Física para Cientistas e Engenheiros - Vol. 2 - Eletricidade e Magnetismo, Ótica, 6ª edição

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A sexta edição do clássico Física para Cientistas e Engenheiros introduz uma nova abordagem estratégica de soluções de problemas, em que os Exemplos têm como formato uma sequência consistente de Situação, Solução e Checagem.ste formato conduz o estudante através dos passos envolvidos na análise do problema, suas soluções e verificação de resultados.s Exemplos incluem, com frequência, as úteis seções Indo Além, que representam formas alternativas de resolver problemas, fatos de interesse, ou informação adicional relacionada com os conceitos apresentados.Quando apropriado, os Exemplos são seguidos por Problemas Práticos, para que o estudante possa avaliar seu domínio sobre os conceitos.omo novidades, a obra apresenta um Tutorial Matemático integrado e ferramentas amigáveis.em>Exemplos Conceituais e Checagens Conceituais permitem uma melhor compreensão conceitual. obra traz também Alertas de Armadilhas, identificadas por um ponto de exclamação, que ajudam a evitar concepções alternativas comuns.s novos quadros Física em Foco discutem aplicações atuais da física e relacionam aplicações com os conceitos tratados no capítulo.

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CAPÍTULO 21 - O Campo Elétrico I: Distribuições Discretas de Cargas

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P A R T E

I V

ELETRICIDADE

E MAGNETISMO

21

C A P Í T U L O

O Campo Elétrico I:

Distribuições Discretas de Cargas

21-1

21-2

21-3

21-4

21-5

21-6

Carga Elétrica

O COBRE É UM CONDUTOR, UM

MATERIAL QUE POSSUI PROPRIEDADES

ESPECÍFICAS QUE CONSIDERAMOS ÚTEIS,

POIS TORNAM POSSÍVEL TRANSPORTAR

ELETRICIDADE.

(Brooks R. Dillard/www.yuprocks.com.)

?

Qual é a carga total de todos os elétrons de uma moeda de cobre?

(Veja o Exemplo 21-1.)

Condutores e Isolantes

Lei de Coulomb

O Campo Elétrico

Linhas de Campo Elétrico

Ação do Campo Elétrico em Cargas

E

nquanto há apenas um século atrás tínhamos nada mais do que poucas lâmpadas elétricas, hoje em dia somos extremamente dependentes da eletricidade em nossa vida diária. Contudo, apesar da difusão do uso da eletricidade ter ocorrido apenas recentemente, o estudo sobre a eletricidade tem uma história muito mais antiga do que o acendimento da primeira lâmpada elétrica. Observações sobre a atração elétrica podem ser rastreadas à época dos antigos gregos, que perceberam que, depois de ter sido atritado, o âmbar atraía pequenos objetos, tais como fragmentos de palha e penas. De fato, a origem da palavra elétrico é a palavra grega para âmbar, elektron.

 

CAPÍTULO 22 - O Campo Elétrico II: Distribuições Contínuas de Cargas

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22

C A P Í T U L O

O Campo Elétrico II:

Distribuições Contínuas de Cargas

22-1

22-2

22-3

22-4

22-5

*22-6

S

Calculando E da Lei de Coulomb

Lei de Gauss

RELÂMPAGO É UM FENÔMENO ELÉTRICO.

DURANTE UM RAIO, CARGAS SÃO

TRANSFERIDAS ENTRE AS NUVENS E O

SOLO. A LUZ QUE SE ENXERGA PROVÉM

DE MOLÉCULAS DE AR RETORNANDO A

ESTADOS DE MENOR ENERGIA.

(Photo Disc.)

?

Como você calcularia a carga na superfície da Terra?

(Veja o Exemplo 22-15.)

