Corriente alterna

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Corriente alterna (curva verde). El eje de tiempo horizontal medidas; la vertical, corriente o voltaje.

En corriente alterna (AC, también ac), el flujo de carga eléctrica invierte periódicamente dirección. En corriente continua (DC, también de corriente continua), el flujo de carga eléctrica es sólo en una dirección.

El siglas AC y DC se utilizan a menudo para significar simplemente alterna y directa, como cuando modifican corriente o voltaje . [1] [2]

AC es la forma en que la energía eléctrica se suministra a empresas y residencias. El habitual forma de onda de una alimentación de CA del circuito es una onda sinusoidal . En algunas aplicaciones, se utilizan diferentes formas de onda, tales como triangulares o de ondas cuadradas . audio y de radio señales transportadas en los cables eléctricos son también ejemplos de corriente alterna. En estas aplicaciones, un objetivo importante es a menudo la recuperación de la información codificada (o modulada ) sobre la señal de CA.

Contenido

Historia [ editar ]

Las luces de la ciudad de Prince George, Columbia Británica ver en un movimiento borrosa exposición. El AC intermitente hace que las líneas sean repartidos y no continuo.
Westinghouse Sistema AC Early 1887
( patente de EE.UU. 373.035 )

La primera alternador para producir corriente alterna era un generador eléctrico dínamo sobre la base de Michael Faraday principios 's construidos por el fabricante del instrumento francés Hippolyte PIX II en 1832. [3] Pixii más tarde añadió un conmutador a su dispositivo para producir la (entonces) más comúnmente utilizado corriente continua. La primera aplicación práctica registrada de corriente alterna es por Guillaume Duchenne , inventor y desarrollador de la electroterapia . En 1855, anunció que AC fue superior a la corriente directa para electroterapéutico activación de las contracciones musculares. [4]

En 1876, ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción donde los devanados primarios se conectan a una fuente de CA. Los devanados secundarios podrían estar conectados a varios 'velas eléctricas' (lámparas de arco) de su propio diseño. [5] [6] Las bobinas Yablochkov emplea funcionaban esencialmente como transformadores. [5]

Un transformador de potencia desarrollada por Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs se demostró en Londres en 1881, y atrajo el interés de Westinghouse . También mostraron la invención en Turín en 1884, donde fue adoptado por un sistema de iluminación eléctrica. Muchos de sus diseños fueron adaptados a las leyes particulares que rigen la distribución eléctrica en el Reino Unido. [ cita requerida ]

Sebastian Ziani de Ferranti entró en este negocio en 1882 cuando creó una tienda en varios dispositivos eléctricos Londres diseñando. Ferranti cree en el éxito de la distribución de energía de corriente alterna desde el principio, y fue uno de los pocos expertos en este sistema en el Reino Unido. En 1887, el London Electric Supply Corporation (LESCO) contrató Ferranti para el diseño de la central eléctrica en Deptford. Se diseñó el edificio, la planta de generación y el sistema de distribución. En su finalización en 1891 fue la primera estación de energía verdaderamente moderno, el suministro de energía de CA de alta tensión que fue luego "renunció" para uso del consumidor en cada calle. Este sistema básico permanece en uso hoy en día en todo el mundo. Muchos hogares de todo el mundo todavía tienen medidores eléctricos con la patente AC Ferranti estampada en ellas.

William Stanley, Jr. diseñó uno de los primeros dispositivos prácticos para transferir la alimentación de CA de manera eficiente entre los circuitos aislados. Utilizando pares de bobinas enrolladas sobre un núcleo de hierro común, su diseño, llamada bobina de inducción , fue uno de los primeros transformadores . El sistema de alimentación de CA se utiliza hoy en día se desarrolló rápidamente después de 1886, e incluyó contribuciones de Nikola Tesla (con licencia para George Westinghouse) y Carl Wilhelm Siemens . Sistemas de corriente alterna superó las limitaciones de la corriente continua del sistema utilizado por Thomas Edison para distribuir la electricidad de manera eficiente a través de largas distancias, aunque Edison trató de desacreditar a la corriente alterna debido a su peligrosidad durante la Guerra de Corrientes .

