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Introducción a las ondas electromagnéticas
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Hola, me llamo Andrés Camacho, soy profesor del Departamento de Comunicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia
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y en este objeto voy a dar una introducción a las ondas electromagnéticas.
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Primero hablaré de ondas electromagnéticas, después hablaré de conceptos básicos en onda
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y después veremos cómo es una onda electromagnética estudiada o analizada en campo lejano.
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Primero que nada, una onda electromagnética está compuesta por un campo eléctrico y un campo magnético
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que van juntas de forma indivisible y la energía que en un momento tiene el campo eléctrico se va pasando al campo magnético y de esa forma se propaga la onda electromagnética.
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Para generar ondas electromagnéticas tenemos las antenas.
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Las antenas son elementos que convierten señales eléctricas en radiaciones electromagnéticas.
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Al menos esto es lo que hace una antena transmisora.
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La antena receptora hace al revés, convierte una radiación electromagnética, una onda de radio, en una señal eléctrica.
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Aquí he hecho un pequeño dibujito donde vemos que a una antena le introducimos una señal eléctrica y la antena convierte esa señal eléctrica en esa radiación electromagnética.
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Y aquí tenemos una antena receptora que recibe una radiación electromagnética y la convierte en señal eléctrica.
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Vamos a hablar de ondas, de conceptos básicos en ondas.
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De forma simple podríamos definir una onda como una magnitud que se propaga en una dirección a una velocidad v.
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Si conectamos un cable eléctrico a una fuente de tensión senoidal,
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como la de corriente eléctrica o transmitimos señal de televisión a
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través de un cable,
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lo que ocurre es que la fuente de tensión senoidal, supongamos que es un
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seno de periodo t,
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generará una onda que se propagará
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a través de este cable a una velocidad v.
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Si hablamos de transmisión de señales eléctricas en cables, las velocidades
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que obtenemos son
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comparables a las de la velocidad de la luz, no son exactamente la velocidad de la luz, son algo inferiores
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pero son de ese orden de magnitud.
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Y como ejemplo de esto he puesto aquí algunas representaciones de esto mismo,
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de coger un generador eléctrico simbolizado mediante este circulito con este
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dibujo de onda
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y conectarlo a un cable que sería esta línea negra.
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Aquí en la parte izquierda
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He representado lo que veríamos en un osciloscopio si representáramos el voltaje que tiene esta fuente, este generador de tensión.
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Este generador de tensión tiene una tensión que matemáticamente escribimos como v de t igual al seno de 2pi partido por t y multiplicado por t minúscula.
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Bueno, si miramos eso en el osciloscopio veremos algo como esto.
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El osciloscopio nos hace representaciones donde en el eje horizontal lo que tenemos son tiempos.
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tiempos, si cogemos el osciloscopio y miramos cuánto tiempo transcurre entre un mínimo
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y un mínimo, a eso le llamamos periodo de la señal y ese periodo es el que debemos
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de poner en esta expresión cuando queremos escribir matemáticamente la forma que tiene
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la tensión. Pero si nos olvidamos de la fuente y de la medida mediante un osciloscopio, vamos
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a pensar en lo que ocurre en el cable cuando conectamos esa fuente de
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tensión al cable lo que va a ocurrir es que va a generar una tensión en
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el cable que se va a propagar, que se va a mover además muy rápidamente
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a través del cable. Si nosotros hiciéramos una fotografía de la tensión
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que existe en el cable en dos instantes de tiempo distintos y la
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representamos aquí, aquí he hecho una fotografía en t igual a cero justo
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en el momento inicial y aquí otra fotografía de la tensión que tenemos
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en cada punto del cable, pues veríamos que si hacemos la fotografía
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en t igual a cero y después la hacemos pasados unos segundos o unos
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milisegundos, pues lo que encontraremos es que esa fotografía de lo que
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vale la tensión en cada punto se ha movido, se ha desplazado.