S

Usando Simetria para Calcular E com a Lei de Gauss

Descontinuidade de En

Carga e Campo em Superfícies Condutoras

A Equivalência da Lei de Gauss e da Lei de Coulomb na Eletrostática

E

m uma escala microscópica, a carga elétrica é quantizada. Entretanto, freqüentemente ocorrem situações nas quais muitas cargas estão tão próximas entre si que a carga pode ser considerada uma grandeza distribuída de forma contínua. Aplicamos o conceito de densidade de carga à semelhança do que fazemos para descrever a matéria.

 

CAPÍTULO 23 - Potencial Elétrico

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23

C A P Í T U L O

Potencial Elétrico

23-1

23-2

23-3

23-4

23-5

23-6

Diferença de Potencial

Potencial Devido a um Sistema de Cargas Puntiformes

Calculando o Campo Elétrico a Partir do Potencial

Cálculos de V para Distribuições Contínuas de Carga

Superfícies Eqüipotenciais

Energia Potencial Eletrostática

A

A MENINA ESTÁ EM UM POTENCIAL

ELÉTRICO ELEVADO DEVIDO AO CONTATO

COM A CÚPULA DE UM GERADOR DE

VAN DE GRAAFF. ELA ESTÁ PARADA EM

CIMA DE UMA PLATAFORMA QUE A ISOLA

ELETRICAMENTE DO SOLO E, ASSIM, ELA

ACUMULA CARGA ELÉTRICA DO VAN DE

GRAAFF. SEU CABELO LEVANTA PORQUE

AS CARGAS NOS FIOS DE CABELO TÊM

O MESMO SINAL E CARGAS IGUAIS SE

REPELEM MUTUAMENTE. (Cortesia do

U.S. Department of Energy.)

?

Você sabia que o máximo potencial que a cúpula de um gerador de Van de

Graaff pode atingir é determinado pelo

raio da cúpula? (Veja o Exemplo 23-14.)

 

CAPÍTULO 24 - Capacitância

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Capacitância

24-1

24-2

24-3

24-4

24-5

24

C A P Í T U L O

Capacitância

O Armazenamento de Energia Elétrica

Capacitores, Baterias e Circuitos

Dielétricos

Visão Molecular de um Dielétrico

Q

uantas pessoas você conhece que não têm uma câmera digital, um telefone celular, uma combinação de telefone celular/câmera digital ou qualquer um dentre uma miríade de dispositivos eletrônicos portáteis adicionais?

Virtualmente todos os dispositivos eletrônicos portáteis contêm um ou mais capacitores e, hoje em dia, parece inimaginável a vida sem estes dispositivos. Vivemos em uma era agitada, apesar de conseguirmos nos comunicar com pessoas que são importantes para nós utilizando telefones celulares, de apreciarmos música usando dispositivos do tipo mp3 players e, até, de checarmos e enviarmos mensagens de correio eletrônico usando dispositivos

PDA (assistente pessoal digital).1

Nos capítulos anteriores, discutimos a relação entre campos elétricos e cargas e como a relação entre as cargas se traduz em energia potencial elétrica. Agora mostraremos, usando o conceito de capacitância, que a energia potencial pode ser armazenada e liberada.

 

CAPÍTULO 25 - Corrente Elétrica e Circuitos de Corrente Contínua

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Corrente Elétrica e

Circuitos de Corrente

Contínua

25-1

25-2

25-3

25-4

25-5

25-6

25

C A P Í T U L O

Corrente e o Movimento de Cargas

Resistência e Lei de Ohm

Energia em Circuitos Elétricos

Combinações de Resistores

Leis de Kirchhoff

Circuitos RC

Q

uando acendemos a luz, conectamos o filamento da lâmpada a uma diferença de potencial que ocasiona o fluxo de carga pelo fio de maneira semelhante à diferença de pressão em uma mangueira de jardim, que faz com que a água flua através da mangueira. O fluxo de carga constitui uma corrente elétrica. Geralmente pensamos em correntes em fios condutores, mas o feixe de elétrons em um monitor de vídeo e o feixe de íons carregados em um acelerador de partículas também constituem correntes elétricas.

