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Electrónica

I.E.S. HIMILCE – LINARES - Departamento de Electricidad-Electrónica

Profesor: José María Hurtado Torres

http://www.ieshimilce.com/index.htm

TEMA 1. La electricidad. Conceptos generales.

DEFINICIONES Conjunto de fenómenos derivados del efecto producido por las cargas eléctricas en reposo o en movimiento. Se manifiesta por la atracción y repulsión entre cargas eléctricas y por los fenómenos debidos a la corriente eléctrica.

La electrotecnia no es otra cosa que la electricidad aplicada. Engloba a la fabricación, la distribución o transporte, los componentes eléctricos y los aparatos eléctricos.

La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. Deriva de la electricidad.

ELECTRICIDAD

ELECTROTÉCNIA

ELECTRÓNICA

El término energía deriva del término griego «energós»: «fuerza de acción», «fuerza de trabajo» o «potencia de trabajo» y expresa la capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física, la «energía» se define como «la capacidad para realizar un trabajo».

LA ELECTRICIDAD como forma de Energía

Energía cinética Asociada al movimiento de los cuerpos Energía potencial Asociada a la posición de los cuerpos Energía luminosa Asociada a la radiación solar. Energía nuclear Asociada a la fusión o fisión de los átomos

La energía siempre se conserva. Por tanto en el Universo no puede existir creación o desaparición de energía.

La energía ni se crea ni se destruye: se transmite de unos cuerpos a otros y puede transformarse de unas formas a otras.

Energía eléctrica: Es una forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como en energía lumínica o luz, en energía mecánica y en energía térmica.

Producción de electricidad por Frotamiento

La fricción o frotamiento provoca la excitación de los átomos, y la aparición de cargas electrostáticas que hace que los cuerpos se atraigan entre sí. Este tipo de electricidad se conoce como electricidad electrostática.


Formas de producción de la electricidad

Producción de electricidad por reacción química

Las pilas y acumuladores aprovechan la energía que se desarrolla en determinadas reacciones químicas para producir electricidad.


Producción de electricidad por presión

Algunos materiales como los cristales de cuarzo, cuando son golpeados o presionados entre sus caras, aparece una pequeña tensión eléctrica. Esta propiedad de denomina piezoelectricidad.


Producción de electricidad por acción de la luz

Mediante las células fotovoltaicas hechas de materiales semiconductores es posible transformar directamente la energía de la luz en energía eléctrica. Central solar fotovoltaica

Mechero piezoeléctrico



Producción de electricidad por acción del calor

Algunos metales poseen propiedades termoeléctricas. Al unir dos metales distintos y someter la unión al calor, se provoca en ellos una tensión eléctrica. Los termopares son muy utilizados como sensores de temperatura.

El efecto puede revertirse si aplicamos una tensión eléctrica a dos termopares. Este efecto se conoce como efecto Peltier. Al someter a dos termopares a una tensión eléctrica, una unión se calienta mientras que la otra se enfría. Se aplican en refrigeración (neveras, ordenadores, etc.)

Producción de electricidad por acción magnética

Se produce mediante los alternadores (corriente alterna) o dinamos (corriente continua). La producción se basa en los principios de Faraday: al mover un conductor eléctrico en el seno de un campo magnético (imán o electroimán) aparece una corriente eléctrica en dicho conductor. Lo mismo ocurre si se mueve el imán y se deja fijo el conductor.


Transporte y distribución de la electricidad


Naturaleza de la electricidad

Los primeros conocimientos acerca de las manifestaciones de la electricidad se remontan a la antigua Grecia, cuando se comprobó que, al frotar determinadas sustancias, se producían en ellas características de atracción que antes no poseían. Otra de las manifestaciones de la electricidad nos la muestra la propia Naturaleza, basta ver la descarga eléctrica que en forma de rayos se produce en cualquier tormenta.

Para poder interpretar y explicar estos fenómenos eléctricos se han enunciado diversas teorías, pero sólo la teoría atómica lo ha hecho de una manera clara y completa.


