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Corriente Continua
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Se denomina batería o acumulador al dispositivo capaz de
almacenar electricidad en forma de energía química y,
posteriormente, usando procedimientos electroquímicos, producir
energía eléctrica. Este ciclo puede repetirse por un determinado
número de veces. Se trata de un generador que no puede funcionar
sin que se le haya suministrado electricidad previamente, mediante
lo que se denomina proceso de carga.
Las baterías, a diferencia de las pilas, son recargables, aunque según
países y contextos los términos pueden intercambiarse o
confundirse.
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El término pila, se refiere a los generadores de electricidad basados
en procesos químicos no reversibles, o acumuladores de energía
eléctrica no recargables; mientras que el término batería se refiere a
los dispositivos electroquímicos semi reversibles, o acumuladores de
energía eléctrica que sí se pueden recargar.
Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros
tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o
celdas: en el primer, caso uno encima de otro, «apilados», y en el
segundo, lateralmente, «en batería», como se sigue haciendo
actualmente.
El término acumulador se aplica indistintamente a uno u otro tipo, así
como a los capacitores eléctricos, siendo de este modo un término
neutro capaz de englobar y describir a todos ellos.
 El
principio de funcionamiento de un acumulador está basado
esencialmente en un proceso químico reversible llamado reducciónoxidación, en el cual uno de los componentes se oxida (pierde
electrones) y el otro se reduce (gana electrones); es decir, un proceso
cuyos componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que
meramente cambian su estado de oxidación y, que a su vez pueden
retornar a su estado original en las circunstancias adecuadas. Estas
circunstancias son, en el caso de los acumuladores, el cierre del
circuito externo, durante el proceso de descarga, y la aplicación de una
corriente, igualmente externa, durante la carga.
 Un acumulador es, así, un dispositivo en el que la polarización se lleva
a sus límites alcanzables, y consta, en general, de dos electrodos, del
mismo o de distinto material, sumergidos en un electrolito.
El 20 de marzo de 1800, Alessandro Volta comunica su invento de
la pila, que actualmente lleva su nombre, a la Royal Society of London.
Tres años después, se construyó su acumulador eléctrico. Como
muchos otros que le siguieron, era un prototipo teórico y experimental,
sin posible aplicación práctica.
A finales del siglo XIX, sin embargo, la electricidad se iba convirtiendo
rápidamente en artículo cotidiano, de modo que comenzó a fabricarse
y ser utilizado casi inmediatamente, iniciándose un intenso y continuo
proceso de desarrollo para perfeccionarlo y evitar sus deficiencias,
proceso que aún continúa.
En 1887, Gassner patentó la denominada pila seca, ya que no tiene un
electrólito líquido libre, sino una pasta de yeso de París.
En 1955, el ingeniero Urry, intentando encontrar una manera de
aumentar la vida útil de las pilas de cinc-carbono, modificó los
electrodos llegando al desarrollo de las pilas alcalinas, aunque con una
fabricación de mayor coste.
En la década de 1980, un equipo de investigación de Sony produciría
finalmente la batería de iones de litio, recargable y más estable que la
batería de litio puro. En 1996, se lanzó al mercado la batería
de polímero de ion de litio, en la que su electrolito se aloja en un
polímero sólido compuesto y los electrodos y los separadores se
laminan entre sí, lo que permite envolturas flexibles.
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La tensión o potencial es el primer parámetro a considerar, pues es el que
suele determinar si el acumulador conviene al uso al cual se le destina.
La unidad de voltaje es el voltio.
Matemáticamente:
Donde:
V = voltaje
W = trabajo
q = carga
t = tiempo
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Es la tasa de cambio neta de la carga Q (medido en culombios)
transferida a través de una sección transversal de un conductor.
Donde:
I = corriente
q = carga
t = tiempo
En motores de corriente continua mientras mayor es la corriente
más torque se puede realizar con el motor. Osea más fuerza
podrá hacer dicho motor.
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La capacidad de carga que puede almacenar el elemento o capacidad del
acumulador, se mide en amperios-hora (Ah) y es el segundo parámetro a
considerar. Especial importancia tiene en algunos casos la intensidad de
corriente máxima obtenible, medida en amperios (A); p. ej., los motores de
arranque de los automóviles exigen esfuerzos muy grandes de la batería
cuando se ponen en funcionamiento (centenas de A), pero actúan durante
poco tiempo.
Un miliamperio-hora es la corriente en miliamperios que puede entregar la
pila durante 1 hora. Entre una batería o pila de 1200 mAh y otra de
2200 mAh la segunda durará más tiempo porque tiene mayor cantidad de
carga eléctrica almacenada. En cualquier equipo eléctrico podemos colocar
cualquier pila con cualquier mAh ya que influye en la duración.
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La capacidad eléctrica se mide en la práctica por referencia a los
tiempos de carga y de descarga en amperios (A). La unidad es el
culombio (C).
Donde:
C = capacidad eléctrica
I = intensidad
t = tiempo (en segundos)
th= tiempo en horas
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La energía que puede suministrar una batería depende de su capacidad y de su voltaje, se
mide habitualmente en Wh (vatios-hora); la unidad SI es el julio.
Donde:
W = energía
P = potencia
t = tiempo (en segundos)
th= tiempo (en horas)
Como
Donde:
P = potencia
i = intensidad
V = diferencia de potencial
La equivalencia de unidades se puede desarrollar en:
(La energía se obtiene multiplicando la capacidad por el voltaje).
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Cuando vean indicaciones en el cuerpo de las baterías o en sus
envases, como «Cárguese a 120 mA durante 12 horas», el
producto resultante excederá la capacidad del acumulador, el
exceso de carga se disipa dentro de la batería en forma de calor a
causa de su resistencia interna.
Si la capacidad del acumulador fuesen 1200 mAh y se le aplicara
una corriente de carga de 120 mA durante 12 horas, , por lo que
240 mAh será la carga convertida en calor dentro de la batería y
1200 mAh la efectivamente almacenada en ella. Para calcular la
energía perdida bastaría multiplicar los 240 mAh de exceso de
carga por la tensión de carga.
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La resistencia de las baterías es muy inferior a la de las pilas, lo
que les permite suministrar cargas mucho más intensas que las
de éstas, sobre todo de forma transitoria. Por ejemplo, la
resistencia interna de una batería de plomo-ácido es de 0,006
ohm, y la de otra de Ni-Cd, de 0,009 ohm.
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C es una constante creada por los fabricantes que depende de los
miliamperios hora especificados en la batería y que se usa para poder
señalar más fácilmente la intensidad a la que debe cargarse o descargarse
una batería sin que ésta sufra daños. Se calcula como a continuación:
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Donde:
C= constante de carga o descarga
X= capacidad en mAh de la batería
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Por ejemplo, una LiPo de 1200 mAh:
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Las baterías recargables usan reacciones electroquímicas que son eléctricamente reversibles, es decir:
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Cuando la reacción transcurre en un sentido, se agotan los materiales de la pila mientras se genera una corriente
eléctrica.