La primera planta de energía comercial en los Estados Unidos el uso de tres fases de corriente alterna se encontraba en el Mill Creek N º 1 planta hidroeléctrica cerca de Redlands, California , en 1893, diseñado por Almirian Decker. El diseño de Decker incorporó 10.000 voltios de transmisión trifásica y establece las normas para el sistema completo de generación, transmisión y motores utilizados en la actualidad.

La Planta de Generación Hidroeléctrica Ames (primavera de 1891) y el original Niagara Falls Adams Planta de energía (25 de agosto, 1895) se encuentran entre las primeras plantas hidroeléctricas alimentadas por AC.

La Central Hidroeléctrica Jaruga en Croacia se puso en funcionamiento el 28 de agosto de 1895. Los dos generadores (42 Hz, 550 kW cada uno) y los transformadores fueron producidos e instalados por la empresa húngara Ganz . La línea de transmisión de la central a la ciudad de Šibenik fue de 11,5 kilómetros (7,1 millas) de largo en las torres de madera, y la distribución de la red municipal 3000 V/110 V incluye seis estaciones transformadoras.

Alternando la teoría de circuitos de corriente se desarrolló rápidamente en la última parte del siglo 19 y principios del siglo 20. Contribuidores notables a la base teórica de alternar cálculos actuales incluyen Charles Steinmetz , Oliver Heaviside , y muchos otros. [7] [8] Cálculos en sistemas trifásicos desequilibrados se simplificaron los componentes simétricos métodos descritos por Charles Legeyt Fortescue en 1918.

Transmisión, distribución y suministro de energía doméstica [ edit ]

Voltaje de CA puede ser aumentado o disminuido con un transformador . Uso de una mayor tensión conduce a la transmisión significativamente más eficiente de la energía. Las pérdidas de potencia en un conductor son un producto del cuadrado de la corriente y de la resistencia del conductor, descrito por la fórmula

P_ {\ rm} L = I ^ 2 R \,.

Esto significa que cuando se transmite una potencia fija en un alambre dado, si la corriente se duplica, la pérdida de potencia será cuatro veces mayor.

La potencia transmitida es igual al producto de la corriente y la tensión (suponiendo que no hay diferencia de fase), es decir,

P_ {\ rm T} = IV \,.

Por lo tanto, la misma cantidad de potencia puede ser transmitida con una corriente más baja mediante el aumento de la tensión. Por tanto, es ventajoso cuando la transmisión de grandes cantidades de energía para distribuir la potencia con altos voltajes (a menudo cientos de kilovoltios).

Líneas de transmisión de alto voltaje ofrecen una potencia de generación eléctrica plantas a larga distancia utilizando corriente alterna. Estas líneas se encuentran en el este de Utah .

Sin embargo, los altos voltajes también tienen inconvenientes, el principal es el aumento del aislamiento requerido, y en general una mayor dificultad en su manejo seguro. En una planta de energía , se genera la energía a una tensión conveniente para el diseño de un generador , y luego se acercó a una tensión alta para la transmisión. Cerca de las cargas, la tensión de transmisión se renunció a los voltajes utilizados por equipos. Tensiones de consumo varían según el país y el tamaño de la carga, pero en general los motores y la iluminación están diseñados para utilizar un máximo de unos pocos cientos de voltios entre fases.

El voltaje de utilización entregado a los equipos como la iluminación y cargas de motor es estándar, con un rango permitido de tensión durante el cual se espera que el equipo para funcionar. Tensiones de utilización de energía estándar y la tolerancia porcentaje varía en los diferentes sistemas de alimentación de la red se encuentran en el mundo.

Moderna de alta tensión de corriente continua de energía eléctrica de los sistemas de transmisión de contraste (HVDC) con los sistemas de corriente alterna más comunes como un medio para la transmisión de mayor eficiente de energía eléctrica a través de largas distancias. Sistemas HVDC, sin embargo, tienden a ser más caros y menos eficientes en distancias más cortas que los transformadores. [ cita requerida ] La transmisión de corriente continua de alto voltaje no era factible cuando Edison , Westinghouse y Tesla estaban diseñando sus sistemas de energía, ya que no había entonces ninguna manera para convertir económicamente alimentación de CA a CC y de nuevo en las tensiones necesarias.

