Aplicacion de La Magnetostatica

APLICACIONES DE LA MAGNETOSTA M AGNETOSTATICA TICA TUBO DE RAYOS CATODICOS Una de las aplicaciones técnicas mas importantes de lo que estamos estudiando es el tubo de rayos catódicos, que consiste en un canon electrónico que dispara un haz de electrones sobre una pantalla fluorescente. El punto donde el haz hace contacto con la pantalla es controlado por dos juegos de placas deflectoras, que convierten la pantalla en sistema de registro x-y; esto es en esencia un osciloscopio, un instrumento de amplia utilidad y aplicación en la ciencia y la técnica. Algunos aditamentos mas sofisticados lo hacen aplicable a los tubos de televisión, los modernos sistemas radiológicos, el visor de los ecografos, tomógrafos, equipos de resonancia magnética para diagnostico, etc. EL CICLOTRON El ciclotron fue uno de los primeros aceleradores de particulas que se disenaron siendo un instrumento por demas ingenioso. Consta de una cavidad cilindrica dividida en dos por una junta aisladora o bien colocada dentro de otro recipiente a fines de poder hacer funcionar el dispositivo en vacio. Como se muestra en el diagrama, estos semicilindros se colocan en un campo magnetico perpendicular a sus caras extremas y cada mitad del cilindro (llamadas Ds por su geometria) esta conectada a un oscilador que produce una corriente alterna (trabajaremos con ellas mas adelante) que puede describirse por (wt ) . En el punto S se coloca una fuente de iones, como ser una fuente V =V o osen radiactiva que emita particulas alfa (He ++) o un generador de iones compuesto, por ejemplo por un sistema ionizador por alta tensión y un acelerador electrostatico. Los iones entran en la primer D que se encuentra a un potencial tal que los acelera; describen en el campo magnetico un semicirculo y llegan al limite entre las dos Ds, que han cambiado para ese momento de polaridad relativa. Como veremos el sistema se auto-sincroniza y los iones vuelven a acelerarse y describen otro semicirculo de mayor radio, alcanzando nuevamente el limite entre las Ds y volviendo a acelerarse porque estas volvieron a cambiar de polaridad.

TEORIA DE CAMPOS ELECTROMAGNETICOS ELECTROMAGNETICOS II

INGENIERIA ELECTRICA

Finalmente, alcanzada la mayor energia que el instrumento permite, los iones son desviados a, o recibidos por, un canal que los envia a su destino, normalmente a chocar con algun blanco para fines de investigacion o, actualmente tambien para tratamientos medicos. Veamos algunos calculos: la fuerza de Lorentz sobre los iones moviendose en un campo magnetico perpendicular a su velocidad aporta la fuerza centripeta para que estos describan un arco de circunferencia

Donde: ω = 2 π f f es la frecuencia angular o pulsación del oscilador y f la frecuencia.

La maxima energia cinetica a alcanzar por los iones será:

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y dependera, como se ve de la frecuencia del oscilador, el radio util del instrumento y la masa del particula acelerada. Este instrumento no resulto eficiente con electrones, ya que estos tienen una masa tan pequeña (9,1 x 10-31kg), que se aceleran demasiado alcanzando velocidades relativistas, con lo cual la masa varia y los electrones se desincronizan en el haz. La correccion de esta desincronizacion dio lugar al

sincrociclotron. SENSORES DE EFECTO HALL La señal Hall puede procesarse, de acuerdo a las necesidades, para dar una salida digital o analógica. En el primer caso el sistema habitualmente se usa para tomar decisiones a partir de la información, y se conocen como interruptores Hall (Hall switches). En el segundo caso se requiere una salids aproximadamente proporcional a la señal medida, y se habla de sensores de Hall lineales. Un cuadro de algunas aplicaciones actuales de ambos tipos es el siguiente:

Aplicaciones en automotores Posición de árbol de levas Posición de cigüeñal Sensor de ignición Velocidad del motor Velocidad de las ruedas Control de tracción Sistemas de limpiavidrios Cerradura Seguridad central Ajuste de asientos Levantador de ventanilla Deslizador de techo Switch del cinturón de seguridad Switch de luz de frenos Ajuste de espejos Asistencia de frenos Posición de diferencial                 

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Sensores lineales Dirección automática Frenos automáticos Sensor de posición del acelerador Control de suspensión activa Ángulo de la dirección Ajuste del alcance de luces Medición de corriente Mantenimiento de batería Sensor de nivel de líquido Dirección de potencia          

