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Curso de electrónica - Parte 4


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TEORÍA DE LA CORRIENTE CONTINUA

 

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LA ELECTRICIDAD

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Qué es el voltaje y la corriente

 

Como ya se mencionó previamente, se necesita más que un simple sendero o circuito continuo (sin interrupciones) para que los electrones fluyan a través del mismo. De hecho se requiere algún medio que empuje a estos electrones a través del circuito. Así como sucede en el ejemplo de las canicas en un tubo, en donde se necesita algún tipo de fuerza que inicie el movimiento de las mismas; con los electrones sucede lo mismo; y de hecho esta fuerza es la misma que actúa en la electricidad estática de la que ya hemos hablado en secciones anteriores: o sea la fuerza producida por el desbalance o diferencia de carga eléctrica entre dos elementos u objetos; en otras palabras, cuando en uno de los dos objetos enfrentados hay un exceso de electrones y en el otro un déficit de ellos.

Si tomamos el ejemplo del pedazo de cera y la lana que han sido frotados uno con el otro, encontraremos un excedente de electrones en la cera (carga negativa) y un déficit de electrones en la lana (carga positiva), este vendría a ser un desbalance de cargas o diferencia de cargas entre ambos objetos. Dicho desbalance se manifiesta naturalmente en la forma de una fuerza de atracción entre los dos objetos, ya que uno (el que está cargado positivamente) intenta llenar los espacios de electrones faltantes en sus átomos y el otro (el que está cargado negativamente) intenta sacarse de encima los electrones sobrantes (esto quedó bien explicado en la primera sección del curso):
 

que es la electricidad estatica

 
Si colocamos un hilo o cable conductor entre la cera y la lana cargadas de manera respectiva negativa y positivamente, los electrones tendrán una vía de escape y van a fluir a través del cable, ya que dichos electrones en exceso o sobrantes en los átomos de la cera, rápidamente querrán volver a través del cable coductor a los átomos de la lana, para llenar el déficit o faltantes de electrones y generar así un equilibrio entre ambos objetos (a la naturaleza por lo general le gusta mantener el equilibrio de las cosas). Al estár conectados, los dos objetos no se atraerán entre sí, ya que los electrones tendrán una cómoda vía de escape, y no hará falta que los objetos se acerquen para que las partículas puedan saltar de la cera a la lana:

  Electrones fluyendo entre dos objetos cargados

El desbalance o diferencia de electrones en superávit y déficit entre los átomos de la cera y los átomos de la lana, genera una fuerza entre los dos materiales. Si no hay ningún sendero (cable o hilo conductor) uniendo a los dos objetos, por donde pudieran transitar los electrones para ir de la cera hasta la lana, toda esa fuerza no tendría otra alternativa más que hacer que ambos objetos se atrajeran lo más cerca posible entre sí, para lograr de esa manera que los electrones saltaran de la cera a la lana, o sea se manifestaría en forma de fuerza estática de atracción. Pero con un material conductor entre ambos objetos, supongamos que un cable o hilo conductor como el de la imagen anterior, se crearía una especie de puente que pasa por el espacio aislante que separa a ambos, por donde los electrones podrían fluir de manera uniforme, sin necesidad de que los objetos se atrajeran. Los electrones excesivos de la cera, fluirían o circularían a través del cable, momentáneamente, hacia los átomos de la lana, hasta que la diferencia de carga se neutralice y la fuerza entre ambos objetos haya disminuido por completo, entonces recién ahí dejarían de fluir más electrones a través del hilo conductor.

La carga eléctrica creada entre estos dos materiales al frotarlos juntos, sirve para almacenar una cierta cantidad de energía potencial. Esta energía no es distinta a la energía potencial almacenada en un gran tanque ubicado a cierta altura con agua que fue bombeada desde un lago ubicado a menor altura:

Analogia hidraulica de la corriente electrica

       
La influencia de la gravedad terrestre sobre el agua del tanque, crea una fuerza que intenta mover al agua hacia abajo, nuevamente a su nivel inferior. Si se colocara un tubo de escape entre el tanque y el lago, el agua fluiría, bajo la influencia de la fuerza de gravedad y a través de dicho tubo, cayendo desde el tanque de arriba hacia el lago que se encuentra abajo y liberando la energía potencial almacenada en forma de energía cinética (energía de movimiento):