No Capítulo 25, analisaremos circuitos de corrente contínua (dc), onde o sentido da corrente elétrica em um elemento do circuito não varia com o tempo. Correntes contínuas podem ser produzidas por baterias conectadas a resistores e capacitores. No Capítulo 29, analisaremos circuitos de corrente alternada (ac), nos quais o sentido da corrente varia alternadamente.

 

CAPÍTULO 26 - O Campo Magnético

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O Campo Magnético

26-1

26-2

26-3

26-4

26

C A P Í T U L O

A Força Exercida por um Campo Magnético

Movimento de uma Carga Puntiforme em um Campo Magnético

Torques em Anéis de Corrente e Ímãs

O Efeito Hall

H

á mais de 2000 anos, os gregos já sabiam que certo tipo de pedra (agora conhecida como magnetita) atraía pedaços de ferro, e existem referências escritas, datadas do século XII, que descrevem o uso de ímãs para navegação.

Em 1269, Pierre de Maricourt descobriu que uma agulha disposta em várias posições sobre um ímã esférico natural orienta-se ao longo das linhas que passam através de pontos nas extremidades opostas da esfera. Ele chamou estes pontos de pólos do ímã. Depois disso, muitos experimentalistas observaram que cada ímã de qualquer formato tem dois pólos, chamados de pólo norte e pólo sul, onde a força exercida pelo ímã é máxima. Também foi observado que pólos iguais de dois ímãs se repelem e que pólos opostos se atraem.

 

CAPÍTULO 27 - Fontes de Campo Magnético

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27

C A P Í T U L O

Fontes de Campo

Magnético

27-1

27-2

27-3

27-4

27-5

O Campo Magnético de Cargas Puntiformes em Movimento

O Campo Magnético de Correntes: A Lei de Biot–Savart

ESTAS BOBINAS NO LABORATÓRIO

DE MAGNETISMO DE KETTERING, NA

UNIVERSIDADE DE OAKLAND (EUA), SÃO

CHAMADAS DE BOBINAS DE HELMHOLTZ.

ELAS SÃO USADAS PARA CANCELAR O

CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA E PARA

FORNECER UM CAMPO MAGNÉTICO

UNIFORME EM UMA PEQUENA REGIÃO

DO ESPAÇO PARA O ESTUDO DAS

PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DA

MATÉRIA. (Bob Williamson, Oakland

University, Rochester, Michigan.)

A Lei de Gauss para o Magnetismo

A Lei de Ampère

Magnetismo em Materiais

?

Você sabe como calcular a intensidade do campo magnético em uma bobina conduzindo corrente?

(Veja o Exemplo 27-2.)

D

e acordo com o que vimos no Capítulo 26, a potência de ímãs permanentes é conhecida desde o ano 1000. Entretanto, o estudo sobre os ímãs e sua relação com a eletricidade não ocorreu antes de 1819, quando um físico dinamarquês, Hans Christian Oersted, descobriu que a agulha de uma bússola é defletida por uma corrente elétrica. Apenas um mês depois da descoberta de Oersted, Jean-Baptiste Biot e Félix Savart anunciaram os resultados de suas medidas do torque sobre um ímã próximo a um fio longo, conduzindo corrente, e analisaram estes resultados em termos do campo magnético produzido por cada elemento de corrente. André-Marie

 

CAPÍTULO 28 - Indução Magnética

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28

C A P Í T U L O

Indução Magnética

28-1

28-2

28-3

28-4

28-5

28-6

28-7

* 28-8

* 28-9

Fluxo Magnético

FEM Induzida e a Lei de Faraday

DEMONSTRAÇÃO DE FEM INDUZIDA.

