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1
“Año de la diversificación productiva y del fortalecimiento de
la educación”
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN
MARCOS
Universidad del Perú, decana de América
FACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE
GENÉTICA Y BIOTECNOLOGÍA
Cuarto informe de Física
➢ Tema:
Inducción Electromagnética
Alumnos:
Rivera Poma, María de Fátima 14100106
Torres Roncal, Luis Alberto Alexis 15100110
Guarnizo Bejarano Paul Orlando 15100033
Espinoza Huamán Koralí 15100113
Tapia Robles, Diego Enrique Matheus 14100108
Ciclo II- 2015
Lima, 21 deOctubre del 2015
➢ Docente:
Huayta Puma Jorge
➢ Fecha de experimentación:
Miércoles14 de Octubre, de 12m-2pm
➢ Ciclo:
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Índice
I. Objetivos 3
II. Materiales y Equipos 4
III. Marco Teórico 8
IV. Procedimiento 14
V. Conclusiones 18
VI. Recomendaciones 19
VII. Cuestionario 20
VIII. Bibliografía 26
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INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
I. OBJETIVOS:
En esta práctica, que en su mayoría fue práctica podemos recalcar los
objetivos más importantes que fueron los siguientes:
Comprobar la Ley de Lenz mediante la observación y a la vez de
manera empírica usando los materiales que el profesor nos brindará y
de los cuales hablaremos más adelante.
Comprobar la Ley de Faraday de manera empírica.
Estudiar la relación que existe entre el campo eléctrico y el campo
magnético
Estudiar los fenómenos de la Inducción electromagnética
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II. MATERIALES Y EQUIPOS
1. Fuente de alimentación directa
También conocida como fuente de alimentación, es la encargada de proveer
corriente eléctrica directa para el funcionamiento del circuito. Tiene una
tensión de salida regulable, en nuestro caso, en un margen de 0 a 20 voltios
por la que podemos ajustar qué voltaje de salida queremos y también
podemos poner un límite a la intensidad que circulará .La limitación de
intensidad también nos permite ejercer la prudencia a la hora de alimentar
algún dispositivo que no sabemos cómo va a reaccionar en caso de que haya
alguna avería
2. Reóstato o Resistencia Variable
Un reóstato o reóstato es un dispositivo de una resistencia variable. Al acoplarse
en serie con otro receptor, el reóstato produce una caída de tensión
proporcional a la resistencia seleccionada, modificando los valores de tensión,
corriente y potencia consumida por dicho receptor. El inconveniente de estos
dispositivos es la elevada potencia que consumen y el calor que disipan como
consecuencia de ello, lo que limita su rango a aplicación a intensidades muy
pequeñas.
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3. Cables: Los conductores son materiales que permiten que la electricidad
fluya a través de ellos fácilmente. El cable en los circuitos por lo general se
compone de una sola y sólida hebra de metal. Los cables de los circuitos
también pueden estar hechos de un número de filamentos que se trenzan
juntos. El cable usualmente está envuelto en aislamiento. El aislamiento
puede ser de plástico, esmalte o de caucho. Su propósito es ayudar a
proteger al usuario contra descargas eléctricas o lesiones, para protegerse
contra el fuego, y para proteger la placa y los componentes del circuito.
4. Solenoide: denomina solenoide a la bobina que, por su diseño, genera
un campo magnético de gran intensidad. Esta bobina, de forma cilíndrica,
cuenta con un hilo conductor que está enrollado de forma tal que la
corriente provoca la formación de un campo magnético intenso.
A través del hilo conductor del solenoide circula la corriente y se genera el
campo: mientras más extensa sea la bobina, más uniforme resulta el campo
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en su interior. De acuerdo al núcleo, el solenoide puede actuar
como electroimán.
5. Brújula: La brújula es un instrumento de orientación que utiliza
una aguja imantada para señalar el norte magnético terrestre. Su
funcionamiento se basa en el magnetismo terrestre, por lo que señala el
norte magnético en vez del norte geográfico y es inútil en las zonas polares
norte y sur debido a la convergencia de las líneas de fuerza del campo
magnético terrestre.
6. Galvanómetro: Un galvanómetro es una herramienta que se usa para
detectar y medir la corriente eléctrica. Se trata de un transductor analógico
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electromecánico que produce una deformación de rotación en una aguja o
puntero en respuesta a la corriente eléctrica que fluye a través de su bobina.
