmente se satura de nuevo con una polaridad invertida. Véase la curva DE. Si se reduce otra vez la corriente a cero y luego se aumenta en el sentido positivo, se obtendrá la curva EFB. La curva completa se llama ciclo de histéresis. El área encerrada por el ciclo de histéresis es una indicación de la cantidad de energía que se pierde al someter un material dado a través de un ciclo completo de magnetización. El rendimiento de muchos dispositivos electromagnéticos depende de la selección de materiales magnéticos con baja histéresis. Por otro lado, los materiales que se requiere que permanezcan bien magnetizados deberán presentar una gran histéresis.
Comentario [RG7]: ES LA AREA ENCERRADA POR EL CICLE DE HISTERESIS DE LA CANTIDAD DE ENERGIA
Fuerza electromagnética Cuando una carga eléctrica está en movimiento crea un campo eléctrico y un campo magnético a su alrededor. Así pues, este campo magnético realiza una fuerza sobre cualquier otra carga eléctrica que esté situada dentro de su radio de acción. Esta fuerza que ejerce un campo magnético será la fuerza electromagnética. Si tenemos un hilo conductor rectilíneo por donde circula una corriente eléctrica y que atraviesa un campo magnético, se origina una fuerza electromagnética sobre el hilo. Ilustración 4
Esto es debido a que el campo magnético genera fuerzas sobre cargas eléctricas en movimiento. Si en lugar de tener un hilo conductor rectilíneo tenemos un espiral rectangular, aparecerán un par de fuerzas de igual valor pero de diferente sentido situadas sobre los dos lados perpendiculares al campo magnético. Esto no provocará un desplazamiento, sino que la espira girará sobre si misma.
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Comentario [mau8]: Esto es peligroso PORQUE PASA POR PRECEDEMINETOS
ELECTROMAGNETISMO La dirección de esta fuerza creada se puede determinar por la regla de la mano izquierda. Si la dirección de la velocidad es paralela a la dirección del campo magnético, la fuerza se anula y la trayectoria de la partícula será rectilínea. Ilustración 5
Si la dirección de la velocidad es perpendicular al campo magnético la fuerza vendrá dada por la expresión:
Ilustración 6
Y si esta fuerza es perpendicular al plano formado por la velocidad y el campo magnético, la partícula entonces describirá una trayectoria circular. Si la dirección de la velocidad es oblicua a la del campo magnético, la partícula describirá una trayectoria en espiral
Faraday-Lenz, la inducción electromagnética y la fuerza electromotriz inducida La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. Este fenómeno es justamente el contrario al que descubrió Oersted, ya que es la existencia de un campo magnético lo que nos producirá corrientes eléctricas. Además, la corriente eléctrica incrementa en aumentar la rapidez con la que se producen las variaciones de flujo magnético. Estos hechos permitieron enunciar la ley que se conoce como la Ley de Faraday-Lenz.
La ley de Faraday-Lenz Basado en el principio de conservación de la energía, Michael Faraday pensaba que si una corriente eléctrica era capaz de generar un campo magnético, entonces un campo magnético debía también producir una corriente eléctrica. En 1831 Faraday llevó a cabo una serie de experimentos que le permitieron descubrir el fenómeno de inducción electromagnética . Descubrió que, moviendo un imán a través de un circuito cerrado de alambre conductor, se generaba una corriente eléctrica, llamada corriente inducida. Además, esta corriente también aparecía al mover el alambre sobre el mismo imán quieto.
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Comentario [IN9]: GRACIAS A FARADAY PONEMOS DISFRUTAR DE LO QUE TENEMOS AHORA
ELECTROMAGNETISMO Faraday explicó el origen de esta corriente en términos del número de líneas de campo atravesados por el circuito de alambre conductor, que fue posteriormente expresado matemáticamente en la hoy llamada Ley de Faraday, una de las cuatro ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La Ley de Faraday nos dice que : "La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con que varia el flujo magnético que atraviesa un circuito, por unidad de tiempo”. Para determinar el sentido de una corriente inducida se utiliza la llamada Ley de Lenz, que formulaba que: "La corriente inducida crea un campo magnético que se opone siempre a la variación de flujo magnético que la ha producido”. Estas leyes se pueden resumir en la siguiente expresión: Ilustración 7
Donde se establece que el cociente entre la variación de flujo(Δϕ) respecto la variación del tiempo(Δt) es igual a la fuerza electromotriz inducida(ξ). El signo negativo viene dado por la ley de Lenz , y indica el sentido de la fuerza electromotriz inducida, causa de la corriente inducida.La corriente inducida, pues, se debe al movimiento relativo que hay entre la bobina y el imán. La inducción electromagnética constituye un fenómeno destacado en el electromagnetismo. Se han desarrollado un sin número de aplicaciones prácticas de este fenómeno físico: El transformador , que se emplea para conectar un teléfono móvil a la red. La dinamo de una bicicleta. Comentario [IN10]: GRACIAS A ESTO PODEMOS TENER ENNERGIA ELECTRICA Ilustración 8 ECOLOGICA
El alternador de una gran central hidroeléctrica . La inducción electromagnética en una bobina Para entender correctamente qué es la inducción electromagnética analizaremos una bobina (componente del circuito eléctrico en forma de espiral que almacena energía eléctrica): Cuando el imán y la bobina están en reposo el galvanómetro no señala paso de corriente eléctrica a través de la bobina. Si acercamos un imán a esta bobina, observamos que el galvanómetro marca el paso de una corriente eléctrica en la bobina.