La teoría atómica. Estructura de la materia. Video sobre modelos atómicos

http://youtu.be/lv0_OYKdmdw

Protones Neutrones Electrones

Masa 1,6725x10-24 g 1,6748x10-24 g 9,1089x10-28 g

Carga +1,602x10-19 Culombios 0 -1,602x10-19 Culombios


La teoría atómica. Estructura de la materia.

Tabla periódica de los elementos (Dmitri Ivánovich Mendeléyev) Acceso a datos: http://www.ptable.com/?lang=es

http://es.wikipedia.org/wiki/Dmitri_Mendel%C3%A9yev





http://www.ptable.com/?lang=es


Cargas eléctricas

Si situamos un electrón (-) frente a un protón (+) se podría observar un fenómeno de atracción. Si por el contrario, enfrentamos dos electrones o dos protones entre si, aparece una fuerza de repulsión. A esta propiedad que se manifiesta en forma de fuerzas de atracción o repulsión se le denomina carga eléctrica.

Según la teoría atómica los átomos pueden perder electrones o pueden ganarlos quedando dichos átomos con defecto o exceso de carga negativa. Para esto ocurra los electrones tienen que ganar o perder energía. Dado que los cuerpos materiales están constituidos por átomos, se puede dar el caso de que éstos pierdan o ganen electrones, quedando dichos cuerpos con exceso o defecto de electrones.

Ión positivo Ión negativo


Cargas eléctricas

Se denomina carga eléctrica de un cuerpo al exceso o defecto de electrones que éste posee.

Un cuerpo posee carga negativa cuando tiene exceso de electrones. Un cuerpo posee carga positiva cuando tiene defecto de electrones.

La unidad de carga eléctrica es el Culombio que equivale a 6,3x1018 electrones.

“Dos cargas eléctricas Q1 y Q2 ejercen sobre si, fuerzas de atracción o repulsión, que son directamente proporcionales al producto de sus cargas, e inversamente proporcionales al cuadrado de las distancia que las separa.”

La Ley de Coulomb

Las cargas eléctricas ejercen a su alrededor un campo de fuerzas llamado Campo eléctrico, que le permite ejercer su influencia sobre cualquier otra carga eléctrica próxima.

Campo eléctrico de influencia formado por una carga.

Campo eléctrico entre cargas de igual signo.

Campo eléctrico entre cargas de diferente signo.


La electricidad estática Debido a la que el electrón posee movilidad y carga, es posible su desplazamiento por los materiales. Para que esto ocurra, tan sólo es necesario excitar a los átomos mediante un aporte extra de energía, por ejemplo, aportando calor al cuerpo mediante frotamiento.

EXPERIMENTO: “Si frotamos un bolígrafo de plástico o vidrio con un paño, comunicamos cierta energía a sus átomos y se transfieren electrones de un material a otro. El resultado del experimento, es pues, que los dos cuerpos quedan electrizados con distinta carga eléctrica. El bolígrafo con carga positiva (defecto de electrones) al ceder electrones, y el paño con carga negativa (exceso de electrones) al tomarlos.” El tipo de carga eléctrica que adquieren los cuerpos depende del tipo de materiales empleados. La atracción entre la barra y los trocitos de papel se debe a la acción entre los campos eléctricos de las cargas eléctricas.


La electricidad dinámica. La corriente eléctrica.

Si cargamos de electricidad estática de diferente signo dos cuerpos, o simplemente con menor carga eléctrica uno del otro, podemos decir que entre ellos existe una diferencia de carga eléctrica.

Si ahora unimos dichos cuerpos mediante un conductor eléctrico, aparecerá un movimiento de electrones que irá desde el cuerpo con exceso de electrones hacia el cuerpo que tenga defecto de éstos, es decir de (-) a (+). Dicho movimiento durará hasta que se igualen el número de cargas eléctricas en los dos cuerpos.

Al movimiento de electrones por el conductor se le denomina corriente eléctrica.

Ha esta diferencia de carga eléctrica entre los dos cuerpos se le denomina Tensión eléctrica o diferencia de potencial (d.d.p.). La unidad de medida es el voltio.