Aplicaciones industriales Hall switches Commutación de motores CC sin escobillas Ventiladores de refrigeración Medición de RPM Sensores de velocidad de volantes Switch de posición Switch sin contacto Nivel de líquidos Flujo de líquidos Switch de presión Switch rotativo Sensores lineales Sensor de posición angular Medición de corriente Medición de posición Medición de distancia Medición de presión Medición de fuerza Medición de cupla o torque Medición de campo magnético          

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SENSORES INDUCTIVOS Los sensores inductivos de bobina estaban ya disponibles para la medición de velocidades de rotación cuando no existía aún ninguna versión en absoluto o todavía no adecuada en tecnología magnetoestática (efecto Hall). Los sensores inductivos de velocidad de rotación constan en principio de tres componentes magnéticos esenciales (figura superior): 

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bobina fija, pieza de hierro dulce imán permanente.

Los sensores inductivos actuales están constituidos preferentemente por un imán de barra (figura arriba, pos. 1) con espiga polar de hierro dulce (3) que soporta la bobina de inducción (4) de dos conexiones. Cuando gira una corona dentada ferromagnética (5) u otro rotor de estructura similar por delante de este detector, se induce en la bobina una tensión proporcional (casi sinusoidal) a la variación del flujo magnético en función del tiempo. Los sensores inductivos son siempre, por tanto, sensores dinámicos. En principio no son apropiados para detectar velocidades extremamente lentas (casi estáticas o estáticas), pues su señal de salida tiende entonces a ser cero. Para que la unidad de control pueda efectuar una evaluación segura y fiable, la tensión generada por el sensor debería ser de 30 mV como mínimo. La desventaja de los sensores inductivos, sin embargo, reside en el hecho de que su tensión de salida puede tener a grandes velocidades valores muy altos, superiores en mucho a 100 V, que son difíciles de procesar por vía electrónica. Si las altas puntas de tensión son recortadas con la ayuda de diodos Zener, se producen muy pronto considerables errores angulares a causa de la variación consecutiva de la impedancia de carga del sensor. Eso puede ser muy desfavorable por lo menos en el caso de los sensores angulares de cigüeñal y de árbol de levas, que participan en la regulación del avance del encendido. Para estas aplicaciones se requiere una tolerancia angular de aprox. 0,2°.

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Las coronas dentadas montadas en los cigüeñales y las ruedas (ABS) están previstas para cubrir entrehierros de hasta 0,8 o 1,5 mm. La marca de referencia necesaria para el encendido se obtiene suprimiendo un diente o llenando un hueco entre dientes. Se identifica por la mayor distancia de los pasajes por cero y genera (como si hubiera un diente más grande) una tensión de señal mucho más alta.

Ventajas de los sensores inductivos 

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Bajos costes de fabricación, Alta estabilidad a perturbaciones: baja resistencia interna estática (más elevada en modo dinámico), ninguna electrónica local (pasividad eléctrica) que haya de ser protegido Ningún problema en caso de derivas de la tensión continua (principio de medición dinámico) Amplio margen de temperaturas (depende sobre todo de la masa de llenado).

Desventajas 

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Límites de reducción del tamaño constructivo en caso de tecnología de bobinaje convencional Señal de salida dependiente de la velocidad de rotación, no sirve para movimientos casi estáticos Sensibilidad a variaciones del entrehierro.

Aplicación 

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Sensor inductivo de la velocidad de rotación del motor (sensor de revoluciones del cigüeñal), Sensor inductivo de la velocidad de giro de rueda, Sensor inductivo de la velocidad de rotación del árbol de levas (encendido transistorizado de detector inductivo TZ-I), Sensor de movimiento de aguja (inyección diesel).

SENSORES MAGNETOSTÁTICOS La detección casi estática de la velocidad de rotación se puede realizar con eficacia mediante sensores magnetostáticos. Su señal de salida independiente de la velocidad de rotación y únicamente dependiente del campo magnético facilita y simplifica, incluso en el caso de velocidades elevadas, el tratamiento electrónico de tensiones de señales de valores limitados. 6



Ofrecen además una posibilidad de miniaturización del sensor y la ventaja de tener integrados la amplificación y el tratamiento de las señales en ellos mismos. Gracias a su pequeño tamaño de construcción se pueden realizar también fácilmente sistemas múltiples tales como p. ej. configuraciones diferenciales o sistemas de detección integrada del sentido de rotación. Una desventaja importante de tales sensores activos radica sin embargo en el hecho de que el margen de su temperatura de funcionamiento lo determina muy ampliamente la correspondiente electrónica de evaluación a base de componentes de silicio que, en general, no puede resistir temperaturas tan altas como los elementos sensores mismos. Desde hace algún tiempo se suministran a opción sensores activos equipados con una salida de corriente (bipolares), de modo que la económica conexión bifilar de los sensores inductivos de bobina no podrá ser considerada en el futuro ya como una ventaja específica.