QUANDO O ÍMÃ É APROXIMADO

OU AFASTADO DA BOBINA, UMA

FEM É INDUZIDA NA BOBINA, COMO

MOSTRADO PELA DEFLEXÃO DO

GALVANÔMETRO. NENHUMA DEFLEXÃO

É OBSERVADA QUANDO O ÍMÃ ESTÁ EM

REPOUSO. (Richard Megna/Fundamental

Photographs.)

Lei de Lenz

FEM Induzida por Movimento

Correntes Parasitas

Indutância

?

Como você calcula a intensidade da fem induzida na bobina? (Veja o

Exemplo 28-2.)

Energia Magnética

Circuitos RL

Propriedades Magnéticas de Supercondutores

P

or volta de 1830, Michael Faraday, na Inglaterra, e Joseph Henry nos Estados Unidos, descobriram, independentemente, que um fluxo magnético variável através de uma superfície limitada por um fio na forma de um anel fechado em repouso que está na presença de um campo magnético variável induz uma corrente no fio. As fems e correntes causadas por tais fluxos magnéticos variáveis são chamadas de fems induzidas e correntes induzidas. O processo em si é chamado de indução. Faraday e Henry também descobriram que em um campo magnético estático um fluxo magnético variável através de uma superfície limitada por um fio no formato de um anel em movimento induz uma fem no fio. Uma fem causada pelo movimento de um condutor em uma região com um campo magnético é chamada de fem induzida pelo movimento.

 

CAPÍTULO 29 - Circuitos de Corrente Alternada

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29

C A P Í T U L O

Circuitos de Corrente

Alternada

29-1

29-2

*29-3

*29-4

*29-5

*29-6

ESTA OUVINTE PROCURA SUA ESTAÇÃO

DE RÁDIO FAVORITA. ESTE PROCESSO

VARIA A FREQÜÊNCIA DE RESSONÂNCIA

DE UM CIRCUITO ELÉTRICO OSCILANTE

NO INTERIOR DO SINTONIZADOR DE

MANEIRA QUE APENAS A ESTAÇÃO QUE

ELA SELECIONA É AMPLIFICADA.

(© Roger Ressmeyer/Corbis.)

Corrente Alternada em um Resistor

Circuitos de Corrente Alternada

O Transformador

Circuitos LC e RLC sem um Gerador

?

Qual componente do circuito é modificada enquanto ela sintoniza o rádio? (Veja o Exemplo 29-11.)

Fasores

Circuitos RLC Forçados

M

ais de 99 por cento da energia elétrica utilizada hoje em dia é produzida por geradores elétricos na forma de corrente alternada, que tem uma grande vantagem sobre a corrente contínua. A energia elétrica pode ser distribuída em grandes regiões a tensões muito elevadas e baixas correntes para reduzir as perdas de energia devidas ao aquecimento Joule. Com corrente alternada, a energia elétrica pode, então, ser transformada, sem praticamente nenhuma perda, para tensões mais baixas e mais seguras e, correspondentemente, maiores correntes para distribuição e uso locais.* O transformador que realiza estas variações na diferença de potencial e na corrente trabalha com base na indução magnética. Na América do Norte, a potência é distribuída através de uma corrente senoidal com freqüência de 60

 

CAPÍTULO 30 - Equações de Maxwell e Ondas Eletromagnéticas

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30

C A P Í T U L O

Equações de Maxwell e

Ondas Eletromagnéticas

30-1

30-2

30-3

30-4

Corrente de Deslocamento de Maxwell

Equações de Maxwell

A Equação de Onda para Ondas Eletromagnéticas

Radiação Eletromagnética

A

INSTALADA NO DESERTO NAS

PROXIMIDADES DE SOCORRO, NOVO

MÉXICO, ESTA ENORME ESTRUTURA

ORDENADA DO OBSERVATÓRIO

ASTRONÔMICO NACIONAL DE RÁDIO É

UM SISTEMA DE 27 ANTENAS DE RÁDIO

DISPOSTAS EM UMA CONFIGURAÇÃO

COM FORMATO DE Y. COMO A

INFORMAÇÃO COLHIDA PELO ARRANJO

É COMBINADA ELETRONICAMENTE, O

INSTRUMENTO TEM UMA RESOLUÇÃO

COM 22 MILHAS (35,40 QUILÔMETROS) DE

LARGURA. (NRAO/AUI.)