Si no existe tensión eléctrica o diferencia de potencial no puede existir la corriente eléctrica.


El circuito eléctrico

Llamamos circuito eléctrico es la interconexión de diferentes elementos eléctricos, de tal forma que se pueda producir un flujo de electrones a través de ellos. Los elementos de un circuito eléctrico básico son: Un generador, conductores, un interruptor y un receptor.

Funcionamiento: Al existir diferencia de carga eléctrica en el generador, las electrones se desplazan por el circuito a través de los conductores en busca del equilibrio de carga eléctrica. El flujo de electrones (corriente eléctrica) produce un efecto en el receptor y la lámpara se ilumina. Si se interrumpe el circuito, o bien el generador de agota (equilibrio de cargas), el flujo de electrones desaparece.


Elementos de un circuito eléctrico

Generador eléctrico: Suministra tensión eléctrica y alimenta al circuito. Puede ser una fuente de alimentación, una pila, un acumulador eléctrico, un alternador, una dinamo, etc. Pueden ser de CC o CA.

Conductores: interconectan los elementos del circuito, y permiten que la electricidad circule por ellos. Están hechos normalmente de metal (cobre, aluminio, etc.), y tienen forma de hilo o de cable y recubiertos por un aislante.

Receptores: son los elementos que transforman y consumen la energía eléctrica suministrada por el generador en otro tipo de energía ( lámparas, motores, relés, etc.

Interruptor: es un elemento de control que permite interrumpir la corriente eléctrica.

Fusible: es un elemento de protección. A partir de cierta corriente máxima el fusible se fundirá e interrumpirá la circulación de la corriente eléctrica por el circuito.

Diagrama de montaje en PCB

Esquema eléctrico de una alarma electrónica


El circuito eléctrico. Formas de representación. Esquemas.

x ÷

La intensidad de corriente eléctrica (I) se define como la cantidad de electricidad (electrones) que recorre un circuito en la unidad de tiempo. La unidad de intensidad (I) de corriente eléctrica es el Amperio (A).

Utilizando un símil hidráulico, la intensidad de corriente eléctrica en una medida comparable con que expresa la cantidad de agua (caudal) que fluye por una tubería de agua.

Submúltiplos del Amperio


Intensidad de corriente eléctrica

(t) Tiempo(Q) adelectricid de CantidadIntensidad =

Segundo 1Culombio 1 Amperio 1 =

UNIDAD Amperio A 1

Submúltiplos

Miliamperio mA 1 mA = 10-3 amperios

Microamperio μA 1 μA = 10-6 amperios

Nanoamperio nA 1 nA = 10-9 amperios 𝑰𝑰 =

𝑸𝑸𝒕𝒕

Sentido real de la corriente (- → +) Sentido convencional de la corriente (+ → -)

La corriente por un circuito siempre circula del polo negativo (-) al positivo (+), pero en ocasiones se suele indicar el sentido convencional que es de positivo (+) a negativo (-).

Real Convencional

Para medir intensidad utilizamos el Amperímetro.


Medida de la intensidad de corriente eléctrica

Pinza amperimétrica Polímetro Amperímetro


Corriente continua (CC) y Corriente alterna (AC)

Corriente continua (CC)

Corriente alterna (AC)

x ÷

La diferencia de potencial (d.d.p.) expresa la diferencia de cargas eléctricas existentes entre dos puntos de un circuito. Está siempre aparece en los receptores.

La Fuerza electromotriz (F.e.m.) expresa la fuerza que debe realizarse para trasladar los electrones desde el polo negativo al polo positivo, para así poder crear una diferencia de potencial (d.d.p.). La F.e.m. la proporcionan los generadores y sólo existe en ellos.

La F.e.m y la d.d.p. se llaman también tensión eléctrica. Su unidad de medida es el voltio (V).


Diferencia de potencial (d.d.p.) y Fuerza electromotriz (F.e.m.)

