Laboratorio de Física III - UNMSM Electromagnetismo Experiencia 8
INDICE ELECTROMAGNETISMO ELECTROMAGNETISMO ........................................... .................................................................. ............................................. .............................. ........ 3 I. OBJETIVOS: ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ....................... 6 II. MATERIALES: ........................................... .................................................................. ............................................. ......................................... ................... 6 III. MARCO TEORICO:............................................ .................................................................. ............................................ .................................. ............ 6 IV. PROCEDIMIENTOS: .......................................... ................................................................ ............................................ .................................. ............ 6 A. CAMPO MAGNETICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR ELECTRICO: ELECTRICO: ................... 7 i.
EXPERIMENTOS: EXPERIMENTOS: ............................................ .................................................................. ............................................ ........................... ..... 7 1. Experimento: Campo magnético de un conductor 1 1 ................................ 7 a. Procedimiento:........................................... ................................................................. ............................................ ........................ 7 b. Cuestionario: .......................................... ................................................................ ............................................ ........................... ..... 8 2. Experimento: Campo magnético de un conductor 2 2 ................................ 8 a. Procedimiento:........................................... ................................................................. ............................................ ........................ 8
B. CAMPO MAGNÉTICO DE UNA BOBINA: .......................... ................................................ ...................................... ................ 9 i.
EXPERIMENTO:........................................................ .............................................................................. .................................... .............. 10 1. Verificación del campo magnético de una bobina bobina .................................. ................................. 10 a. Procedimiento:........................................... ................................................................. ........................................... ..................... 10 b. Cuestionario: .......................................... ................................................................ ............................................ ......................... ... 11
C. LA MATERIA EN EL CAMPO MAGNETICO: .......................................... ........................................................... ................. 12 a.
Intensidad de campo H y densidad de flujo B: B: .......................................... ......................................... 12
b.
La materia en el campo magnético: ............................................ .......................................................... .............. 12
D.BOBINAS D. BOBINAS CON NUCLEO DE HIERRO: ..................................................... ................................................................... .............. 13 i.
EXPERIMENTOS: EXPERIMENTOS:........................................... ................................................................. ............................................ ......................... ... 14 1. Efecto del núcleo de hierro: hierro:. .............................................................. .................................................................... ...... 14 a. Procedimiento:........................................... ................................................................. ........................................... ..................... 14 b. Cuestionario: .......................................... ................................................................ ............................................ ......................... ... 15 c. Otros Experimentos: Experimentos: ......................................... ............................................................... .................................... .............. 15
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Efecto dinámico magnético:...................... magnético: ............................................ ....................................... ................. 15
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2.
Histéresis:..................... Histéresis: ........................................... ............................................ ............................................ ......................... ... 16
Materiales de magnetismo fuerte y débil: ...................................... ...................................... 17
Experimento de Remanencia: Remanencia:. ......................................................... ............................................................... ...... 17 b. Procedimiento:........................................... ................................................................. ........................................... ..................... 17 c. Cuestionario: .......................................... ................................................................ ............................................ ......................... ... 18
E. FUERZA DE LORENZ:.......................................... ................................................................ ............................................ ............................ ...... 18 i.
EXPERIMENTOS: EXPERIMENTOS:........................................... ................................................................. ............................................ ......................... ... 20 1.
Experimento 1 de inducción: ............................................ ................................................................. ..................... 20 a. Procedimiento:........................................... ................................................................. ........................................... ..................... 20 b. Cuestionario: .......................................... ................................................................ ............................................ ......................... ... 21
2.
Experimento 2 de inducción: ............................................ ................................................................. ..................... 21 a. Procedimiento:........................................... ................................................................. ........................................... ..................... 21 b. Cuestionario: .......................................... ................................................................ ............................................ ......................... ... 21
V. CUESTIONARIO: CUESTIONARIO: ........................................... ................................................................. ............................................ .................................... .............. 22 VI. CONCLUSIONES: CONCLUSIONES: .......................................... ................................................................ ............................................ .................................... .............. 22 VII.SUGERENCIAS: VII.SUGERENCIAS: ......................................... ............................................................... ............................................. ........................................ ................. 22 VIII.
BIBLIOGRAFIA:..................... BIBLIOGRAFIA:........................................... ............................................ ............................................ ................................ .......... 22
IX. ENLACES: .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................. ......................... .. 23
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ELECTROMAGNETISMO EXPERIENCIA 8
El Electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo, pues la corriente eléctrica manifiesta un efecto magnético. El marco que enlaza ambas fuerzas, es el tema de este informe.