Incertidumbre: 0,5 mA
7. Imán: Un imán es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo,
de forma que atrae a otros imanes y/o metales ferromagnéticos (por
ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones de estos). Puede ser natural o
artificial.
Los imanes naturales mantienen su campo magnético continuo, a menos que
sufran un golpe de gran magnitud o se les aplique cargas magnéticas
opuestas o altas temperaturas (por encima de la Temperatura de Curie).
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III. MARCO TEÓRICO:
INDUCCIÓN ELECTROMAGNETICA
La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos
magnéticos variables con el tiempo. El descubrimiento por Faraday y Henry de este
fenómeno introdujo una cierta simetría en el mundo del electromagnetismo. James Clerk
Maxwell consiguió reunir en una sola teoría los conocimientos básicos sobre la
electricidad y el magnetismo. Su teoría electromagnética predijo, antes de ser
observadas experimentalmente, la existencia de ondas electromagnéticas. Heinrich
Rudolf Hertz comprobó su existencia e inició para la humanidad la era de las
telecomunicaciones.
El descubrimiento, debido a Hans Christian Oersted, de que una corriente eléctrica
produce un campo magnético estimuló la imaginación de los físicos de la época y
multiplicó el número de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la
electricidad y el magnetismo. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea inversa de
producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Algunos físicos famosos y
otros menos conocidos estuvieron cerca de demostrar experimentalmente que también
la naturaleza apostaba por tan atractiva idea. Pero fue Faraday el primero en precisar en
qué condiciones podía ser observado semejante fenómeno. A las corrientes eléctricas
producidas mediante campos magnéticos Michael Faraday las llamó corrientes inducidas.
Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de
campos magnéticos variables se denomina inducción electromagnética.
¿Qué es campo magnético?
Se puede definir el campo magnético como la región del espacio donde se
manifiestan acciones sobre las agujas magnéticas. Una carga en movimiento crea
en el espacio que lo rodea, un campo magnético que actuara sobre otra carga
también móvil, y ejercerá sobre esta última una fuerza magnética.
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La inducción electromagnética es la producción
de corrientes eléctricas por campos
magnéticos variables con el tiempo. El
descubrimiento por Faraday y Henry de este
fenómeno introdujo una cierta simetría en el
mundo del electromagnetismo. Maxwell
consiguió reunir en una sola teoría los
conocimientos básicos sobre la electricidad y
el magnetismo. Su teoría electromagnética predijo, antes de ser observadas
experimentalmente, la existencia de ondas electromagnéticas. Hertz comprobó
su existencia e inició para la humanidad la era de las telecomunicaciones.
Flujo Magnético
Las corrientes eléctricas producen efectos magnéticos. Una corriente
eléctrica produce un campo magnético. Una pregunta que surge en forma
natural es si es posible que algún fenómeno magnético produzca también un
fenómeno eléctrico. Faraday (1831) descubrió que los efectos buscados
aparecen como consecuencia de la variación temporal de los campos
magnéticos.
Antes de discutir los resultados de Faraday, definamos el concepto de flujo
magnético.
Es el flujo magnético que atraviesa una superficie S. El flujo magnético tiene
varias propiedades interesantes. El flujo a través de una superficie cerrada
cualquiera es siempre cero.
Debido a lo anterior, el flujo a través de una superficie S abierta no depende de
su forma, sino sólo de la curva que lo limita. El hecho anterior puede hacerse
explícito.
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Experimento de Faraday
En el experimento de Faraday, al cerrar el interruptor en el circuito 'primario', se
produce una corriente en el secundario. Al cabo de un tiempo, la corriente cesa.
Si entonces se abre el interruptor, vuelve a aparecer corriente en el secundario,
la cual nuevamente cesa al cabo de un tiempo breve. Es importante recalcar que
los circuitos primario y secundario se hallan físicamente separados (no hay
contacto eléctrico entre ellos).
Los resultados del experimento de Faraday (y muchos otros) se pueden entender
en términos de una nueva ley experimental, que se conoce como la ley de
Faraday-Lenz:
La variación temporal del flujo magnético enlazado por un circuito, induce en
éste una 'fem'.
Ley de Lenz
El sentido de la 'fem' inducida es tal que siempre tiende a oponerse a la variación
del flujo magnético (lo cual explica el signo (-)).