Múltiplos y Submúltiplos del voltio

Múltiplos Megavoltio Mv 1 MV = 106 voltios

Kilovoltio Kv 1 KV = 103 voltios

UNIDAD Voltio V 1

Submúltiplos

Milivoltio mV 1 mV = 10-3 voltios

Microvoltio μV 1 μV = 10-6 voltios

Nanovoltio nV 1 nW = 10-9 voltios

Para medir la tensión eléctrica utilizamos el Voltímetro.

El voltímetro siempre se conecta en paralelo

Medida de la tensión eléctrica de una pila

x ÷


Potencia eléctrica

La Potencia eléctrica (P) se define como el trabajo eléctrico (T) o energía (E) desarrollada en la unidad de tiempo (t). Su unidad de medida es el vatio (W).

Potencia =TrabajoTiempo

=𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑇𝑇𝑇𝑇𝐸𝐸𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇

𝑷𝑷 =𝑬𝑬𝒕𝒕

P = Potencia, en vatios (W). E = Energía, en Julios (J). t = Tiempo, en segundos (s).

La Potencia eléctrica (P) puede calcularse también como el producto de la tensión por la intensidad.

𝑷𝑷 = 𝑽𝑽 ∙ 𝑰𝑰 P = Potencia, en Vatios (W). V = Tensión eléctrica, en Voltios (V). I = intensidad de corriente eléctrica, en Amperios (A).

𝟏𝟏 𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯 = 𝟏𝟏 𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯 ∙ 𝟏𝟏 𝐯𝐯𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐯𝐯𝐯𝐯

Múltiplos y Submúltiplos del vatio

Múltiplos

Gigavatio GW 1 GW = 109 vatios

Megavatio MW 1 MW = 106 vatios

Kilovatio KW 1 KW = 103 vatios

UNIDAD Vatio W 1

Submúltiplos

Milivatio mW 1 mW = 10-3 vatios

Microvatio μW 1 μW = 10-6 vatios

Nanovatio nW 1 nW = 10-9 vatios

Para medir la potencia eléctrica utilizamos el Vatímetro. Este instrumento de medida es una mezcla de voltímetro y amperímetro a la vez.

𝟏𝟏 𝐊𝐊𝐊𝐊 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 = 𝟏𝟏,𝟑𝟑𝟑𝟑 𝐂𝐂𝐂𝐂 (𝐜𝐜𝐯𝐯𝐜𝐜𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐜𝐜 𝐝𝐝𝐚𝐚 𝐯𝐯𝐯𝐯𝐚𝐚𝐯𝐯𝐚𝐚)


Energía eléctrica

La Energía eléctrica (E) es la potencia suministrada en un tiempo determinado, es decir, hace referencia al consumo eléctrico. Su unidad de medida es el Julio (J), aunque la medida más habitual es el kilovatio hora (KWh). La energía eléctrica se mide con un contador de energía.

E = Energía, en Julios (J). P = Potencia, en vatios (W). t = Tiempo, en segundos (s).

𝑬𝑬 = 𝑷𝑷 ∙ 𝒕𝒕 E = Energía, en KWh. P = Potencia, en Kilovatios (KW). t = Tiempo, en horas (h).

El efecto Joule se refiere a la cantidad de calor que se produce en un material conductor como consecuencia de la energía absorbida por éste al circular corriente eléctrica a su través. El calor se mide en calorías (cal).

𝑬𝑬 = 𝑷𝑷 ∙ 𝒕𝒕

El efecto Joule

𝑸𝑸 = 𝟏𝟏,𝟐𝟐𝟐𝟐 ∙ 𝑬𝑬 E = Energía, en Julios (J). Q = Calor, en calorías (cal). como 𝑬𝑬 = 𝑷𝑷 ∙ 𝒕𝒕 𝑸𝑸 = 𝟏𝟏,𝟐𝟐𝟐𝟐 ∙ 𝑷𝑷 ∙ 𝒕𝒕

Q = Calor, en calorías (cal). P = Potencia, en vatios (W). t = Tiempo, en segundos (s).

Contador de energía eléctrica.