En 1819, el físico y químico danés Hans Christian Oersted (1777 a 1851) descubrió que una aguja imantada se desvía por la corriente que circula a través de un alambre, con lo que fundó el electromagnetismo.
En los años siguientes, aproximadamente a partir de 1622, el físico y químico británico Michael Faraday se ocupó del estudio del efecto contrario, es decir, la conversión del magnetismo en electricidad. En 1831 pudo demostrar las primeras pruebas, publicando sus traba jos bajo el concepto de “inducción electromagnética’,
famoso.
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trabajo
que
lo
hizo
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El experimento de Oersted: Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja se deflactaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo. Del experimento de Oersted se deduce que: Una carga en movimiento crea un campo magnético en el espacio que lo rodea. Una corriente eléctrica que circula por un conductor genera a su alrededor un campo magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la distancia del conductor.
CAMPO MAGNÉTICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR RECTILÍNEO: Siempre que hay un flujo de corriente a través de un conductor existe un campo magnético en torno a él, y la dirección de este campo depende del sentido de la corriente eléctrica. Cuando la corriente circula de izquierda a derecha, el sentido del campo magnético es contrario a las agujas del reloj. Si el sentido del flujo de la corriente se invierte, el sentido del campo magnético también se invierte.
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Si realizásemos un corte transversal del conductor y pudiésemos observar el campo magnético que lo rodea desde esa perspectiva, veríamos la forma que adopta el campo magnético a todo lo largo del conductor. En la ilustración, el círculo central es el conductor y los círculos con flechas indican el sentido de las líneas de fuerza; el punto del círculo central significa que la corriente va en dirección a usted, mientras que la cruz significa que la corriente viene desde usted.
El campo magnético producido por una corriente eléctrica, siempre forma ángulo recto con la corriente que lo produce. El campo magnético tiene dirección e intensidad, y sus líneas de fuerza están concentradas cerca del conductor, disminuyendo a medida que la distancia al conductor aumenta. En realidad, el campo magnético de un conductor no se limita a un solo plano, sino que se extiende a lo largo de toda su longitud.
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I. OBJETIVOS:
Determinar las características del campo magnético de la tierra. Determinar la componente horizontal del campo magnético terrestre en el laboratorio. Analizar el comportamiento de una barra magnética en un campo magnético.
II. MATERIALES: Trabajaremos un el instrumento Uni Train – I con sus tarjetas insertables pero para este experimento trabajaremos con una tarjeta que presente una bobina de hierro, una brújula, conductores eléctricos, con ello podremos experimentar el comportamiento de campo magnético y la relación que presenta con el campo eléctrico.
III. MARCO TEORICO:
IV. PROCEDIMIENTOS:
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Laboratorio de Física III - UNMSM Electromagnetismo Experiencia 8 A. CAMPO MAGNETICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR ELECTRICO: Todo conductor eléctrico por el circula una corriente genera un campo magnético. Dicho campo se origina debido a que los portadores de carga (electrones) se mueven dentro del conductor. La siguiente animación muestra el campo magnético generado por un conductor por el que fluye una corriente. Un conductor por el que circula corriente está rodeado por líneas de campo concéntricas. Para determinar el sentido de las líneas de campo se puede aplicar la llamada “Regla del tornillo”.
Las líneas del campo magnético rodean el conductor por el que circula corriente en la misma dirección en la que habría que girar un tornillo (de rosca derecha) para apretarlo es el sentido técnico el flujo de la corriente. i. EXPERIMENTOS: 1. Experimento: Campo magnético de un conductor 1 a. Procedimiento: Con una brújula se verificara el campo magnético de un conductor por el que circula corriente. Monte el siguiente arreglo experimental: Aleje el imán por lo menos 50 cm de la brújula. Anote la posición de la aguja magnética, la cual se ve determinada básicamente por el campo magnético terrestre. En la animación, pulse el botón STEP2 y complete la última conexión como se indica. De este modo, por el conductor circulara una corriente de aproximadamente 1 A.
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Laboratorio de Física III - UNMSM Electromagnetismo Experiencia 8 b. Cuestionario: 1. ¿Cómo se comporta la aguja imantada cuando se cierra el circuito eléctrico? Anote lo observado. Según lo observado nos hemos podido dar cuenta que la aguja se mueve hacia la dirección aproximada de las líneas de campo concéntricas al conductor. 2. ¿Qué sucede cuando la aguja de la brújula no se coloca debajo sino por encima del cable por el que circula la corriente? Anote lo observado. Podemos concluir que las agujas se desplazan claramente hacia la otra dirección. 2. Experimento: Campo magnético de un conductor 2 a. Procedimiento: Se averiguara si es mayor el campo magnético de un bucle conductor o el de un conductor si por ambos circula corriente. Además, se analizara si la polaridad de la corriente ejerce alguna influencia.