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ELECTROMAGNETISMO Si alejamos el imán, el galvanómetro marcará el paso de la corriente eléctrica a través de la bobina, pero de sentido contrario a cuando lo acercábamos. Si en vez de mover el imán movemos la bobina, podemos comprobar los mismos efectos a través del galvanómetro. De esta experiencia se puede deducir que el corriente dura mientras se realiza el movimiento del imán o de la bobina y es más intenso como mas rápido se haga este movimiento. La corriente eléctrica que aparecen a la bobina es la corriente inducida.
EL MAGNETISMO HASTA EL AÑO 1.800 En el caso del magnetismo, al igual que en el de la electricidad, desde tiempos remotos el hombre se dio cuenta de que el mineral magnetita o imán (un óxido de hierro) tenía la propiedad peculiar de atraer el hierro. Tanto Tales de Mileto como Platón y Sócrates escribieron acerca de este hecho. En el periodo comprendido entre los años 1.000 - 1.200 d.C. se hizo la primera aplicación práctica del imán. Un matemático chino, Shen Kua (1.030-1.090) fue el primero que escribió acerca del uso de una aguja magnética para indicar direcciones, que fue el antecedente de la brújula. Este instrumento se basa en el principio de que si se suspende un imán en forma de aguja, de tal manera que pueda girar libremente, uno de sus extremos siempre apuntará hacia el norte. Más tarde, después del año 1.100, Chu Yu informó que la brújula se utilizaba también para la navegación entre Cantón y sumatra. La primera mención europea acerca de la brújula fue dada por un inglés, Alexander Neckham (1.157-1.217). Hacia 1.269 Petrus Peregrinus de Maricourt, un cruzado francés, hizo una descripción detallada de la brújula corno instrumento de navegación. En el año 1.600 el inglés William Gilbert (1.544 – 1.603), médico de la reina Isabel I, publicó un famoso tratado, De magnete, en el que compendió el conocimiento que se tenía en su época sobre los fenómenos magnéticos. Analizó las diferentes posiciones de la brújula y propuso que la Tierra es un enorme imán, lo que constituyó su gran contribución. De esta forma pudo explicar la atracción que ejerce el polo norte sobre el extremo de una aguja imantada. Asimismo, Gilbert se dio cuenta de que cada imán tiene dos polo, el norte (N) y el sur (S), que se dirigen hacia los respectivos polos terrestres. Descubrió que polos iguales se repelen, mientras que polos distintos se atraen, y que si un imán se calienta pierde sus propiedades magnéticas, las cuales vuelve a recuperar si se le enfría a la temperatura ambiente. El científico francés Coulomb, el que había medido las fuerzas entre caras eléctricas, midió con su balanza las fuerzas entre los polos de dos imanes. Descubrió que la magnitud de esta fuerza varía con la distancia entre los polos. Mientras mayor sea la distancia, menor es la fuerza.
Corrientes de Foucault Las corrientes de Foucault, también conocidas como corrientes parásitas, fueron descubiertas por el físico francés Léon Foucault en 1851, al construir un dispositivo que utilizaba un disco de cobre el cual se movía en un campo magnético intenso. Este fenómeno se produce cuando un material conductor atraviesa un campo magnético variable (o viceversa. En este caso, el movimiento relativo entre el material conductor y el campo
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ELECTROMAGNETISMO magnético variable, causa una circulación de electrones, o corriente inducida a través del material conductor. Estas corrientes circulares, de Foucault crean campos magnéticos variables con el tiempo, que se oponen al sentido del flujo del campo magnético aplicado. Las corrientes de Foucault, y los campos opositores generados serán mayores cuanto: Más fuerte sea el campo magnético aplicado. Mayor la conductividad del conductor. Mayor la velocidad relativa de movimiento. Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule, que es un fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a átomos del material conductor por el que mismo.