Barreras Hall Un ejemplo de sensor manetostático es la "barrera Hall" (utilizado p. ejemplo como sensores generadores de impulsos en el distribuidor de encendido). Los correspondientes circuitos electrónicos de alimentación y de evaluación de las señales están integrados directamente en el mismo chip del sensor. Este "C.I. Hall" (realizado en tecnología bipolar para temperaturas continuas <150°C y conexión directa a la red de a bordo) se encuentra en un circuito magnético prácticamente cerrado, consistente en un imán permanente y piezas polares (figura inferior). El entrehierro aún restante lo recorre un rotor de pantallas de magnetismo dulce (p. ej. accionado por el árbol de levas). Cuando una pantalla penetra en el entrehierro cortocircuita el flujo magnético (es decir, lo desvía del sensor); cuando la pantalla abandona el entrehierro, el hueco entre pantallas del rotor deja que el flujo atraviese sin obstáculo el sensor. El funcionamiento fiable del sensor está garantizado también si el rotor de pantallas penetra con profundidad irregular en la barrera o si la posición del entrehierro se desplaza en sentido radial, es decir, verticalmente al sentido de rotación.

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Las barreras Hall de este tipo sólo se pueden realizar para una resolución periférica limitada y se utilizan principalmente como sensores de segmentos. Si las hendiduras entre las pantallas son demasiado estrechas, el campo magnético no atraviesa ya el rotor y no puede alcanzarse ya el nivel de inducción necesario.

Sensores de gradiente Otro sensor mangnetostático son los sensores (sondas) de gradiente, que pueden realizarse a elección sobre la base de sensores Hall o de sensores magnetorresistivos diferenciales, son mucho más a propósito que los sensores Hall sencillos para la exploración de rotores magnéticamente pasivos. Poseen un imán permanente cuya superficie polar orientada hacia la rueda dentada es homogeneizada por una delgada plaquita ferromagnética (figura inferior). Sobre ésta hay colocados dos elementos galvanomagnéticos (término genérico para designar sensores Hall y magnetorresistencias) espaciados a una distancia que corresponde a la mitad de la distancia entre dientes. De ese modo un elemento se encuentra exactamente frente a un hueco entre dientes cuando el otro está frente a un diente. El sensor mide la diferencia de campo magnético entre dos puntos muy próximos en el sentido periférico. La señal de salida corresponde aproximadamente a la derivación del campo magnético en función del ángulo periférico y, desde el punto de vista de la polaridad, es independiente por tanto del entrehierro. Las variaciones del entrehierro no producen impulsos parásitos, pues no cambian el signo de la señal de gradiente. 8



Para la evaluación de las señales las dos magnetorresistencias pueden estar sencillamente conectadas formando un divisor de tensión que es alimentado con una tensión constante y cuya señal de salida es detectada por la unidad de control generalmente sin carga. A temperatura ambiente y para entrehierros estándar esta señal se aproxima al voltio, pero también a temperaturas más altas es aún suficientemente grande para que se pueda transmitir a la unidad de control sin ser preamplificada.

Aplicación de sensores magnetostáticos • Sensor Hall (encendido transistorizado TZ -H), • sensor de fase Hall (árbol de levas), • sensor Hall de cajas de cambios (RS50, RS51), • sensor activo Hall de velocidad de rotación, • sensor activo AMR de velocidad de rotación, • sensor magnetorresistivo (para bomba rotativa de inyección diesel de émbolos

radiales).

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SENSORES DE VÍA

Función: Los sensores de vía miden, con gran precisión, las vías, posiciones y ángulos en los automóviles modernos.

Ámbitos de aplicación: Sistemas de acoplamiento, sistemas de frenos, cambios de marchas o actuadores.

Principios de medición: En la industria del automóvil son importantes los siguientes principios de medición: potenciométrico, inductivo, magnetostático. El sensor de vía desarrollado por BERU pertenece al grupo de sensores magnetostáticos. Con un sensor analógico de "efecto Hall", mide distancias de hasta 50 mm. Este sensor se puede programar para ajustarlo a los distintos trabajos de medición.