Modifique el arreglo anterior como se muestra a continuación: Juzgue la intensidad del campo magnético en el interior de un bucle conductor, comparada con la intensidad del campo en un conductor, si por ambos circula la corriente: En el caso del bucle conductor la deflexión de la aguja es: más fuerte. El campo magnético del conductor sin bucle es: más débil. Permute los terminales del bucle conductor en la alimentación de corriente. Así se modifica la polaridad de la corriente.
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¿Qué efecto ejerce este cambio sobre el campo magnético? El efecto que se da es que el campo magnético al interior del bucle conductor cambia de polaridad.
B. CAMPO MAGNÉTICO DE UNA BOBINA: En muchos equipos eléctricos y electrónicos se utilizan componentes que constan de conductores eléctricos arrollados. Estos arrollamientos se conocen como bobinas. Como todo conductor por el circula la corriente, las bobinas con corriente también presentan un campo magnético:
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i. EXPERIMENTO: 1. Verificación del campo magnético de una bobina a. Procedimiento: Con una brújula se analizara una bobina mientras por ella circula corriente al igual que cuando no se aplica ninguna corriente. En este caso, se determinaran ciertas propiedades magnéticas y la forma de las líneas de campo. Monte el siguiente arreglo experimental: Retire la brújula de su soporte y acérquela lentamente a la bobina. Observe la orientación de la aguja de la brújula. Complemente el arreglo experimental. La animación STEP2 muestra la manera de hacerlo. Mueva de nuevo la brújula alrededor de la bobina por la que ahora circula corriente. Observe la dirección de la corriente.
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b. Cuestionario: 1. ¿Qué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina sin corriente? Podemos concluir después de nuestra observación que la aguja magnética mantiene dirección original es decir de norte a sur, no se ve alterada. 2. ¿Qué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina por la que circula corriente? Del experimento podemos concluir que la orientación que presenta la aguja de la brújula es que presenta una alteración en su orientación, es decir la aguja cambia de orientación cada vez que se la coloca en una nueva posición sobre la bobina. Observe el comportamiento de la aguja de la brújula en diferentes posiciones con respecto a la bobina por la que circula corriente. Por favor, ordene las siguientes afirmaciones: ¿la aguja de la brújula se orienta? Las agujas de la brújula se orientan en sentido paralelo a las líneas de campo. ¿las líneas de campo describen un arco? Las líneas de campo describen un arco que va desde el polo norte al polo sur de la bobina.
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C. LA MATERIA EN EL CAMPO MAGNETICO: a. Intensidad de campo H y densidad de flujo B: Todas las corrientes eléctricas están rodeadas por campos magnéticos. Aquí se diferencia entre dos magnitudes: La intensidad del campo H: conocida también como excitación magnética, se genera únicamente con corriente eléctrica verdadera (esto es, mensurable con el amperímetro). Caracterizan el origen del campo magnético. La densidad de flujo B: es responsable de la inducción, de la fuerza de Lorentz al igual que de la atracción y repulsión de los imanes (permanentes). Por esta razón, caracterizan el efecto del campo magnético. b. La materia en el campo magnético: Si una bobina se encuentra en el vacio (o lo suficientemente cercana al campo magnético, en la atmosfera), es válido lo siguiente: -7 Constante de campo magnético: μ 0 = 4 μ · 10 Vs / Am Unidad SI de la intensidad de campo H: A / m 2 Unidad SI de la densidad de flujo magnético B: T (Tesla) = Vs / m
Se puede comprobar con facilidad que, con igual corriente I (y por consiguiente igual intensidad de campo H), la densidad del flujo magnético B variara si se introduce materia en el interior de una bobina. Para la descripción de este fenómeno, dependiente de la materia, se introdujo la constante de permeabilidad magnética relativa
() ()
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μr:
Laboratorio de Física III - UNMSM Electromagnetismo Experiencia 8 De acuerdo con la permeabilidad magnética relativa, los materiales se pueden clasificar en tres grupos principales: Diamagnéticos:
Paramagnéticos:
Ferromagnéticos:
En los dos primeros grupos, μr se alejan de 1 de forma poco significativa. En el caso de los ferromagnetos, se da el caso contrario puesto que pueda alcanzar valores 100.00 veces mayores.