Para que la reacción transcurra en sentido inverso, es necesaria una corriente eléctrica para regenerar los materiales
consumidos.
Las baterías recargables vienen en diferentes tamaños y emplean diferentes combinaciones de productos
químicos.
Se encuentran habitualmente en el comercio acumuladores recargables de los tipos que se detallan a
continuación:
Baterias de Plomo – Ácido
Baterias de Niquel – Hierro
Baterias de Niquel – Cadmio
Baterias de Niquel – Hidruro Metalico
Baterías de iones de litio (Li-ion)
Baterías de polímero de litio
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Los acumuladores o baterías de plomo son un tipo de batería
muy común en vehículos convencionales.
Suelen proporcionar una tensión de 6 V, 12 V u otro múltiplo de
2, ya que la tensión que suministra cada celda es de 2 V.
Pueden suministrar unas intensidades de corriente relativamente
grandes, lo que las hacen ideales para los motores de arranque.
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Composicion
Una batería se compone de 2 juegos de placas de plomo, positivas y
negativas, interpuestas alternadamente, separadas entre sí por un
elemento aislante. El conjunto se sumerge en un líquido, llamado
electrolito, compuesto de ácido sulfúrico diluido en agua destilada.
Este conjunto se agrupa en celdas ó elementos independientes,
también llamados vasos y su tensión es de unos 2 V. cuando está bien
cargado. Estos elementos se conectan en serie formando así una
batería de acumuladores.
Por ejemplo, una batería de 12 V. es el resultado de la interconexión
de 6 celdas en serie.
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Ventajas