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los choques que sufren con los circulan, elevando la temperatura del
Sin embargo, hay infinidad de aplicaciones que se basan en las corrientes de Foucault, como: Los hornos de inducción, de gran utilidad en la industria ya que funcionan a altas frecuencias y con grandes corrientes. Las corrientes Foucault, también, son la base del funcionamiento de los detectores de metales. También están presentes en los sistemas de levitación magnética usado en los trenes. Pero las corrientes parásitas también disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas son minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja conductividad eléctrica (como por ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas de acero eléctrico, apiladas pero separadas entre sí mediante un barniz aislante u oxidadas tal que queden mutuamente aisladas eléctricamente. En general, las corrientes de Foucault son indeseadas, ya que representan una disipación de energía en forma de calor, pero, como ya hemos visto, estas corrientes son la base de muchas aplicaciones. También son la causa principal del efecto pelicular en conductores que transportan corriente alterna , lo que crea la mayor parte de las pérdidas en el transporte de la electricidad.
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MAXWELL. LA SÍNTESIS DEL ELECTROMAGNETISMO. OTRA VEZ LA LUZ El Escocés James Clerk Maxwell (1837-1879), alumno de Faraday, fue posiblemente el más imaginativo de los físicos del siglo XIX. En 1873 publicó la monumental obra tratado de electricidad y magnetismo, en la que presentó una síntesis de los conocimientos de este tema. Maxwell formuló matemáticamente la ley de Faraday. La síntesis fue hecha en términos de un conjunto de ecuaciones, conocidas como las ecuaciones de Maxwell, que contenía como fondo físico los descubrimientos de Oersted, Ampére, Faraday y otros científicos que describimos en capítulos anteriores. Maxwell estudió con mucho detenimiento los trabajos que sus predecesores habían hecho sobre electricidad y magnetismo. En particular analizó muy incisivamente la ley de Ampére y su formulación matemática, y llego a la conclusión de que contenía una contradicción. Revisemos la ley Ampére. Maxwell generalizo la formulación de la ley de Ampére al decir que cuando se habla de corriente se debe incluir la corriente convencional (llamada la conducción), que es la que había considerado Ampére, y además, la corriente de desplazamiento. Por lo tanto, esta generalización incluye casos en que las corrientes varían con el tiempo. Podemos decir que la formulación original que hizo Ampére sólo es correcta para el caso en que la corriente que se estudia no varíe con el tiempo.
¿COMO FUNCIONA EL TREN MEGNATICO? Es una gran invención, y tiene un funcionamiento que parece muy complejo, pero en realidad es bastante sencillo, solo se basa en electromagnetismo. Y tiene bastante relación con otros de los temas de nuestro foro de Imanes y magnetismo. Estos trenes funcionan gracias al electromagnetismo. La misma fuerza de repulsión que uno puede apreciar si acerca dos polos del mismo signo de dos imanes, hace que estos trenes se mantengan “flotando” o “levitando”, sobre las vías. Sólo cuando se detiene en las estaciones el tren llega a tocar las vías. Las fuerzas de atracción electromagnética de la parte delantera y la de repulsión en la parte trasera,
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ELECTROMAGNETISMO hacen que el tren avance. El sistema de propulsión del vehículo es un motor síncrono lineal:
-El inductor son las bobinas trifásicas colocadas en la vía.
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-El inducido son las bobinas superconductoras del tren. La vía se divide en partes de una determinada longitud y las bobinas que están dentro de cada parte se conectan en serie entre sí formando una sección de alimentación. Cada sección se conecta a la toma de corriente mediante un interruptor de sección. El sistema de levitación está compuesto por un imán superconductor en el tren y bobinas cortocircuitadas en la vía. Cuando el vehículo se mueve lo hace también el campo magnético creado por los imanes superconductores. Si el circuito es inductivo se genera una fuerza de levitación, mientras que si es resistivo la fuerza de levitación se anula y aparece una fuerza magnética de resistencia que se opone al movimiento. Como este sistema se basa en la corriente inducida en la bobina de la vía, la fuerza de levitación es cero cuando está parado. La fuerza de levitación aumenta con la velocidad del vehículo, aunque por encima de cierta velocidad el aumento es mínimo. Cuando la fuerza de levitación iguala el peso del vehículo, éste despega.
Puede llegar a alcanzar una velocidad hasta 650 Km/h, aunque aún no está en funcionamiento, ya que tienen que realizar un toda la infraestructura , estará operativo en Japón en veinte años vista. Hay mas proyectos por diferentes partes del mundo, pero el proyecto de Japón es el más avanzado ya que este mismo año empiezan la realización de las infraestructuras.
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Ilustraci贸n 12
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INDICE C
fuerza electromotriz, 9
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carga elĂŠctrica, 7 corrientes de Foucault, 11 Ley de Faraday-Lenz., 8
E electricidad y el magnetismo, 5 electroimanes, 6 electromagnetismo, 5
T transformador, 9
U F fuerza, 8
un campo magnĂŠtico, 5 un elemento de corriente, 6
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BIBLIOGRAFIA (endesaeduca, 2015) endesaeduca. (19 de junio de 2015). Obtenido de endesaeduca: http://www.endesaeduca.com/
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