?

Você já se perguntou se uma antena de rádio gera uma onda igual em todas as direções? (Veja o Exemplo 30-5.)

s equações de Maxwell, propostas originalmente pelo grande físico escocês James

Clerk Maxwell, relaciona os vetores campo elétrico e magnéS

 

CAPÍTULO 31- Propriedades da Luz

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P A R T E

V

LUZ

31

C A P Í T U L O

Propriedades da Luz

31-1

31-2

31-3

31-4

31-5

31-6

31-7

* 31-8

A Velocidade da Luz

A Propagação da Luz

Reflexão e Refração

Polarização

LUZ É TRANSMITIDA POR REFLEXÃO

INTERNA TOTAL ATRAVÉS DE

MINÚSCULAS FIBRAS DE VIDRO.

(© James L. Amos/Corbis.)

?

Quão grande deve ser o ângulo de incidência da luz na parede do tubo para que nenhuma luz escape?

(Veja o Exemplo 31-4.)

Dedução das Leis da Reflexão e Refração

Dualidade Onda–Partícula

Espectros de Luz

Fontes de Luz

O

olho humano é sensível à radiação eletromagnética com comprimentos de onda de aproximadamente 400 nm até 700 nm.* Os menores comprimentos de onda no espectro visível correspondem à luz violeta, e os maiores, à luz vermelha. As cores percebidas da luz são o resultado de respostas fisiológicas e psicológicas dos olhos e do cérebro às diferentes freqüências da luz visível. Apesar de a correspondência entre a cor percebida e a freqüência ser bastante boa, há muitos desvios interessantes. Por exemplo, uma mistura de luz vermelha e luz verde é percebida pelos olhos e pelo cérebro como amarelo — mesmo na ausência de luz na região do amarelo do espectro.

 

CAPÍTULO 32 - Imagens Ópticas

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Imagens Ópticas

32-1

32-2

*32-3

*32-4

C

32

C A P Í T U L O

Espelhos

Lentes

Aberrações

Instrumentos Ópticos

omo o comprimento de onda da luz é muito pequeno comparado à maioria dos obstáculos e aberturas, a difração — o desvio das ondas em torno de bordas — é geralmente desprezível, e a aproximação de raios, na qual se considera que a propagação de ondas ocorre em linhas retas, de fato descreve o que é observado.

Neste capítulo, aplicamos as leis da reflexão e refração para explicar a formação de imagens por espelhos e lentes.

32-1

?

ESPELHOS

Como você determina o poder de ampliação de um microscópio composto? (Veja o Exemplo 32-15.)

ESPELHOS PLANOS

A Figura 32-1 mostra um feixe de raios de luz saindo de uma fonte puntiforme P e refletido em um espelho plano. Depois de refletidos, os raios divergem exatamente como se estivessem vindo de um ponto P atrás do plano do espelho. O ponto P

 

CAPÍTULO 33 - Interferência e Difração

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33

C A P Í T U L O

Interferência e Difração

33-1

33-2

33-3

33-4

* 33-5

33-6

33-7

* 33-8

I

Diferença de Fase e Coerência

Interferência em Filmes Finos

Padrão de Interferência de Fenda Dupla

Padrão de Difração de Fenda Simples

Usando Fasores para Somar Ondas Harmônicas

Difração de Fraunhofer e Fresnel

Difração e Resolução

Redes de Difração

nterferência e difração são os fenômenos importantes que distinguem as ondas das partículas.* A interferência é a formação de um padrão de intensidade permanente por duas ou mais ondas que se superpõem no espaço.