La variación temporal del flujo magnético enlazado por un circuito puede
deberse a varias causas, entre las cuales se puede mencionar:
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Variación temporal del campo magnético. El circuito se mueve, El circuito se
deforma.
Por supuesto, una combinación de las causas anteriores también producirá
variación del flujo. Observemos también que la Ley de Faraday es una ley
experimental, que no puede deducirse,-en su forma general, de ningún otro
hecho previamente conocido.
Recordemos ahora que la 'fem' de un circuito C se define como, en que
este campo eléctrico, no es un campo electrostático.
Aplicaciones de electromagnetismo:
Trenes de levitación magnética
Estos trenes no se mueven en contacto con los
rieles, sino que van "flotando" a unos
centímetros sobre ellos debido a una fuerza de
repulsión electromagnética. Esta fuerza es
producida por la corriente eléctrica que circula
por unos electroimanes ubicados en la vía de un
tren, y es capaz de soportar el peso del tren completo y elevarlo.
Timbres
Al pulsar el interruptor de un timbre, una
corriente eléctrica circula por un electroimán
creado por un campo magnético que atrae a
un pequeño martillo golpea una campanilla
interrumpiendo el circuito, lo que hace que el
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campo magnético desaparezca y la barra vuelva a su posición. Este proceso se
repite rápidamente y se produce el sonido característico del timbre.
Motor eléctrico
Un motor eléctrico sirve para
transformar electricidad en
movimiento. Consta de dos partes
básicas: un rotor y un estator. El
rotor es la parte móvil y está
formado por varias bobinas. El
estator es un imán fijo entre cuyos
polos se ubica la bobina. Su
funcionamiento se basa en que al
pasar la corriente por las bobinas,
ubicadas entre los polos del imán, se produce un movimiento de giro que se
mantiene constante, mediante un conmutador, generándose una corriente
alterna.
Transformador
Es un dispositivo que permite aumentar o disminuir el voltaje de una corriente
alterna. Está formado por dos bobinas enrolladas en torno a un núcleo o marco
de hierro. Por la bobina llamada primario circula la corriente cuyo voltaje se
desea transformar, produciendo un campo magnético variable en el núcleo del
hierro. Esto induce una corriente alterna en la otra bobina, llamada secundario,
desde donde la corriente sale transformada.
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Si el número de espiras del primario es menor que el del secundario, el voltaje de
la corriente aumenta, mientras que, si es superior, el voltaje disminuye.
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IV. PROCEDIMIENTO:
1. Conectamos el solenoide según el esquema de la Fig. 01. Anotamos la dirección
en la que se encuentra enrollado el solenoide. Cerramos el circuito y
procedemos a introducir el imán de diferentes maneras observando y anotando
los efectos en las diferentes formas. De la misma forma sacando el imán del
solenoide. Anotamos lo observado en el galvanómetro en cada caso.
Determinamos la dirección de la corriente inducida para ambos caso.
La dirección con que se encuentra enrollado el solenoide es:
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Los resultados obtenidos:
Extremo donde se empieza a enrollar Extremo donde se termina de enrollar
Rojo Rojo
Introducir: El G indica I (-) Introducir: El G indica I (+)
Sacar: El G indica I (+) Sacar: El G indica I (-)
Azul Azul
Introducir: El G indica I (+) Introducir: El G indica I (-)
Sacar: El G indica I (-) Sacar: El G indica I (+)
2. Conectamos el solenoide según el esquema de la fig. 02. Cerramos el circuito y
anotamos lo observado en la brújula. Y determinamos la polaridad del solenoide
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Experimentamos también la polaridad del solenoide al poner la brújula en
diferentes medios como debajo del solenoide entre madera, plástico, entre otros
para así probar los aislantes electromagnéticos.
3. Utilice los circuitos de las figuras 1 y 2 para armar el circuito de la figura 03.
Cerramos y abrimos el circuito 1. Anote lo observado en el galvanómetro.
Determinamos las corrientes en el solenoide primario del circuito 1 y el
solenoide secundario del circuito 2.
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V. CONCLUSIONES:
A partir de las experiencias realizadas podemos encontrar la dirección de la corriente magnética que siempre va del polo positivo al negativo.
También comprobamos que la velocidad y la intensidad de corriente están relacionadas a mayor velocidad mayor campo magnético.