1 KWh = 3.600.000 julios

Todos los materiales conductores se calientan cuando son atravesados por una corriente eléctrica. Esto se produce como consecuencia del movimiento desordenado de los electrones y al hecho de que poseen masa, lo que provoca continuos choques y rozamiento con los átomos del material conductor. Como consecuencia de esto, parte de su energía cinética se transforma en calor, elevando la temperatura. El «efecto Joule» se llama así en honor a su descubridor James Prescott Joule.

1 Julio de energía = 0,24 calorías 1 Kilocaloría = 1000 calorías

Todos los materiales ofrecen cierta dificultad o resistencia al paso de la corriente eléctrica. Dicha dificultad depende de la propia estructura atómica del material y de la energía que es necesario aplicar para que los electrones de sus átomos puedan quedar en un “estado de semi-libertad” para poder crear una corriente eléctrica.

Llamamos Conductores eléctricos a aquellos materiales buenos conductores de la corriente eléctrica. Son buenos conductores: metales, hierro, mercurio, oro, plata, cobre, platino, plomo, carbón, el agua, etc.

Llamamos Aislantes eléctricos a aquellos materiales malos conductores de la corriente eléctrica. Son buenos aislantes: plástico, madera, cerámicas, porcelana, vidrio, seda, papel, algodón, barniz, aire seco, etc.


Conductores y Aislantes

Llamamos Semiconductores a aquellos materiales que no son ni buenos conductores ni malos. Su resistencia es intermedia. Es el caso de materiales como el germanio, silicio, indio, fosforo, etc.

La gráfica representa la energía necesaria para que los electrones de los átomos puedan moverse de niveles energéticos inferiores (banda de valencia) a niveles energéticos superiores (banda de conducción). La banda prohibida representa la energía necesaria para pasar de un nivel energético a otro. Si los electrones se sitian en la banda de conducción, es fácil que puedan abandonar el átomo y crear corriente eléctrica.

Aislante Conductor

Constitución de un cable eléctrico

Llamamos Resistencia eléctrica (R) a la mayor o menor dificultad que un material ofrece al paso de la corriente eléctrica. Dicha dificultad es mucho menor en los materiales conductores que en los aislantes.


Resistencia eléctrica

La resistencia eléctrica de un material depende de su composición y de la propia estructura atómica de los átomos que lo forman, Se manifiesta como la oposición que ofrece dicho material al movimiento de los electrones a través de él. Los electrones en su movimiento además provocan rozamientos y choques que se transforman en calor (efecto Joule).

La resistencia eléctrica de un material se representa con la letra R, y sus unidad de medida es el ohmio, que se representa por la letra griega <<omega>> (Ω). La resistencia se puede medir con un instrumento llamado ohmímetro u óhmetro.

Símbolos eléctricos

Símbolo del Óhmetro Múltiplos y submúltiplos del Ohmio

Óhmetro

Múltiplos Megaohmio MΩ 1 MΩ = 106 ohmios

Kilovohmio KΩ 1 KΩ = 103 ohmios

UNIDAD Ohmio Ω 1 unidad

Submúltiplos Miliohmio mΩ 1 mΩ = 10-3 ohmios

Microohmio μΩ 1 μΩ = 10-6 ohmios


Resistividad y Conductividad de los materiales La resistividad (ρ) es la resistencia eléctrica específica de cada material para oponerse al paso de una corriente eléctrica. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohmios metro (Ω•m). Para un conductor eléctrico, el valor de la resistividad depende de varios factores expresados en la siguiente fórmula:

La conductividad eléctrica (σ) es lo contrario a la resistividad. Es la medida de la capacidad de un material para dejar pasar libremente la corriente eléctrica. La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material, de factores físicos del propio material y de la temperatura. Su unidad es el S/m (siemens por metro) o Ω−1·m−1.

Medida de la resistividad de un conductor de cobre

Si la temperatura a la que encuentra sometido un material conductor aumenta, las propias partículas del material adquieren energía que se traduce en dificultad para que fluya corriente eléctrica a su través, incrementándose así la propia resistencia eléctrica del material conductor.