Variantes: 

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Sensores con interfaz PWM Sensores con salida analógica Sensores con salida lineal (puntos de apoyo) Sensores con señal redundante

Aplicaciones En los últimos 100 años han surgido numerosas aplicaciones del magnetismo y de los materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo, es la base del motor eléctrico y el transformador. En épocas más recientes, el desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha influido notablemente en la revolución de los 10



ordenadores o computadoras. Es posible fabricar memorias de computadora utilizando `dominios burbuja'. Estos dominios son pequeñas regiones de magnetización, paralelas o antiparalelas a la magnetización global del material. Según que el sentido sea uno u otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como dígito en el sistema binario empleado por los ordenadores. Los materiales magnéticos también son componentes importantes de las cintas y discos para almacenar datos. Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas. Los trenes de levitación magnética utilizan poderosos imanes para elevarse por encima de los raíles y evitar el rozamiento. En la exploración mediante resonancia magnética nuclear, una importante herramienta de diagnóstico empleada en medicina, se utilizan campos magnéticos de gran intensidad. Los imanes superconductores se emplean en los aceleradores de partículas más potentes para mantener las partículas aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas.

TRANSFORMADORES Los transformadores son aparatos de gran rendimiento porque no tienen piezas móviles. Constan de un núcleo formado por láminas de hierro dulce en forma de cuadro en una rama del cuadro se bobina un arrollamiento de pocas espiras de hilo grueso llamado primario y en otro lado del cuadro se dispone otro arrollamiento de muchas vueltas de hilo fino, llamado secundario. El hilo es de cobre y debe ir aislado. Si en el primario, que tiene n espiras, hacemos pasar una corriente alterna cuya tensión es de V volts, en el secundario que tiene n' espiras se obtiene una corriente alterna del mismo periodo, pero cuya tensión V' volts es mucho mayor y está dado por la siguiente relación de transformación. En el transformador es un aparato reversible, pues puede tomar como primario el arrollamiento de muchas espiras y como secundario el de pocas. En este caso, en vez de aumentar, lo que haríamos sería rebajar la tensión de la corriente alterna. Por eso se habla de TRANSFORMADORES DE ALTA cuando se quiere elevar la tensión y de TRANSFORMADORES DE BAJA cuando se quiere disminuirla. Para transportar la corriente eléctrica, se dispone un transformador de alta a la salida del generador, para elevar la tensión del transporte. A la entrada de la ciudad hay un transformador de baja que reduce la tensión de 115000 volts, transportándola así hasta los transformadores de sector dentro de la población, que la rebajan desde 15000 volts hasta 125 volts. 11



Aplicaciones de los Transformadores En el transporte de energía eléctrica, para bajar la tensión de 100000 volts hasta 1000 volts, en el alumbrado eléctrico, en comunicaciones, en las plantas eléctricas, en las redes de distribución de la electricidad, en el buen funcionamiento de los aparatos eléctricos como la radio, la televisión, timbres, las líneas modernas de transmisión de alto potencial funcional con potenciales desde muy bajo hasta medio millón de volts.

ELECTROIMANES Se llama electroimán a una barra de hierro dulce rodeada de un solenoide que se transforma temporalmente en un imán al circular una corriente eléctrica. Electroimán es una bobina o solenoide que lleva en su interior una barra o haz de hilos de hierro dulce, llamado núcleo. Este núcleo de hierro dulce, al pasar la corriente eléctrica por las espiras que los rodean, se convierte asimismo en otro imán, cuyas líneas de fuerza se suman a las de la corriente aumentando de este modo considerablemente la intensidad del campo magnético de la bobina. El núcleo de los electroimanes va, generalmente doblado en forma de herradura y lleva en cada extremo una bobina del mismo hilo pero arrollado en sentido contrario, para tener los dos polos norte y sur. Electroimán, dispositivo que consiste en un solenoide (una bobina cilíndrica de alambre recubierta de una capa aislante y arrollado en forma de espiral), en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro. Si una corriente eléctrica recorre la bobina, se crea un fuerte campo magnético en su interior, paralelo a su eje. Al colocar el núcleo de hierro en este campo los dominios microscópicos que forman las partículas de hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la dirección del campo, aumentando de forma notable la fuerza del campo magnético generado por el solenoide. La imantación del núcleo alcanza la saturación cuando todos los dominios están alineados, por lo que el aumento de la corriente tiene poco efecto sobre el campo magnético. Si se interrumpe la corriente, los dominios se redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual. Los electroimanes se utilizan mucho en tecnología; son los componentes fundamentales de cortacircuitos y relés y se aplican a frenos y embragues electromagnéticos. En los ciclotrones se utilizan enormes electroimanes con

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núcleos de varios metros de diámetro; también se utilizan potentes electroimanes para levantar hierro y chatarra. Si se enrolla un solenoide alrededor de una barra de hierro dulce (no de acero) se observará que esa barra adquiere las características de un imán mientras está pasando la corriente por el solenoide. Pero tan pronto como deja pasar la corriente, pierde sus propiedades magnéticas la barra. Al dispositivo así constituido se le llama electroimán.