La parte Norte del solenoide corresponde a aquella por donde emergen las líneas de campo magnético, y la parte Sur, por donde penetran.
Acercando un imán a un solenoide puede comprobarse que se comporta como un imán por consiguiente, la cara Norte del solenoide es repelida por el polo Norte del imán y atraída por el polo Sur.
Si se trata de dos solenoides, las partes Norte se repelen, en cambio una cara Norte atrae a una cara Sur. Esto se verifica usando una brújula.
Se comprobó también que el imán tiene un mayor campo magnético que el solenoide
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VI. RECOMENDACIONES
En este experimento se la mayor parte fue observar y experimentar
empíricamente para poder entender el comportamiento. A continuación las
recomendaciones más resaltantes:
Se recomienda seguir las instrucciones del profesor para así
poder realizar un procedimiento más eficaz.
Otra recomendación muy importante es hacer el
procedimiento de manera meticulosa para así observar los
diferentes resultados.
Es indispensable en esta práctica de laboratorio utilizar de
manera adecuada los instrumentos ya que podríamos
deteriorarlos o malograrlos.
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VII. CUESTIONARIO 1. Explica con tus propias palabras lo observad en los tres pasos del proceso.
Proceso 1: Aquí observamos que al introducir y sacar el imán a través de la bobina , es
campo magnético del imán inducia una corriente, y que esta cambia de dirección si se
introducía o se sacaba el imán esto se explica por la Ley de Lenz , que plantea que :” La
polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo
campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por
la corriente original” es por esto que el galvanómetro marcaba una corriente positiva y
otra negativa al saca y poner el imán respectivamente, porque la dirección de la
corriente varía de acuerdo a la variación del campo magnético del imán, , el campo
magnético inducido por la corriente de la bobina se opondrá al campo magnético del
imán. También se observó que cuando el imán no se movía, no inducia corriente en la
bobina, comprobando así que es necesario una variación en el campo magnético para
que se genere corriente.
Proceso 2: Aquí observo que la corriente que genera el voltaje de la fuente induce un
campo magnético en la bobina y por la tano también una polaridad, esto lo
comprobamos al poner la brújula en ambos extremos, comprobando que la bobina tenía
un polo positivo y otro negativo.
Proceso 3. En este procedimiento la corriente producida por la fuente de voltaje que
estaba conectada al primer solenoide produce un campo magnético, el cual produce
una corriente inducida al segundo solenoide, cuyo valor observamos en el galvanómetro
pero solo por un breve instante, podemos decir que el solenoide se comporta como si
estuviera conectado a una fuente de voltaje durante un lapso de tiempo breve. La
corriente inducida en este caso fue muy baja debido a la poca intensidad del campo
magnético del solenoide.
2. ¿Qué efecto produce la inserción de una varilla metálica en el interior de una
bobina que lleva una corriente?
Una bobina o solenoide que está conectada a una fuente que genera una diferencia de
potencial, va a conducir una corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica que viene a ser
el desplazamiento de carga por un tiempo determinado va a generar a la vez un campo
magnético el cual se representa por líneas que se visualizan de acuerdo a “la regla de la
mano derecha”. Si introducimos una varilla de metal (material ferromagnético) en el
interior de una bobina, vamos a reorganizar los electrones de este material haciendo
que adopte el comportamiento de un imán, por lo que se
incrementa el campo magnético ya producido por la
bobina y aumentando las líneas de fuerza de la corriente.
Los solenoides que suelen llevar un material
paramagnético o ferromagnético en su interior se llaman
electroimanes y son muy importantes pues pueden tener
un campo magnético muy intenso con una relativamente
poca cantidad de corriente.
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3. Indique el sentido de la corriente y la polaridad en el solenoide cuando el imán se
aleja y cuando se acerca.
4. ¿Qué dificultades han encontrado durante el proceso?
El no estar seguro en un comienzo sobre la dirección del campo magnético dentro del
solenoide y cómo esto influía en la lectura del galvanómetro. También la confusión
sobre los polos magnéticos a los cuales apuntaba la brújula y la relación de la corriente
inducida en el uso de un trasformador.
En el proceso 3, último experimento, al juntar ambos solenoides, la corriente inducida
fue muy baja y era casi imperceptible el movimiento de la aguja en el galvanómetro,
debido a esto al comienzo pensamos que no había corriente; esto puede deberse a la
sensibilidad del galvanómetro usado.