𝝆𝝆 = 𝑹𝑹𝑺𝑺𝒍𝒍

R = Resistencia, en ohmios (Ω) ρ = Resistividad del material, en Ω˖mm2/mts L = Longitud, en metros S = Sección, en mm2

𝝈𝝈 =𝟏𝟏𝝆𝝆

Influencia de la temperatura sobre la resistividad

𝑹𝑹𝑻𝑻𝑻 = 𝑹𝑹𝒐𝒐(𝟏𝟏 + 𝜶𝜶 ∙ ∆𝑻𝑻) RTª = Resistencia a temperatura T, en Ω α = Coeficiente de temperatura a 20ºC ∆T = Incremento de temperatura, en ºC Coeficiente de temperatura (α) de algunos materiales. a 20ºC

Los conductores, aún siendo buenos conductores de la electricidad, ofrecen cierta resistencia eléctrica. Dicha resistencia depende de tres factores: de su sección, de su longitud y del propio material utilizado para su construcción (resistividad del material).


Resistencia eléctrica de un conductor

𝑹𝑹 = 𝝆𝝆𝑳𝑳𝑺𝑺

R = Resistencia, en ohmios (Ω) ρ = Coeficiente del material, en Ω˖mm2/mts L = Longitud, en metros S = Sección, en mm2

𝑺𝑺 = 𝝅𝝅𝒓𝒓𝟐𝟐

Resistividad (ρ) de algunos materiales a 20ºC

Calculo de la sección de un conductor cilíndrico

CONCLUSIONES:

La resistencia de un conductor aumenta con su longitud. La resistencia de un conductor disminuye con su sección.

La resistencia de un conductor depende material conductor.


La Ley de Ohm

La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una ley básica de la electricidad. Establece que «la diferencia de potencial (d.d.p.) o tensión (V) que aparece entre los extremos de un conductor con resistencia (R) como consecuencia del paso de la corriente, es directamente proporcional a la intensidad de la corriente (I) que circula por dicho conductor y a la resistencia (R) que éste ofrece». Dicha ley queda resumida matemáticamente de la siguiente forma:

𝑽𝑽 = 𝐼𝐼 ∙ 𝑅𝑅 V = Diferencia de potencial (d.d.p.) en la resistencia, en voltios I = Intensidad de corriente eléctrica, en Amperios. R = Resistencia eléctrica, en Ohmios.

Con la Ley de Ohm, conocidas dos magnitudes del circuito, se pueden obtener la tercera. Por otro lado, como la fórmula de la potencia eléctrica guarda relación con las magnitudes expresadas en la ley de Ohm, es fácil obtener otras expresiones de la potencia eléctrica:

𝑰𝑰 =𝑉𝑉𝑅𝑅

𝑹𝑹 =𝑉𝑉𝐼𝐼

𝑷𝑷 = 𝑉𝑉 ∙ 𝐼𝐼 = 𝐼𝐼 ∙ 𝑅𝑅 ∙ 𝐼𝐼 = 𝑰𝑰𝟐𝟐 ∙ 𝑹𝑹

𝑷𝑷 = 𝑉𝑉 ∙ 𝐼𝐼 = 𝑉𝑉 ∙𝑉𝑉𝑅𝑅

=𝑽𝑽𝟐𝟐

𝑹𝑹

𝑷𝑷 = 𝑉𝑉 ∙ 𝐼𝐼


COMPROBACIÓN DE LA LEY DE OHM

Si aplicamos la ley de ohm en este circuito, podemos calcular la intensidad de corriente que recorre todo el circuito. Esto se puede comprobar mediante un amperímetro, tal como muestra la figura.

𝑰𝑰 =𝑉𝑉𝑅𝑅

=10 𝑉𝑉

1000 Ω = 0,01 𝐴𝐴 = 𝟏𝟏𝟏𝟏 𝒎𝒎𝒎𝒎

Si ahora aumentamos el valor de la resistencia, o disminuimos la tensión de la batería, la intensidad de la corriente disminuirá su valor.

Por el contrario, si disminuimos el valor de la resistencia o aumentamos la tensión de la batería, la intensidad de la corriente aumentará su valor.

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