Analogia hidraulica de la electricidad

Se necesita invertir energía mecánica para bombear hacia arriba (con una bomba de presión) al agua desde el lago de abajo hasta el tanque que se encuentra a gran altura, venciendo a la fuerza de gravedad que está en contra. Dicha energía se almacena como energía potencial en el tanque de agua (energía con capacidad de realizar potencialmente trabajo o energía cinética de la misma cantidad o magnitud de energía almacenada). Mientras que el movimiento del agua a través del tubo de escape, desde el tanque hacia el lago, para volver a su nivel original, libera la energía potencial que ha sido acumulada durante el bombeo inicial en forma de energía cinética (energía de movimiento). Como verán la energía no se crea ni se destruye, simplemente se convierte de un tipo de energía a otro, y este es un principio fundamental de la naturaleza que hay que tener bien grabado en la mente. La cantidad de energía que se tiene siempre es la misma (ya sea mecánica, potencial o cinética), lo que cambia es su forma o tipo. Primero toda la energía mecánica aplicada por la bomba para subir al agua hasta el tanque se convierte en energía potencial (o sea energía capaz de realizar trabajo) y luego toda esa energía potencial almacenada en el tanque termina liberándose como energía cinética (de movimiento). Ahora, si les causa curiosidad saber en qué se convierte luego toda esa energía cinética, es muy sencillo, por la propia fricción con el tubo se convertirá en energía térmica (pero nunca desaparecerá, simplemente seguirá su ciclo, convirtiéndose de un tipo de energía a otra según por los lugares que siga circulando).

Volviendo a nuestra analogía hidráulica, si el agua es bombeada a una altura aún mayor, se necesitará más energía mecánica para lograr llevarla a esa altura superior; por ende se acumulará mayor cantidad de energía potencial, y también se liberará mayor cantidad de energía cinética si se dejara fluir al agua nuevamente a través del tubo de escape desde el tanque hacia el lago:

Analogia hidraulica de un circuito electrico
Cliquear para ver en grande

 
En el caso de los electrones la situación no es tan diferente. Cuando frotamos a la cera y la lana, es como bombear electrones desde su altura o nivel normal o de reposo, almacenándose en forma de energía potencial, y generando una situación en la que existe una fuerza entre la cera y la lana, en la que los electrones buscan restablecer sus posiciones originales, para dejar así balanceados a los átomos con exceso de electrones (en el caso de la cera) y con déficit de ellos (en el caso de la lana). La fuerza que atrae a esos electrones de vuelta a sus posiciones originales, alrededor de los núcleos positivos ubicados en la lana, es similar a la fuerza que ejerce la gravedad sobre el agua del tanque, intentando atraerla a su nivel original abajo en el lago.

Así como al bombear agua al tanque de arriba se almacena energía, al bombear electrones (o sea al pasar electrones tras frotar dos objetos) de un material al otro para crear un desbalance o diferencia de carga, también se almacena una determinada cantidad de energía potencial (capaz de realizar trabajo) gracias a esa diferencia de carga entre los objetos frotados. Y así como en el caso en que se deja que el agua fluya por un tubo de caída desde el tanque ubicado a gran altura de vuelta al lago de abajo, se libera la energía almacenada en forma de energía cinética (de movimiento); al permitir que los electrones circulen a través de un cable o hilo conductor de vuelta a sus posiciones originales, también se libera energía.

Cuando los electrones de más que se encuentran acumulados en el objeto de cera, en situación o condición estática y con ganas de escapar hacia un objeto con déficit de electrones; (como cuando el agua se encuentra quieta y almacenada en el tanque de agua a gran altura con ganas de caer), la energía almacenada se denomina energía potencial, porque tiene la posibilidad o el potencial de realizar cierta cantidad de trabajo liberando energía eléctrica, y está esperando a que algo la accione.