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Desventajas



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Facil de Fabricar
Tecnologia Fiable y bien conocida
No admiten sobrecargas, viendo seriamente disminuida su vida útil.
Contenido de Plomo y acido dañan el medio ambiente.
La carga dura entre 8 y 10 horas.
Utilizacion mas conocida en los automoviles para el arranque y en aplicaciones
estacionarias como acumuladores para fuentes de alimentación ininterrumpidas
para equipos médicos, informáticos, equipos de seguridad.
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La batería de níquel-hierro, también denominada de ferroníquel, fue
inventada por Waldemar Jungner en 1899, posteriormente desarrollada por
Thomas Alva Edison y patentada en 1903
Composicion
En el diseño original de Edison el cátodo estaba
compuesto por hileras de finos tubos formados
por laminas enrolladas de acero niquelado, estos
tubos están rellenos de hidróxido de níquel u
oxi-hidróxido de níquel (NiOOH)
El ánodo se componía de cajas perforadas delgadas
de acero niquelado que contienen polvo de
óxido ferroso (FeO)
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Las principales ventajas de la batería de níquel-hierro con respecto a las de plomo-ácido, eran su
velocidad de carga, eran más ligeras y su gran longevidad. Todavía hay vehículos de la época en las que
funcionan. Bob Burrell restaurador de coches antiguos, encontró el ultimo coche eléctrico de Edison
(construido en 1912) languideciendo en un garaje de Londres; después de una restauración de ocho años, el
coche está en funcionamiento.
No es contaminante, no contiene metales pesados y el electrolito diluido se puede usar en aplicaciones
agrícolas.
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Muy larga vida útil, algunos fabricantes hablan de más de 100 años de esperanza de vida.
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Compuesta de elementos abundantes en la corteza de la tierra (hierro, níquel, potasio)
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Funciona en un mayor rango de temperaturas, entre −40 °C y 46 °C
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Las baterías de niquel-hierro se utilizaron en vehículos de los modelos Detroit Electric y Baker Electric; y
desde 1910 a 1965 se utilizaron en la iluminación de los trenes. Hoy en día se utilizan en fuentes de energía
alternativas: paneles solares, y turbinas de viento
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Las baterías de níquel cadmio (que suelen abreviarse "NiCd") son baterías
recargables de uso doméstico e industrial (profesionales). Cada vez se usan
menos (a favor de la NiMH), debido a su efecto memoria y al cadmio (que
es muy contaminante).
El calor es el gran enemigo de los elementos de NiCd y aún más de las de
NiMH. Si se carga una batería con una corriente elevada y una vez
alcanzada la carga máxima se sigue suministrando corriente, ésta se
disipará en el interior de la batería en forma de calor, pudiendo deteriorarla
o incluso destruirla. Existen cargadores de baterías comerciales que
detectan el momento de carga máxima, pues en ese punto se observa un
pico en el voltaje (aumenta hasta un máximo y luego disminuye),
interrumpiendo en ese momento el proceso de carga.
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Composición:

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Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. El
electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de materiales permite recargar la
batería una vez está agotada, para su reutilización. Sin embargo, su densidad de energía es
baja, lo que hace que tengan poca capacidad.
Ventajas
Pueden recargarse
Son mucho más robustas en construcción y por tanto menos propensas que las pilas
normales a perder el electrolito.
 Tienen una resistencia interna extremadamente baja


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Desventajas

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Efecto memoria muy alto.
Densidad de energía baja.
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Consecuencia medioambientales:

Las baterías de ni-cd contienen de un 6% a un 18% de cadmio, que es un metal
pesado toxico, por lo tanto requiere un cuidado especial durante su eliminación,
ya que en organismos sobreexpuestos, el cadmio ocasiona graves
enfermedades tales como cáncer de pulmón. Estas enfermedades son
ocasionadas por la contaminación y residuos que emite al ser incinerado o
absorbido por el suelo. Estos residuos pueden llegar a las personas y a especies
animales mediante el agua, los alimentos y el aire que respiramos. Por eso
muchos países tienen programas de reciclaje para reprocesar baterías viejas de
ni-cd