μr
D. BOBINAS CON NUCLEO DE HIERRO: Si se coloca un núcleo de hierro dentro de una bobina, aquel se verá magnetizado por esta. Así se produce un electroimán.
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i.
EXPERIMENTOS:
1. Efecto del núcleo de hierro: a. Procedimiento: Se someterá un núcleo de hierro a la influencia de un campo magnético y, a continuación, se verificara su campo magnético residual. Luego se repetirá el experimento con la polaridad invertida. Monte el siguiente arreglo experimental: Con un marcador, o con material adhesivo rojo, marque un lado del núcleo de hierro. Inserte y retire repetidamente el núcleo de hierro de la bobina por la que circula corriente. El punto rojo se dirige hacia abajo. Saque el núcleo de hierro y analícelo con la aguja imantada.
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b. Cuestionario: 1. ¿Conserva el núcleo de hierro propiedades magnéticas después de que el campo ha actuado sobre él? (Mantenga el imán permanente a suficiente distancia) Pudimos observar del experimento realizado que el núcleo de hierro desvía ostensiblemente la aguja imantada, por lo que deducimos que posee un campo magnético. 2. ¿Cuál polo queda en el extremo marcado con el punto rojo? Del observado podemos decir que el extremo marcado con el punto rojo representa el polo sur, puesto que el extremo del polo norte de la brújula presenta atracción con el punto rojo. 3. Repita el experimento e introduzca y retire varias veces el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. Esta vez, el punto rojo se debe dirigir hacia arriba. Retire el núcleo y vuelva a analizarlo con la aguja magnética. ¿Cuál polo queda ahora en el extremo marcado con el punto rojo? Ahora el extremo marcado con el punto rojo nos representara el polo norte, puesto que al acercar la brújula presenta una atracción con el polo sur de la brújula. c. Otros Experimentos: Efecto dinámico magnético: Se verificara si una fuerza actúa sobre un imán que se introduce en una bobina. Monte el siguiente arreglo experimental:
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Laboratorio de Física III - UNMSM Electromagnetismo Experiencia 8 Introduzca y saque repetidamente el imán del devanado de la bobina con corriente. ¿Qué se siente? Bueno dependiendo de la polaridad que presente el imán, este será empujado al interior de la bobina o expulsado de la bobina, es decir lo que pudimos sentir fue como una fuerza de repulsión si es que son polos iguales haciendo que lo expulsen de la bobina pero si son de polos contrarios no presenta ninguna fuerza.
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Histéresis: En los materiales ferro magnéticos no existe una relación lineal entre la densidad de flujo magnético B y la intensidad del campo magnético H. en las imágenes muestra la curva de magnetización. Si la intensidad de campo H actúa sobre un material ferromagnético, la primera vez, este se comporta de una manera distinta que durante magnetizaciones posteriores. Pulse el botón 2 para observar lo que ocurre si la intensidad de campo disminuye. Pulse el botón 3 para observar la manera en que la densidad de flujo B puede llegar a cero. Pulse el botón 4 para observar el bucle completo de histéresis.
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Materiales de magnetismo fuerte y débil: La capacidad de mantener un magnetismo residual elevado o pequeño, es una propiedad de los materiales que permite diferenciarlos entre: Magnéticamente fuertes y magnéticamente débiles.
2. Experimento de Remanencia: b. Procedimiento: Con una brújula se analizara una bobina con núcleo de hierro, por lo que circula corriente.
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Laboratorio de Física III - UNMSM Electromagnetismo Experiencia 8 Se compara las propiedades magnéticas de la bobina con y sin núcleo de hierro. Monte el siguiente arreglo experimental.
c. Cuestionario: 1. ¿Qué puede afirmar acerca del comportamiento de la brújula frente a una bobina con núcleo de hierro si se realiza una comparación con lo que sucede cuando el núcleo se encuentra ausente? Podemos afirmar que el comportamiento de la aguja de la brújula se desvía más fuertemente, pues el campo magnético se refuerza con el núcleo de hierro y las líneas de campo salen por los polos.
E. FUERZA DE LORENZ: Si un conductor por el que circula corriente se coloca dentro de otro campo magnético, se producirá una interacción entre ambos campos.