Cuando se frotan las suelas de los zapatos al caminar sobre un suelo alfombrado, en un día seco, se crea un desbalance o diferencia de carga entre uno (la persona que camina) y la alfombra. La acción de frotar los zapatos contra la alfombra, arranca electrones de esta última, los acumula en la persona, almacenando energía potencial en la forma de diferencia de carga entre la persona cargada negativamente con electrones de más y cualquier otro objeto cargado positivamente (con déficit de electrones). Ya que se arrancan electrones de la alfombra y quedan almacenados temporalmente, como energía potencial, en los átomos del zapato y otras partes de la persona, los cuales obtienen así un valor excesivo de electrones (o sea mayor cantidad de electrones que de protones en cada átomo), cargándose de esta manera negativamente (por tener más electrones que protones). Dicha carga es de electricidad estática, por lo tanto estacionaria o inmóvil (o sea electrones que no circulan o fluyen), así que la persona no se dará cuenta que está cargada negativamente y que lleva un superávit o exceso de electrones almacenados en ella en la forma de energía potencial (con capacidad de generar energía eléctrica ni bien se escapen pasando a otro elemento cargado positivamente, o sea a un objeto con déficit de electrones). Sin embargo, ni bien se coloca la mano en el picaporte o pomo metálico de la puerta (de buena conductividad eléctrica y electrones en movimiento constante, saltando de un átomo al otro del objeto conductor y generando una gran capacidad de neutralización de la carga negativa que lleva la persona), esa energía almacenada será liberada repentinamente en la forma de electrones fluyendo o circulando a través de la mano de la persona, lo cual sí será percibido por ella, ya que sentirá un pequeño shock eléctrico. O sea que los electrones fluyendo o circulando sí se pueden sentir en el cuerpo como energía eléctrica.

Esta energía potencial, almacenada en el cuerpo de la persona en la forma de desbalance o diferencia de carga eléctrica y con capacidad de hacer circular o fluir a los electrones de más que están acumulados, a través de un material conductor, también se expresa mediante un témino llamado tensión o voltaje, que técnicamente es la medida de energía potencial almacenada por unidad de carga de electrones (la unidad de carga es el Coulomb, para más información al respecto volver a leer la parte 1 del curso) o lo que un físico llamaría energía potencial específica. O sea que vendría a ser la cantidad de energía potencial almacenada por 6.241.502.650.000.000.000 electrones (1 coulomb) acumulados en un objeto cargado negativamente (como la cera), o la cantidad de energía eléctrica capaz de ser generada por esa cantidad de electrones (que equivalen a 1 Coulomb de carga) si son liberados para circular del objeto cargado negativamente (con exceso de electrones) al objeto cargado positivamente (con déficit de electrones).

Definida en el contexto de electricidad estática, el voltaje es la medida de cantidad de trabajo requerido para mover una unidad de carga eléctrica (1 coulomb), o sea 6.241.502.650.000.000.000 electrones de un lugar a otro y en contra de la fuerza que intenta mantener a las cargas eléctricas balanceadas, en otras palabras la cantidad de trabajo que se requiere efectuar para arrancar a los electrones de un objeto -como la lana- al ser frotado por otro -como la cera-. También es la cantidad de trabajo que se realiza al liberar esa energía potencial almacenada al dejar que los electrones se dirijan del objeto cargado negativamente al cargado positivamente.

En el contexto de fuentes de energía eléctrica (como una batería por ejemplo), el voltaje vendría a ser como la cantidad de energía potencial disponible (o sea la cantidad de trabajo que puede efectuar dicha fuente) por unidad de carga eléctrica (1 coulomb), para mover a los electrones a través de un conductor. O sea la cantidad de trabajo que puede generarse al circular 6.241.502.650.000.000.000 electrones.

Dado que el voltaje es una medida de energía potencial, que representa la posibilidad o capacidad de liberación de energía mientras los electrones se muevan de un material al otro, o lo que sería de un punto al otro. Consideremos nuevamente la analogía hidráulica del tanque de agua:

Diferencia de potencial electrico

 
Dada la diferencia en la altura de caída de agua, hay potencial o capacidad de liberación de mayor cantidad de energía cinética desde el tanque hasta la altura de suelo 2 (el de abajo) que hasta la altura de suelo 1 (el de arriba). Dicho principio puede ser intuitivamente entendido al dejar caer una roca: que si se suelta desde una altura de 1000 metros generará un impacto mucho más violento que si se suelta desde una altura de 1 metro. No podemos saber la cantidad de energía que hay almacenada en un tanque de agua solamente teniendo en cuenta el volumen de agua, tanto como no podemos saber la energía con que la roca impactará al chocar contra el suelo solamente conociendo su masa en kilogramos; en ambos casos también debemos considerar cuánta distancia estas masas recorrerán desde su altura inicial. La cantidad de energía liberada al dejar caer una determinada cantidad de masa en kilogramos, es relativa a la distancia recorrida entre el punto de partida y el punto final.