Trifásica generación eléctrica es muy común. El caso más sencillo es tres bobinas separadas en el generador de estator que están desplazados físicamente por un ángulo de 120 ° entre sí. Tres formas de onda de corriente se producen que son iguales en magnitud y 120 ° fuera de fase entre sí. Si las bobinas se añaden opuesta a estos (60 ° espaciado), que generan las mismas fases con polaridad inversa y por lo tanto pueden ser simplemente conectados entre sí.

En la práctica, "órdenes de polo" más altos son de uso común. Por ejemplo, una máquina de 12 polos tendría 36 bobinas (10 ° espaciado). La ventaja es que las velocidades más bajas se pueden utilizar. Por ejemplo, una máquina de 2 polos funcionando a 3600 rpm y una máquina de 12 polos funcionando a 600 rpm producen la misma frecuencia. Esto es mucho más práctico para las máquinas más grandes.

Si la carga en un sistema de tres fases está equilibrada por igual entre las fases, no fluye corriente a través del punto neutro . Incluso en el peor de los casos de carga desequilibrada (lineal), la corriente de neutro no será superior al mayor de las corrientes de fase. Las cargas no lineales (por ejemplo, ordenadores) pueden requerir un bus neutral de gran tamaño y conductor neutro en el panel de distribución de aguas arriba para controlar los armónicos . Los armónicos pueden causar que los niveles actuales de conductores neutros que supere la de uno o todos los conductores de fase.

Para trifásica con tensiones de utilización se utiliza a menudo un sistema de cuatro hilos. Al dimitir tres fases, un transformador con Delta (3 hilos) primaria y una Estrella (4 hilos, de centro-masa) a secundaria se utiliza a menudo para que no haya necesidad de un punto muerto en el lado de la oferta.

Para los clientes más pequeños (lo pequeño que varía según el país y la edad de la instalación), sólo una sola fase y las fases neutras o dos y el neutro se toman a la propiedad. Para instalaciones más grandes de las tres fases y el neutro se toman al panel de distribución principal. Desde el panel principal de tres fases, dos circuitos monofásicos y trifásicos pueden llevar fuera.

Monofásicos de tres conductores , con los sistemas de un solo transformador toma central dando dos conductores activos, es un sistema de distribución común para los edificios residenciales y pequeños comercios en América del Norte. Esta disposición se refiere a veces incorrectamente como "dos fases". Un método similar se utiliza por una razón diferente a las obras de construcción en el Reino Unido. Se supone que pequeñas herramientas eléctricas y la iluminación a ser suministrada por un transformador con toma central local con una tensión de 55 V entre cada conductor de alimentación y la tierra. Esto reduce significativamente el riesgo de descarga eléctrica en el caso de que uno de los conductores vivos queda expuesta a través de un fallo del aparato mientras que todavía permite una tensión razonable de 110 V entre los dos conductores para el funcionamiento de las herramientas.

Un tercer cable , llamado el bono (o tierra) Cable, a menudo se conecta entre cajas metálicas no portadoras de corriente y de tierra física. Este conductor proporciona la protección contra descargas eléctricas debido al contacto accidental de los conductores del circuito con el chasis metálico de los aparatos portátiles y herramientas. Pegado todas las partes metálicas no portadoras de corriente en un sistema completo asegura que siempre hay una baja impedancia eléctrica Caminito de tierra suficiente para llevar a cualquier fallo de corriente durante el tiempo que tarda el sistema para solucionar el fallo. Esta trayectoria de baja impedancia permite la máxima cantidad de corriente de falla, haciendo que el dispositivo de protección contra sobrecorriente (interruptores, fusibles) para viaje o se queme lo más rápido posible, con lo que el sistema eléctrico a un estado seguro. Todos los hilos de conexión están unidos a tierra en el panel principal, al igual que el conductor neutro / Identificado si está presente.

Frecuencias de alimentación de CA [ edit ]

La frecuencia del sistema eléctrico varía según el país, la corriente eléctrica se genera a 50 ó 60 hercios . Algunos países cuentan con una mezcla de 50 Hz y 60 Hz., especialmente Japón.