Aplicaciones de los Electroimanes Los electroimanes se aplican en timbres zumbadores, receptores acústicos, receptores telefónicos, altavoces de radio, motores, generadores, instrumentos eléctricos de medición como voltímetros, amperímetros, en registros de cintas magnéticas, que juegan tan importante papel en la industria y en la ciencia.

TIMBRE ELÉCTRICO El timbre eléctrico consta de un electroimán, el cual, al pasar por él la corriente eléctrica de una pila, atrae una lámina elástica de hierro dulce uno de cuyos extremos está fijo y el otro termina en un martillo. Con éste, la lámina al ser atraída, golpea la campanilla metálica, e interrumpe la corriente de la pila. Al interrumpirse la corriente, el imán no puede atraer la lámina, y ésta vuelve, por tanto, en virtud de la elasticidad a cerrar el circuito; y vuelve a su vez, el electroimán a atraerla, y ella al golpear de nuevo la campanilla; y así sucesivamente mientras se oprima el botón.

ELECTROMOTOR A una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor. Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se establece o se induce una corriente en el conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampère. Si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor. 13



La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre el centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza producida por la reacción magnética. El campo magnético de un imán permanente es lo suficientemente fuerte como para hacer funcionar una sola dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es el electroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas los cables conductores.

EL MOTOR En el motor, la armadura es simplemente una barra electromagnética montada, sobre un eje. Una terminal de esta armadura está conectada a cada segmento del conmutador, el cual también montado sobre el eje pero aislado de éste. La corriente entra en la armadura por la escobilla (+), pasa al derredor de la armadura la bobina , y entonces regresa a la batería a través de la armadura, en este final derecho empieza un polo norte, y en este final izquierdo un polo sur. La repulsión entre cada armadura como polo y el polo de campo, causa a la armadura hacer media vuelta. Si la corriente continúa fluyendo en la misma dirección, la armadura podría casar de rotar en este punto. Sin embargo en el preciso momento que la armadura ha completado esta media vuelta, los segmentos de este conmutador cambian las escobillas, de este modo cambiando la dirección de la corriente en la armadura y por consecuencia, estos polos otra vez la terminal derecha de la armadura empieza un polo norte y el izquierdo un polo sur, y otra vez la repulsión entre cada armadura como polo y causa a la armadura a dar media vuelta. Este proceso continúa así manteniendo la armadura rotando y fija en una sola dirección.

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Mediciones de Resistividad Aplicaciones Geofísicas El conocimiento detallado del subsuelo es de primordial importancia en la exploración petrolera, búsqueda de fuentes de agua subterránea, prospección minera, arqueología, etc. Desde hace muchos años se han utilizado diversos métodos para obtener información del subsuelo a partir de mediciones realizadas en la superficie. Uno de los métodos más antiguos es el de la medición de la resistividad del suelo. Las propiedades más importantes que afectan las mediciones de resistividad del suelo incluyen la porosidad, contenido de agua, composición mineral (contenido de arcilla y metales, por ejemplo), salinidad del agua en los poros y distribución de tamaño de grano. Por lo tanto, la medición de resistividad eléctrica permite obtener información de importancia en búsqueda de fuentes de agua, determinación de la composición de suelos, delineado de plumas de contaminación, delineado de fallas, estratigrafía y topografía del manto rocoso, etc. La técnica básica para la medición de la resistividad del suelo es el llamado método de los cuatro puntos, donde se colocan cuatro electrodos equidistantes en línea y se introducen ligeramente en el terreno. Se inyecta una corriente conocida entre los electrodos externos y se mide la ddp entre los conductores internos. Esto permite calcular la resistividad promedio a una profundidad a igual a la separación entre electrodos, y se puede trazar un perfil de la resistividad en función de la profundidad variando el parámetro a . A partir de este perfil se utilizan diversas técnicas de inversión para deducir las propiedades eléctricas y geológicas del terreno. El método de los cuatro puntos es la base del estándar IEEE 81-1983 de medición de resistividad terrestre. En la jerga de las actividades geológicas, el método de los cuatro electrodos en línea (no necesariamente equiespaciados) se conoce como arreglo de Wenner.

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Aplicacion de La Magnetostatica

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