De la misma manera, la energía potencial disponible para mover electrones de un punto al otro es relativa a dos puntos. Por lo tanto el voltaje o tensión siempre se expresa como una cantidad o medida relativa a dos puntos. La diferencia de energía potencial entre esos dos puntos, uno cargado negativamente y otro cargado positivamente, es equivalente al voltaje o tensión. O sea, la diferencia de capacidad de realizar trabajo o de mover electrones de un punto A a uno B y de uno B a uno A es el voltaje. Si el objeto A tiene mayor potencial de liberación de electrones (superávit de electrones) que el objeto B, entonces los electrones intentarán ir del objeto A al B y no al revés. Si hay una mayor diferencia o desbalance de electrones entre los dos objetos (o sea una mayor cantidad de electrones en superávit en el objeto A y un mayor déficit de electrones en el objeto B) la diferencia de energía potencial será aún mayor, o sea mayor tensión o voltaje. Por eso también a la tensión se la denomina diferencia de potencial.

El voltaje puede ser generado por otros medios además de frotar ciertos tipos de materiales unos con otros. Ciertas reacciones químicas, la energía radiante causada por las ondas electromagnéticas, y la influencia del magnetismo en materiales conductores, son algunas de las maneras en que se puede producir voltaje o energía potencial eléctrica. Tres ejemplos, uno para cada una de las tres fuentes de generación mencionadas son: las baterías (reacciones químicas), las celdas solares (energía radiante), y los generadores (influencia del magnetismo en conductores) como son los alternadores que se encuentran en los automóviles. Todavía no entraremos en detalles de cómo funcionan cada una de estas fuentes de generación de voltaje, eso lo veremos más tarde, lo importante por ahora es que se entienda cómo la fuentes generadoras de voltaje pueden ser utilizadas para hacer fluir o circular electrones a través de un circuito.

Ahora utilicemos el símbolo que representa a las baterías químicas en electrónica y armemos un circuito simple paso por paso:

Simbolo de bateria en electronica

 
Cualquier fuente de voltaje, incluyendo las baterías, tienen dos puntos o extremos para el contacto eléctrico. En este caso se tienen el punto 1 y el punto 2, como se puede ver en el diagrama de arriba. Las líneas horizontales de distinta longitud indican que se trata de una batería y además indican la dirección hacia la que el voltaje de esta batería intentará empujar los electrones a través de un circuito. Las líneas horizontales en el símbolo de la batería aparecen separadas una de la otra, representando placas metálicas inmersas en un líquido o material semisólido que genera voltaje al interactuar con las placas (ese es el proceso técnico de las baterías para generar cargas negativas y positivas, o sea una diferencia de potencial o sea voltaje o tensión).

Si se fijan bien, a la izquierda del símbolo de batería hay unos signos "+" y "-"; el signo negativo (-) siempre se coloca en el extremo de la batería con la línea horizontal más corta mientras que el signo positivo (+) se ubica en el extremo con la línea horizontal más larga, y representan respectivamente a los extremos o puntos de la batería cargados negativamente y positivamente respectivamente; siendo el extremo negativo aquel que intenta sacarse de encima los electrones que tiene de más, mientras que el extremo positivo es aquel que trata de atraerlos para cubrir su déficit o faltante de electrones. Al punto o extremo cargado negativamente también se lo puede denominar técnicamente terminal negativa de la batería y al extremo positivo con el nombre de terminal positiva de la batería.

Las placas metálicas inmersas en un líquido o material semisólido generan diferencia de potencial, o sea que cargan negativamente a un extremo de la batería, con electrones de más, tomados del otro extremo de la batería, hasta cierto punto, hasta llegar al límite de capacidad de electrones adicionales del lado negativo, o sea el límite de diferencia de carga o potencial; de la misma manera que en la analogía hidráulica, la bomba puede tomar y enviar agua desde el lago hacia el tanque hasta que este último se llene, luego de eso no podrá seguir enviando más agua por mas que siga aplicando presión, habrá llegado a su límite.