Una frecuencia baja facilita el diseño de motores eléctricos, particularmente para izar, trituración y rodando aplicaciones, y de tipo conmutador motores de tracción para aplicaciones tales como ferrocarriles . Sin embargo, la baja frecuencia también causa parpadee visiblemente en las lámparas de arco y las bombillas incandescentes . El uso de frecuencias más bajas también proporciona la ventaja de pérdidas de menor impedancia, que son proporcionales a la frecuencia. Los generadores de Niagara Falls originales se construyeron para producir energía 25 Hz, como un compromiso entre la baja frecuencia para la tracción y motores de inducción pesados, mientras que todavía permite la iluminación incandescente para operar (aunque con notable parpadeo). La mayoría de los 25 Hz clientes residenciales y comerciales para poder Niagara Falls se convirtieron a 60 Hz en la década de 1950, aunque algunos [ que? ] 25 clientes industriales Hz aún existían en el inicio del siglo 21. 16,7 Hz potencia (antes 16 2/3 Hz) todavía se utiliza en algunos sistemas ferroviarios europeos, como en Austria , Alemania , Noruega , Suecia y Suiza .

Off-shore, la industria textil militar, marino, equipo de mainframe , aviones, naves espaciales y aplicaciones a veces usan 400 Hz, para los beneficios de la reducción del peso de los aparatos o de velocidades del motor más altas.

Efectos a altas frecuencias [ edit ]

Una corriente continua fluye de manera uniforme en toda la sección transversal de un alambre uniforme. Una corriente alterna de cualquier frecuencia se ve obligado de distancia del centro del cable, hacia su superficie exterior. Esto es debido a la aceleración de una carga eléctrica en una corriente alterna produce ondas de radiación electromagnética que cancelan la propagación de la electricidad hacia el centro de los materiales con alta conductividad . Este fenómeno se llama efecto de la piel .

A frecuencias muy altas las actuales ya no fluye en el alambre, pero los flujos efectivamente en la superficie del alambre, dentro de un espesor de unos pocos profundidades piel . La profundidad de la piel es el espesor en el que la densidad de corriente se reduce en un 63%. Incluso a frecuencias relativamente bajas utilizadas en la transmisión de energía (50-60 Hz), la distribución no uniforme de la corriente todavía se produce en suficientemente gruesos conductores . Por ejemplo, la profundidad de la piel de un conductor de cobre es de aproximadamente 8,57 mm a 60 Hz, por lo altos conductores de corriente son por lo general hueco para reducir su masa y coste.

Puesto que la corriente tiende a fluir en la periferia de los conductores, se reduce la sección transversal efectiva del conductor. Esto aumenta la eficacia de CA resistencia del conductor, ya que la resistencia es inversamente proporcional al área de la sección transversal. La resistencia de CA a menudo es muchas veces mayor que la resistencia de corriente continua, causando una pérdida de energía mucho mayor debido a calentamiento óhmico (también llamada pérdida de Me 2 R).

Técnicas para reducir la resistencia AC [ edit ]

De bajo a frecuencias medias, los conductores se pueden dividir en cables trenzados, cada uno aislado del otro, y las posiciones relativas de hebras individuales especialmente dispuestos dentro del haz de conductores. Cable construido usando esta técnica se llama alambre de Litz . Esta medida ayuda a mitigar en parte efecto de la piel al forzar más corriente igual en toda la sección transversal total de los conductores varados. Alambre de Litz se utiliza para la fabricación de alta Q inductores , reducción de las pérdidas en los conductores flexibles que transportan corrientes muy altas a frecuencias más bajas, y en los devanados de los dispositivos que llevan más alta frecuencia de radio actual (hasta cientos de kilohercios), como por ejemplo de modo de conmutación fuentes de alimentación y de radio frecuencia de transformadores .

Técnicas para reducir la pérdida de la radiación [ edit ]

Como está escrito anteriormente, una corriente alterna está hecha de carga eléctrica periódica bajo la aceleración , lo que provoca la radiación de las ondas electromagnéticas . La energía que es irradiada se pierde. Dependiendo de la frecuencia, diferentes técnicas se utilizan para minimizar la pérdida debida a la radiación.

Los pares trenzados [ edit ]

A frecuencias de hasta aproximadamente 1 GHz, pares de hilos están trenzados en un cable, la formación de un par trenzado . Esto reduce las pérdidas de radiación electromagnética y acoplamiento inductivo . Un par trenzado debe ser utilizado con un sistema de señalización equilibrada, de modo que los dos hilos transportan corrientes iguales pero opuestas. Cada alambre en un par trenzado irradia una señal, pero se cancela eficazmente por la radiación desde el otro cable, lo que resulta en casi ninguna pérdida de la radiación.