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¿Y cuánto se ha desplazado? Pues dependerá de la velocidad que tenga
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la señal en el cable. Si tengo la suerte de hacer la primera fotografía en t
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igual a cero y la siguiente fotografía la hago en t igual a un periodo de la
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señal, es decir, esto que estamos viendo aquí, lo que habrá ocurrido es que la
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señal se habrá movido exactamente una longitud de onda, como estamos viendo
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aquí. Aquí tenemos la imagen representada en t igual a cero y la
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imagen representada un periodo después. Vemos que se ha desplazado y este punto que tenía
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aquí marcado en verde, con el círculo verde, se ha desplazado a este punto. Se ha desplazado
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si medimos en metros exactamente una longitud de onda. ¿Y cuánto tiempo ha tardado en
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producirse ese desplazamiento? Exactamente un periodo. Bueno, si analizamos un poco esto
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nos vamos a dar cuenta de que existe una relación entre periodo, longitud de onda y velocidad
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de propagación. No lo he dicho antes pero se llama frecuencia al inverso del periodo
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y es un parámetro habitual también cuando se trabajan con ondas, periodo o su inverso
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que se llama frecuencia. Existe una relación entre periodo, longitud de onda y velocidad
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que viene dada por esta expresión que estamos viendo aquí, aquí, esta expresión que podemos
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escribir de distintas formas o decir que el periodo es igual al cociente entre la longitud
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de onda y la velocidad, o decir que la velocidad es el producto entre la longitud de onda por
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la frecuencia y cualquier combinación que se nos ocurra.
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Pero para hacer esto un poco más práctico y no hablar de esas fotografías, vamos a
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ver estas imágenes en movimiento.
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Cuando pulse aquí, pues veremos que se genera esta onda.
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Bueno, aquí he dibujado, esto sería una representación de la tensión que tenemos
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en el cable, que sería 5 voltios, aquí sería menos 5 voltios
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y en el eje que es lo que tengo representado son distancias en el cable
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medidas en metro, esto sería 0 metros y esto sería 1 metro
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si hago que esto se mueva, vemos
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que exactamente lo tengo programado para que esté en movimiento durante un
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segundo y si nos fijamos vemos que en un segundo este punto que tenemos
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aquí se desplaza exactamente hasta
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vamos a ver, 0,4. Lo hacemos otra vez. Es decir, vemos que en un segundo este punto se ha desplazado hasta aquí, con lo que podemos decir que la velocidad de propagación son 0,4 metros por segundo.
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De aquí, con la imagen parada, también podemos ver otra cosa. Si vemos la distancia que hay entre un máximo y otro máximo, vemos que esa distancia son 0,2 metros.
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Y si ahora nos fijamos en un punto cualquiera, por ejemplo este de aquí, y vemos en un segundo cuántas veces se produce un ciclo completo, una subida y bajada de señal, vemos que en un segundo la señal en este punto ha alcanzado un máximo y un mínimo dos veces.
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Por lo tanto, podemos decir que la señal tiene una frecuencia de dos hercios, o lo que es lo mismo, para que vaya a un máximo y luego a un mínimo, transcurre medio, cero cinco segundos, es decir, el periodo es cero cinco segundos.
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Podemos decir que la frecuencia son dos hercios, o hablar de su inverso, el periodo, y decir que son cero cinco segundos.
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Bueno, vamos a hacer esto mismo con otra onda para dejar todavía más claro el concepto.
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Y aquí vemos, pues lo mismo, la longitud de onda, si veo la distancia entre este punto y este punto, veo que en este caso es más grande, son 0,4 metros, la frecuencia, si ahora me fijo en la señal veo que en un segundo solo transcurre un ciclo, el periodo es por tanto un segundo, y la velocidad, vuelvo a darle aquí, vemos que en el transcurso de un segundo se ha movido 0,4 metros.
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Bueno pues con este ejemplo y con este ejemplo en ambos casos podemos comprobar que existe una relación entre velocidad, longitud de onda, frecuencia y periodo.
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La velocidad es el cociente entre la longitud de onda y el periodo, lo cual podemos comprobar utilizando estos parámetros y también utilizando estos parámetros.
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Y la velocidad también es el producto entre la longitud de onda y la frecuencia.