Si los extremos (+) y (-) de la batería no se encuentran conectados a nada, habrá voltaje o diferencia de potencial entre estos dos puntos extremos, con capacidad de realizar trabajo liberando la energía potencial acumulada en forma de energía eléctrica (electrones en movimiento uniforme a través de un conductor), sin embargo los electrones no fluirán porque no hay un sendero conductor (cable, hilo conductor, etc) que permita que los electrones se muevan del extremo cargado negativamente hacia el positivo, o sea de la terminal negativa a la terminal positiva. Al igual que el agua no fluirá cayendo del tanque al lago si el primero se encuentra tapado sin un tubo de escape:

Analogia hidraulica de la corriente electrica
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El mismo principio se aplica para la analogía del tanque de agua y la bomba: sin un tubo que permita al agua del tanque dirigirse hacia abajo en el lago, la energía potencial almacenada en el tanque no podrá se liberada en forma de energía cinética (de movimiento) del agua fluyendo hacia el lago. Una vez que el tanque se ha llenado completamente, no puede fluir más agua hacia arriba, sin importar cuanta presion ejerza la bomba que envía agua hacia arriba. Se necesita un circuito completo y cerrado entre el lago, el tanque y de vuelta entre el tanque y el lago para que el agua fluya continuamente entre el lago, el tanque y luego de regreso al lago.

Con la batería podemos crear un circuito similar conectando una pieza de alambre o cable desde un extremo al otro. De esta manera tendremos un circuito que permitirá fluir a los electrones en dirección de las agujas del reloj como se ve en la imagen a continuación. Las placas inmersas en líquido o material semisólido de la batería hacen un papel similar que la bomba de agua en la analogía hidráulica, bombeando o arrancando electrones de un extremo de la batería y enviándolos al otro generando diferencia de potencial eléctrico entre ambos, con capacidad de generación de trabajo al liberarse la energía potencial en forma de energía eléctrica. Y el cable del circuito juega un papel similar al de los tubos de agua:

Analogia hidraulica de un circuito electrico
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Mientras la batería continúe produciento voltaje y la continuidad del circuito o sendero eléctrico no se rompa, los electrones continuarán fluyendo en el circuito. Siguiendo con la analogía de la corriente de agua fluyendo a través de un tubo, este movimiento continuo y uniforme de electrones a través del circuito también se llama corriente. Mientras la fuente de voltaje siga empujando hacia la misma dirección, el movimiento de electrones continuará en la misma dirección del circuito. Este movimiento de electrones siempre hacia un único y mismo sentido se denomina corriente continua (CC) o corriente directa (DC) (siendo esta segunda forma de llamarla la más utilizada en inglés con el nombre de Direct Current o DC que significa Corriente Directa). Mucho más adelante, en el segundo volumen de este curso, hablaremos de la corriente eléctrica que va hacia adelante y atrás y que se llama Corriente Alterna (en inglés Alternating Current o AC). Pero por el momento nos ocuparemos solamente de los circuitos de corriente continua o como le dicen los angloparlantes corriente directa. Nosotros de aquí en más la llamaremos siempre, a lo largo del curso, como corriente continua.

Dado que la corriente eléctrica está compuesta por electrones individuales que se mueven al unísono a la misma velocidad a través de un conductor moviéndose ellos y empujando a los que se encuentran delante suyo (por fuerza de repulsión de las mismas cargas negativas de los electrones), como si fuesen canicas en un tubo, la cantidad de electrones que fluyen o pasan por cualquier punto del circuito siempre será la misma. Por ejemplo si hicieramos un monitoreo de la cantidad de electrones que circulan por un determinado punto de un circuito en cada segundo (o unidad de tiempo), obtendríamos el mismo número de electrones circulando por segundo que si hicieramos el mismo monitoreo en cualquier otro punto del circuito, sin importar la longitud del conductor, la cantidad de electrones que fluyen por segundo en cualquier punto del mismo siempre es la misma.