Los cables coaxiales [ edit ]

Los cables coaxiales se utilizan comúnmente en las frecuencias de audio y superior para mayor comodidad. Un cable coaxial tiene un cable conductor dentro de un tubo conductor, separados por un dieléctrico de capa. La corriente que fluye en el conductor interno es igual y opuesta a la corriente que fluye en la superficie interior del tubo. El campo electromagnético es por lo tanto completamente contenida dentro del tubo, y (idealmente) no se pierde energía a la radiación o acoplamiento fuera del tubo. Los cables coaxiales tienen aceptablemente pequeñas pérdidas para frecuencias de hasta aproximadamente 5 GHz. Para microondas frecuencias superiores a 5 GHz, las pérdidas (principalmente debido a la resistencia eléctrica del conductor central) se hacen demasiado grandes, lo que hace guías de ondas de un medio más eficiente para la transmisión de energía. Los cables coaxiales con un aire en lugar de dieléctrico sólido se prefieren, ya que la potencia de transmisión con la pérdida más baja.

Guías de onda [ edit ]

Las guías de onda son similares a los cables coaxiales, ya que ambos consisten de tubos, con la mayor diferencia es que la guía de ondas no tiene ningún conductor interior. Las guías de ondas pueden tener cualquier sección transversal arbitraria, pero las secciones transversales rectangulares son los más comunes. Debido a guías de ondas no tienen un conductor interior para llevar a una corriente de retorno, guías de ondas no pueden suministrar energía por medio de una corriente eléctrica , sino más bien por medio de un guiado campo electromagnético . Aunque las corrientes superficiales hacen de flujo en las paredes interiores de las guías de ondas, esas corrientes de superficie no llevan corriente. La alimentación se realiza por los campos electromagnéticos guiadas. Las corrientes superficiales son establecidos por los campos electromagnéticos guiadas y tienen el efecto de mantener los campos dentro de la guía de ondas y la prevención de fugas de los campos en el espacio fuera de la guía de ondas.

Las guías de ondas tienen dimensiones comparables a la longitud de onda de la corriente alterna a ser transmitida, por lo que son sólo es factible a frecuencias de microondas. Además de esto viabilidad mecánica, la resistencia eléctrica de los metales no ideales que forma las paredes de la guía de ondas causa la disipación de potencia (corrientes de superficie que fluye en lossy conductores disipan potencia). A frecuencias más altas, la pérdida de potencia a esta disipación se convierte en inaceptablemente grande.

Fibra óptica [ edit ]

A frecuencias superiores a 200 GHz, las dimensiones de guía de ondas se convierten en impracticables pequeña, y las pérdidas óhmicas en las paredes de guía de ondas se hacen más grandes. En su lugar, la fibra óptica , que son una forma de guías de ondas dieléctricas, se pueden utilizar. Para estas frecuencias, ya no se utilizan los conceptos de tensiones y corrientes.

Matemáticas de voltajes de CA [ edit ]

Una onda sinusoidal, durante un ciclo (360 °). La línea discontinua representa la media cuadrática valor (RMS) en alrededor de 0.707

Las corrientes alternas se acompañan (o causado) por tensiones alternas. Una tensión V de CA se puede describir matemáticamente como una función del tiempo mediante la siguiente ecuación:

v (t) = V_ \ mathrm {pico} \ cdot \ sin (\ omega t) ,

donde

  • \ Displaystyle V_ {\ rm pico} es la tensión de pico (unidad: V ),
  • \ Displaystyle \ omega es la frecuencia angular (unidad: radianes por segundo )
    • La frecuencia angular está relacionado con la frecuencia física, \ Displaystyle f (Unidad = hercios ), que representa el número de ciclos por segundo, por la ecuación \ Displaystyle \ omega = 2 \ pi f .
  • \ Displaystyle t es el tiempo (unidad: segundos ).