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si hablamos ahora ya no de ondas genéricas sino de ondas electromagnéticas
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en ondas electromagnéticas es importante para trabajar
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digamos con una onda de radio ya estable
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alejarnos a un punto que se conoce como
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espacio lejano, es decir, alejarnos
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bastante de lo que es la antena transmisor
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en ese caso se puede modelar bastante bien
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el campo eléctrico y el campo magnético y tiene unas
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formulaciones muy sencillas. Si no estuviéramos en campo
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eléctrico, en campo lejano, la formulación
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del campo eléctrico y del campo magnético sería bastante más
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complicada. Bueno, repito, si nos vamos a un campo lejano
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vamos a ver que el campo eléctrico lo podemos escribir como un
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vector cuyo módulo y fase van cambiando
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según se nos indica en esta expresión. Aquí vemos la forma
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correcta de escribir el vector campo eléctrico y este campo eléctrico variará dependiendo de la
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posición en que queramos medirlo y del tiempo. Bueno si seguimos en campo lejano vamos a
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encontrarnos que el campo electromagnético está formado por un campo eléctrico y por un campo
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magnético. El campo eléctrico y el campo magnético van a ser perpendiculares entre sí y también van
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a ser perpendiculares a la velocidad de propagación. Si aquí tenemos la antena
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transmisora y nos ponemos en este punto, en este punto la onda se va a mover en
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esta dirección, alejándose de la antena transmisora. Es decir, esta va a ser la
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dirección de propagación. Bueno, pues si estamos en campo lejano lo que
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encontraremos es que en cada instante de tiempo el campo eléctrico representado
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mediante una línea negra y el campo magnético representado mediante una
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línea roja van a ser perpendiculares entre sí y también perpendiculares a la
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dirección de propagación de la onda. Eso es lo que simboliza esta expresión de aquí.
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También veremos que si estudiamos el máximo del valor del campo eléctrico y
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el máximo del valor del campo magnético están relacionados. El valor máximo que
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alcanza el campo eléctrico es Z0, ahora veremos cuánto vale esta constante,
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multiplicado por el valor máximo que alcanza el campo magnético. Z0 es una
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constante que depende de las características del medio en el que
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estemos trabajando. Si estamos trabajando en el vacío, pues esa Z0 va a ser el cociente
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entre la permeabilidad magnética del medio y la constante dieléctrica del medio. Y para
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el caso del vacío esto vale 120 pi ohmios. También a partir de la constante dieléctrica
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y de la permeabilidad magnética se puede deducir, utilizando formulaciones físicas,
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¿Cuál es la velocidad de propagación de la onda? La velocidad a la que se propaga una onda en el vacío va a ser 1 partido por la raíz cuadrada del producto entre la constante dieléctrica y la permeabilidad magnética.
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Y esto sale 3 por 10 elevado a 8 metros por segundo, es decir, 300.000 kilómetros por segundo más o menos que es la velocidad de la luz que todos conocemos.
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Aquí he puesto cuánto valen estos valores y sus unidades.
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También cuando hablamos de ondas electromagnéticas, además de medirse el campo eléctrico y el campo magnético, se suele medir algo muy importante que es la densidad de flujo de potencia.
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El valor de esta densidad de flujo de potencia es igual al campo eléctrico al cuadrado dividido entre esta z0, que es lo que se conoce como impedancia característica del medio.
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bueno ya para finalizar
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resumir diciendo que hemos hablado de los parámetros básicos que tienen las
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ondas y las relaciones entre ellas
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quiero decir
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como parámetros básicos
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longitud de onda, frecuencia, periodo y velocidad de propagación de la onda
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y también hemos hablado de las magnitudes básicas a medir
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cuando hablamos de ondas electromagnéticas
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estas unidades básicas, estas magnitudes básicas
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son el campo eléctrico, el campo magnético
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y la densidad de flujo de potencia
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- Autor/es:
- Universidad Politécnica de Valencia
- Subido por:
- Antonio S.
- Licencia:
- Reconocimiento
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- Fecha:
- 2 de abril de 2017 - 12:10
- Visibilidad:
- Público
- Centro:
- IES ANTONIO MACHADO
- Duración:
- 12′ 47″
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