Parte del alto precio de las baterías de Ni-Cd es debido a la necesidad de que
tengan un diseño que prevenga posibles escapes.
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Precauciones para asegurar una larga vida útil:

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Una Ni-Cd tratada con cariño puede recargarse hasta 1000 veces. Según
aumentan el número de cargas, aunque sea con todo cuidado la ni-cd
disminuye su capacidad. Una Ni-Cd ha dejado de ser útil cuando su capacidad
baja al 70% de la nominal.
Precauciones para asegurar una larga vida útil:
Evitar que el calor de la soldadura llegue a la ni-cd. En un proceso cercano de
soldadura
 Evitar las bajas temperaturas durante el proceso de carga.
 No descargar completamente una ni-cd, una batería totalmente
descargada no puede volver a cargarse.
 Cargar las baterías nuevas antes de usarlas.

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Comparten caracteristicas con las NI-CD pero son superiores
Reemplaza la composicion de Cadmio por hidruro Metalico, eliminando el
cadmio que es muy costoso y representa un peligro al medio ambiente.
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Ofrecen una mayor capacidad en el mismo tamano y peso que las NI-CD
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Voltaje nominal 1.2V
Hay que evitar la descarga completa ya que la bateria
puede dañarse.
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Ventajas

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Desventajas

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Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto
memoria, en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de
un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada),
imposibilitando el uso de toda su energía.
No admiten bien el frío extremo, reduciendo drásticamente la potencia eficaz
que puede entregar.
La tecnología NiMH se utiliza ampliamente en baterías recargables
para electrónica de consumo, donde resultan muy útiles porque sus
electrodos se pueden soldar sin problemas.
Es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea
como electrolito, una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción
electroquímica reversible que tiene lugar entre el ánodo y el cátodo.
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Utilizan un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina
(LiFePO4) u óxido de manganeso
Suelen llevar circuitería acoplada para conocer el estado de la batería y
evitar carga excesiva como descarga completa
Su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles,
agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música

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
Apenas sufren el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de estar
descargadas completamente, sin reducción de su vida útil.
Altas densidades de capacidad.
No admiten bien los cambios de temperatura.
No admiten descargas completas y sufren mucho cuando éstas suceden.
Voltaje Proporcionado:

A plena carga: entre 4,2 V y 4,3 V dependiendo del fabricante

A carga normal: entre 3,6 V y 3,7 V dependiendo del fabricante

A baja carga: entre 2,65 V y 2,75 V dependiendo del fabricante (recomendada)
Densidad de energía: 115 Wh/kg
Capacidad usual: 1,5 a 2,8 A (en pilas de tipo AA)
Son una variación de las baterías de iones de litio (Li-ion). Sus características son
muy similares, pero permiten una mayor densidad de energía, así como una tasa
de descarga bastante superior. Estas baterías tienen un tamaño más reducido
respecto a las de otros componentes.
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Establece una nomenclatura XSYP (X celdas en serie e Y baterías en
paralelo – Ej: 3s2p). Se conectan con un cable paralelo.
Voltaje nominal de cada celda de 3,7 V, máximo 4,2 V y mínimo 3,0 V
(por debajo de este, la pila se daña irreparablemente)
Por su tamaño y peso, son útiles para equipos pequeños que requieran
potencia y duración, como un manos libres bluetooth.

Mayor densidad de carga, por tanto tamaño reducido
Buena tasa de descarga, bastante superior a las de iones de litio.

Quedan casi inutilizadas si se descargan por debajo del mínimo de 3 voltios.


Se venden generalmente de 1S a 4S lo que significa:

Li-PO 1S: una celda, 3,7 V.

Li-PO 2S: dos celdas, 7,4 V.

Li-PO 3S: tres celdas, 11,1 V.