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a. Regla de la mano derecha: Es un método sencillo y fácil de comprender que nos permitirá determinar el sentido de la fuerza de Lorentz es la llamada regla de la mano derecha. Las magnitudes velocidad V de los electrones (contraria al sentido técnico de la corriente) inducción magnética B del campo magnético exterior fuerza F (fuerza de Lorentz) son perpendiculares entre sí. Si se conoce el sentido de dos de ellas, con la regla de la mano derecha se puede determinar el sentido de la tercera magnitud. b. Inducción: En la electrotecnia se conoce como inducción a la generación de energía eléctrica en un conductor (alambre) debido a un campo magnético variable. La inducción tiene una gran importancia técnica en la producción de corriente con generadores y en los transformadores. c. Ley de la inducción: Los procesos físicos relativos a este fenómeno se describen mediante la ley de la inducción. Una variación del flujo en el tiempo (dF / dt) induce en un bucle conductor, que abarca la superficie A, la tensión de inducción.
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Si el conductor es una bobina con n vuelta, las tensiones parciales inducidas en cada arrollamiento se suman para conformar la tensión total.
i.
EXPERIMENTOS: 1.
Experimento 1 de inducción: a. Procedimiento: En una bobina sin núcleo se generara una tensión con el movimiento de un imán permanente. Dicha tensión se medirá con un voltímetro. Monte el siguiente arreglo experimental: Abra el instrumento virtual voltímetro A del menú de instrumentos de medición o pulse sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes ajustes: Rango: 0,5 V DC: Display análogo Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio)
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b. Cuestionario: 1. Conecte la bobina a un voltímetro. Introduzca y retire varias veces el imán permanente del devanado de la bobina. ¿Qué se puede observar en el voltímetro? De lo observado podemos concluir que el voltímetro nos indica tanto una tensión positiva, como una tensión negativa, según sea el sentido del movimiento. 2. Experimento 2 de inducción: a. Procedimiento: Se variara el campo magnético sin realizar ningún movimiento, encendiendo y apagando la corriente en una “bobina d e campo”.
Se observara la tensión inducida en una segunda bobina y se medirá esta tensión con un voltímetro. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra el instrumento virtual voltímetro y realice los siguientes ajustes: Rango: 0,5 V DC: Display análogo Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio).
b. Cuestionario: 1. Dos bobinas se encuentran arrolladas alrededor del núcleo de hierro. La bobina 1 está conectada al voltímetro. En la bobina 2 se conecta y desconecta una corriente. ¿Qué se puede observar en el voltímetro?
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Laboratorio de Física III - UNMSM Electromagnetismo Experiencia 8 A través del experimento podemos concluir que el voltímetro nos indicara tanto tensión negativa como también tensión positiva dependiendo del estado de la conexión. La deflexión del voltímetro es solo muy breve, a continuación la tensión volverá a caer a cero.
V.
CUESTIONARIO:
VI. CONCLUSIONES:
Luego de haber visto los temas que corresponden a Electromagnetismo, obtenemos las siguientes conclusiones: -
-
El rol importante que cumple los temas de Electromagnetismo para el avance de la tecnología, siendo como ejemplo las invenciones descritas en la introducción. La relación que liga a temas de magnetismo con electricidad (ejemplo el experimento de Oersted y Faraday). Lo importante de las ecuaciones que ligan el electromagnetismo, que fue base para que James Maxwell formulara las conocidas “Leyes de Maxwell”.
-
También mencionar que estos temas expuestos fueron también fueron base para que se buscara una teoría cuantica de interacción electromagnética.
VII. SUGERENCIAS:
VIII. BIBLIOGRAFIA:
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GUIA D ELABORATIOS DE FISICA III
FÍSICA ELEMENTAL (tomo II)
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o
o o
J.S. Fernández E.F. GALLONI. Editorial NIGAR S.R.L. Buenos Aires - ARGENTINA
FÍSICA GENERAL o Ing. Juan Goñi Galarza LIMA - PERU o
FÍSICA GENERAL o Adisson Wesley Longman Boulevard de las cataratas N3 o o México 01900, DF.
Fundamentos de Electromagnetismo o Cheng Finney Volumen I o o Paris – Francia. FÍSICA UNIVERSITARIA CON FISICA MODERNA o Young, Freedman y Sears, Zemansky Tomo II o
Física III o
Fundamentos de Electricidad y Magnetismo o
Sarwar
Arthur F. Kip
FISICA III o Lic. Humberto Leyva N. Editorial Moshera o o Segunda Edición.
IX. ENLACES:
http://es.scribd.com/doc/111163123/Lab8de-fIII-Electromagnetismo#download http://www.natureduca.com/fis_elec_magnet04.php
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