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5. Dibujar las líneas de campo generado en el solenoide
Cuando se acerca el imán
Cuando se aleja el imán
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6. ¿Qué aplicaciones tiene la ley de Faraday?
Generador: Al principio de este artículo
se describe un generador de corriente
continua elemental, consistente en una
espira que penetra en un campo
magnético. Este generador carece de
utilidad práctica. Mucho más
importante es el alternador presente en
la mayoría de las centrales eléctricas. En
un alternador una turbina (movida por
agua o vapor, por ejemplo) hace girar
un imán (el rotor) estando rodeado por
una serie de bobinas (el estator) en las que se induce una corriente eléctrica. Como el
campo magnético se encuentra en rotación con velocidad angular ω el resultado es una
corriente alterna de frecuencia angular ω. Cuando se usan 3 o 6 bobinas el resultado son
tres corrientes alternas desfasadas un tercio de periodo, que es lo que se conoce como
corriente alterna trifásica.
Motor eléctrico: Relacionado con el generador está
el motor eléctrico, en el cual lo que se hace es girar
un electroimán (el rotor) en el interior del campo
magnético creado por otros electroimanes (el
estator). Haciendo que por el rotor circule una
corriente alterna se puede conseguir una rotación
continuada.
Freno magnético: Otra aplicación directa de la ley de Faraday es su uso en frenos
magnéticos. Estos no se basan, como podría
pensarse, en la atracción magnética sobre una
pieza de hierro o acero; pero no es así, consiste en
un electroimán que rodea a un disco metálico,
unido rígidamente a la rueda que se desea frenar.
Cuando se aprieta el padel, se hace circular
corriente por el electroimán, creando un campo
magnético sobre el disco. Por la ley de Faraday se
inducen corrientes en el material conductor. Estas
corrientes en el interior del material se denominan corrientes de Foucault (eddy
currents en inglés). Al existir corrientes se disipa energía por efecto Joule. Esta energía
procede de la energía cinética de la rueda, que por tanto se ve frenada.
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Cocinas de inducción: El mismo principio de los
frenos magnéticos se plica si lo que queremos es
producir calor. Una cocina de inducción consiste en
un imán en espiral situado debajo de la placa
vitrocerámica, que produce un campo magnético
alterno (que varía como el coseno de ωt). Al colocar
sobre la cocina un recipiente metálico se inducen
corrientes de Foucault en el propio recipiente y en
el agua y alimentos que contiene. El calor liberado
por estas corrientes es el que se emplea para
cocinar los alimentos
7. Explicar cómo funciona un transformador
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, por medio de
interacción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material
conductor, aisladas entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de
un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la
constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Los
transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción
electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas
devanadas sobre un núcleo cerrado, fabricado bien sea de hierro dulce o de láminas
apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las
bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios 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. Si se aplica una fuerza electromotriz
alterna en el devanado primario, circulará por éste una corriente alterna que creará
a su vez un campo magnético variable. Este campo magnético variable originará, por
inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los
extremos del devanado secundario.
La razón de la transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el
bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el
número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el
triple de tensión.
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Dónde:
(Vp) es la tensión en el devanado
primario o tensión de entrada,
(Vs) es la tensión en el devanado
secundario o tensión de salida,
(Ip) es la corriente en el
devanado primario o corriente
de entrada
(Is) es la corriente en el
devanado secundario o corriente
de salida.
Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder
efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen
las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.
Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el
del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se
obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como
lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del
primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o
relación de transformación.
26
VII. BIBLIOGRAFÍA
José Ramón Menéndez García. Conceptos de Electromagnetismo. 1era
Edición. EDITORIAL UNIVERSIDAD DE OVIEDO. Pág. 151 – 153.
Marcelo Rodríguez Danta. Campos electromagnéticos. 2da Edición. 1999.
EDITORIAL UNIVERSIDAD DE SEVILLA. Pág. 437 – 452.
Julián Fernández Ferrer. Iniciación a la física. 1 era Edición. 1992.
EDITORIAL REVERTÉ. Pág. 162 – 182.
Hugh D. Young. Física universitaria. 12va Edición. 2009. EDITORIAL
PEARSON EDUCATION. Pág. 1105 – 1134.