Li-PO 4S: cuatro celdas, 14,8 V.
La pila de combustible no se trata de un acumulador propiamente dicho, aunque
convierte energía química en energía eléctrica y es recargable. Funciona con
hidrógeno (Se usan otros combustibles como el metano o el metanol para
obtener el hidrógeno).
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Está diseñada para permitir el reabastecimiento
continuo de los reactivos consumidos.
Produce electricidad de una fuente externa de
combustible y de oxígeno.
Aunque no sean acumuladores electroquímicos en sentido estricto, en la
actualidad se están consiguiendo capacidades lo suficientemente grandes (varios
faradios, F) como para que se los pueda utilizar como baterías cuando las
potencias a suministrar sean pequeñas, en relación a su capacidad de
almacenamiento de energía.
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Se usan como batería en algunos relojes de pulsera que recogen la energía
en forma de luz a través de células fotovoltaicas, o mediante un pequeño
generador accionado mecánicamente por el muelle de la cuerda del reloj.
Se les suele llamar condensadores, ya que condensan o almacenan la
corriente eléctrica aunque ésta fluctúe en el circuito.
Duración
(número de
recargas)
Tiempo de
carga
Auto-descarga
por mes (% del
total)
Tipo
Energía/ peso
Tensión por
elemento (V)
Plomo
30-40 Wh/kg
2V
1000
8-16h
5%
Ni-Fe (Níquel-Hierro)
30-55 Wh/kg
1,2 V
+ de 10 000
4-8h
10 %
Ni-Cd (Níquel-Cadmio)
48-80 Wh/kg
1,25 V
500
10-14h *
30 %
Ni-Mh (Níquel-Hidruro
Metálico)
60-120 Wh/kg
1,25 V
1000
2h-4h *
20 %
Li-ion (Iones de Lítio)
110-160 Wh/kg
3,16 V
4000
2h-4h
25 %
Li-Po (Polímero de Lítio)
100-130 Wh/kg
3,7 V
5000
1h-1,5h
10 %

Diferencia de potencial

Duración fuera de servicio
Pila común o secas
- Pilas alcalinas
Pilas alcalinas de manganeso
-
-
PILAS
COMPOSICION
VENTAJAS
DESVENTAJAS
USOS
Secas,
de zinccarbono
o
Comune
s
Recipiente cilíndrico de cinc (polo
No se descargan si no
negativo) relleno de pasta electrolítica están en uso.
y por una barra de carbón en el centro
(electrodo positivo).
Una pila puede
Linternas,
llegar a contaminar radios, otros.
3.000 litros de agua.
Alcalina
s
Electrolito básico (Hidróxido de
potasio)-dióxido de manganeso- pasta
de cinc, amalgamada con mercurio
(en total 1%), carbón o grafito.
Mayor potencia y una
corriente más estable.
Su duración es seis
veces mayor que la de
la pila de cinc-carbono.
Resisten mejor el uso
constante.
Mayor costo.
El blindaje no tiene
duración ilimitada.
Para aparatos
complejos y de
elevado
consumo
energético.
Alcalina
s de
mangan
eso
El recipiente es de acero . El ánodo es
de cinc amalgamado y el cátodo es un
material polarizador compuesto con
base en dióxido de manganeso, óxido
de mercurio (II) mezclado
íntimamente con grafito, y en casos
raros, óxido de plata .
El electrolito es una solución de
hidróxido potásico (KOH),
Mayor duración que las
alcalinas.
Una pila contamina
175.000 litros de
agua.
Sus componentes
son sustancias
tóxicas, que
producen diversas
alteraciones en la
salud humana
Juguetes,
tocacintas,
cámaras
fotográficas,
grabadoras,
linternas, etc.
Una micropila de mercurio, puede llegar a contaminar 600.000 l de
agua.
Una de cinc-aire 12.000 litros.
Una de óxido de plata 14.000 litros.
TENER EN CUENTA:
“Las pilas son residuos peligrosos por lo que, desde el momento en
que se empiezan a reunir, deben ser manipuladas por personal
capacitado que siga las precauciones adecuadas empleando todos
los procedimientos técnicos y legales de manipulación de residuos
peligrosos.”
Electromagnetismo de Estado Sólido I
Profesores:
Vallhonrat, Carlos
Cingolani, Enrique
Anton, Matías
Castromán, Hugo
Cisneros, Edith
Clementi, Adrián
Contino, Leandro
Graff, Walter
10/12/2013 - TN