A la cantidad de electrones que se desplaza por segundo en cualquier punto de un circuito eléctrico se la denomina intensidad y se mide en amperios o amperes. Un ampere equivale al desplazamiento de una carga de 1 coulomb por segundo por cualquier punto de un circuito; o sea que equivale a 6.241.502.650.000.000.000 electrones pasando por segundo por cualquier punto de un circuito. La intensidad, como ya se mencionó es la misma a lo largo de todo el circuito.

Si rompemos la continuidad del circuito en cualquier punto, la corriente eléctrica se detendrá en todo el circuito y todo el voltaje producido por la batería se manifestará en la zona que se cortó, entre los extremos del cable que antes estaban unidos:

Circuto electrico interrumpido


Si nos fijamos, los signos "+" y "-" dibujados en cada extremo del corte del circuito, veremos que coinciden con los signos "+" y "-" que se encuentran al lado de cada una de las dos terminales de la batería. Estos signos indican el sentido de la dirección del movimiento en la que el voltaje intenta empujar a los electrones, esa dirección de la energía potencial eléctrica se denomina polaridad. Recuerden que el voltaje siempre es relativo a dos puntos. Es por esto que la polaridad de una diferencia de potencial es también siempre relativa a dos puntos. Si un punto cualquiera de un circuito es rotulado con un signo "+" o "-" depende del otro punto con el que se encuentra unido. Veamos el siguiente circuito, donde cada esquina del circuito tiene un número de referencia:

Circuito electrico interrumpido

 
Con la continuidad del circuito rota o cortada entre los puntos 2 y 3, la polaridad del voltaje entre los puntos 2 y 3 será "-" para el punto 2 y "+" para el  punto 3. La polaridad de la batería ("-" para el punto 1 y "+" para 4) intenta empujar a los electrones en sentido de las agujas del reloj de 1 a 2 de 2 a 3 de 3 a 4 y luego de vuelta a 1.

Ahora veamos qué sucedería si conectamos de vuelta a los puntos 2 y 3 y hacemos un corte entre los puntos 3 y 4:

Circuito electrico interrumpido

Con el corte entre los puntos 3 y 4, la polaridad de la diferencia de potencial o voltaje entre estos dos puntos es "+" para 4 y "-" para 3. Si nos fijamos bien, veremos que a diferencia del ejemplo anterior, ahora el signo del punto 3 será negativo "-", ya que se encuentra unido a la terminal negativa de la batería. De esta manera llegamos a la conclusión de que un deteminado punto no tendrá siempre el mismo signo, porque la polaridad no es específica de un determinado punto sino que, al igual que el voltaje, es relativa a los dos puntos entre las que se encuentra y a las terminales de la batería a las que cada uno de los dos estarán unidos.

RESUMIENDO LO VISTO EN ESTA SECCIÓN:

  • Los electrones pueden ser motivados a moverse a través de un conductor por la misma fuerza manifestada en electricidad estática.
  • El Voltaje es la medida de energía potencial específica (energía potencial por unidad de carga o coulomb) entre dos puntos. Explicado de manera sencilla vendría a ser la medida de capacidad de empuje que tiene una fuente de energía para mover a los electrones, o sea cuánto puede moverlos.
  • El voltaje como expresión de energía potencial, es siempre relativa a dos puntos uno con carga negativa y el otro con carga positiva.
  • Cuando una fuente de voltaje (por ejemplo una batería) es conectada a un circuito, el la tensión o voltaje causará un movimiento uniforme de electrones a través del circuito, dicho movimiento se llama corriente eléctrica.
  • En un circuito simple, la cantidad de corriente que pasa por un determinado punto del mismo es la misma que pasa por cualquier otro punto del circuito.
  • Si un circuito con una fuente de voltaje se corta en algún punto, todo ese voltaje o diferencia de potencial aparecerá entre los dos extremos del corte.
  • La orientación o sentido -/+ de la diferencia de potencial que se manifiesta en un corte del circuito se llama polaridad, es relativa a los dos puntos y a las terminales de la batería a las que cada uno estárá unido.

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 un buen dia. quisiera

 un buen dia. quisiera tener este curso completo de electronica. donde lo puedo conseguir?. podrian informarme.  gracias. 

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