El valor de pico-a-pico de una tensión de CA se define como la diferencia entre su pico positivo y su pico negativo. Dado que el valor máximo de \ Sin (x) es 1 y el valor mínimo es -1, un AC oscilaciones de la tensión entre + V_ {\ rm pico} y -V_ {\ rm pico} . El voltaje de pico a pico, por lo general escrita como V_ {\ rm pp} o V_ {\ rm P-P} Por lo tanto, es V_ {\ rm pico} - (-V_ {\ rm pico}) = 2 V_ {\ rm pico} .

Potencia y raíz cuadrada media [ edit ]

La relación entre la tensión y la potencia entregada es

p (t) = \ frac {v ^ 2 (t)} {R} donde R representa una resistencia de carga.

En lugar de utilizar la potencia instantánea, p (t) , Es más práctico utilizar una potencia promediada en el tiempo (en donde se realiza el promediado sobre cualquier número entero de ciclos). Por lo tanto, el voltaje de CA se expresa a menudo como una raíz cuadrada significa valor (RMS), escrito como V_ {\ rm rms} , Porque

P_ {\ vec rm ~ promediada} = \ frac {{V ^ 2} _ {\ rm rms}} {R}.

Para una tensión sinusoidal:

V_ \ mathrm {rms} = \ frac {V_ \ mathrm {pico}} {\ sqrt {2}}.

El factor \ Sqrt {2} que se llama el factor de cresta , que varía para diferentes formas de onda.

V_ \ mathrm {rms} = \ frac {V_ \ mathrm {pico}} {\ sqrt {3}}.
\ Displaystyle V_ \ mathrm {rms} = V_ \ mathrm {pico}.
  • Para una forma de onda periódica arbitraria v (t) del período T :
V_ \ mathrm {rms} = \ sqrt {\ frac {1} {T} \ int_0 ^ {T} {v ^ 2 (t) dt}}.

Ejemplo [ editar ]

Para ilustrar estos conceptos, considere un 230 V AC red de alimentación utilizada en muchos países de todo el mundo. Se le llama así porque su media cuadrática valor es de 230 V. Esto significa que la potencia promediada en el tiempo entregado es equivalente a la potencia suministrada por una tensión continua de 230 V. Para determinar la tensión de pico (amplitud), se puede cambiar el por encima de la ecuación a:

V_ \ mathrm {pico} = \ sqrt {2} \ V_ \ mathrm {rms}.

Para 230 V CA, la tensión de pico \ Scriptstyle V_ \ mathrm {pico} por lo tanto, es \ Scriptstyle 230 V \ times \ sqrt {2} , Que es aproximadamente 325 V. El valor de pico-a-pico \ Scriptstyle V_ \ mathrm {P-P} de los 230 V de CA es el doble, alrededor de 650 V.

Véase también [ editar ]

Referencias [ editar ]

  1. ^ NN Bhargava y Kulshreshtha DC (1983). Electrónica Básica y Circuitos lineales . Tata McGraw-Hill Education. p. 90. ISBN 978-0-07-451965-3 .  
  2. ^ Asociación Nacional de Electric Light (1915). Manual de Electrical meterman . Trow Press. p. 81.  
  3. ^ Pixii máquina inventada por Hippolyte Pixii, High Magnetic Field Laboratory Nacional
  4. ^ Licht, Sidney Herman., "Historia de Electroterapia", en Electricidad Terapéutica y la radiación ultravioleta, 2 ª ed., ed. Sidney Licht, New Haven: E. Licht, 1967, Págs. 1-70.
  5. ^ un b "Stanley Transformer" . Laboratorio Nacional de Los Alamos , Universidad de Florida . Consultado el 9 de enero de 2009.  
  6. ^ . De Fonveille, W. (22 de enero 1880) "Gas y Electricidad de París" . Natural 21 (534): 283. BIBCODE : 1880Natur .. 21 .. 282d . doi : 10.1038/021282b0 . Consultado el 9 de enero de 2009.  
  7. ^ I. Grattan-Guinness, Historia y Filosofía de las Ciencias Matemáticas - 2003, Página 1229
  8. ^ Jeff Suzuki, Matemática en Contexto Histórico - 2009, página 329

Para leer más [ edit ]

  • Willam A. Meyers, Historia y reflexiones sobre cómo eran las cosas: Mill Creek Planta de energía - Haciendo historia con aire acondicionado, IEEE Power Engineering Review, febrero de 1997, páginas 22-24

Enlaces externos [ editar ]