A difração é o desvio das ondas em torno de bordas que ocorre quando uma porção de uma frente de onda é bloqueada por uma barreira ou obstáculo.

Neste capítulo, veremos como o padrão da onda resultante pode ser calculado tratando cada ponto da frente de onda original como uma fonte puntiforme, de acordo com o princípio de Huygens e calculando o padrão de interferência resultante destas fontes.

 

Apêndices

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Apêndice A

Unidades SI e Fatores de Conversão

Unidades de Base*

Comprimento

O metro (m) é a distância percorrida pela luz no vácuo em 1/299.792.458 s.

Tempo

O segundo (s) é a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de 133Cs.

Massa

O quilograma (kg) é a massa do protótipo internacional conservado em Sèvres, na França.

Mol

O mol (mol) é a quantidade de matéria de um sistema contendo tantas entidades elementares quantos átomos existem em 0,012 quilograma de carbono 12.

Corrente

O ampère (A) é a corrente elétrica constante que, se mantida em dois condutores paralelos, retilíneos, de comprimento infinito, de seção circular desprezível, e situados à distância de 1 metro entre si no vácuo, produz entre estes condutores uma força igual a

2  107 newton por metro de comprimento.

Temperatura

O kelvin (K) é 1/273,16 da temperatura termodinâmica no ponto tríplice da água.

 

Tutorial Matemático

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Tutorial Matemático

M-1

M-2

M-3

M-4

M-5

M-6

M-7

M-8

M-9

M-10

M-11

M-12

Algarismos Significativos

Equações

Proporções Diretas e Inversas

Equações Lineares

Equações Quadráticas e Fatoração

Expoentes e Logaritmos

Geometria

Trigonometria

A Expansão Binomial

Números Complexos

Cálculo Diferencial

Cálculo Integral

Neste tutorial, revisamos alguns dos resultados básicos de álgebra, geometria, trigonometria e cálculo. Em muitos casos, meramente enunciamos resultados sem prova. A Tabela M-1 lista alguns símbolos matemáticos.

M-1

ALGARISMOS SIGNIFICATIVOS

Muitos dos números com que trabalhamos, em ciência, são o resultado de medidas e, portanto, conhecidos apenas dentro de um certo grau de incerteza. Esta incerteza deve ser refletida no número de algarismos utilizados. Por exemplo, se você tem uma régua de 1 metro, graduada em centímetros, você sabe que pode medir a altura de uma caixa com a precisão de um quinto de centímetro, mais ou menos.

 

Respostas dos Problemas Ímpares de Finais de Capítulos

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Respostas dos Problemas

Ímpares de Finais de Capítulos

Capítulo 21

1

3

5

� � � � �

A carga resultante em objetos grandes sempre é muito próxima a zero. Então a força mais óbvia é a força gravitacional.

(a) A lei de Coulomb só é válida para partículas puntiformes. Os pedaços de papel não podem ser considerados como partículas puntiformes porque eles se tornam polarizados.

(b) Não, a atração não depende do sinal da carga no pente.

A carga induzida no papel que está mais próximo ao pente tem, sempre, sinal oposto ao da carga no pente e, portanto, a força resultante no papel é sempre atrativa.

(a)

(b) Quando as esferas são afastadas depois de removido o bastão, as cargas induzidas são distribuídas uniformemente em cada esfera. As distribuições são mostradas no diagrama.

11

13

�4q

 

Encarte Colorido

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ENCARTE EM CORES

As páginas que se seguem contêm um conjunto selecionado de figuras que reproduzem, em cores, fenômenos físicos e experimentos relacionados com eletricidade, magnetismo e óptica.

As figuras estão identificadas por capítulo.

Encartetipr v2 1

6/19/09 2:55:13 PM

CAPÍTULO 21

CAPÍTULO 23

Encartetipr v2 2

6/19/09 2:55:19 PM

CAPÍTULO 25

CAPÍTULO 26

Encartetipr v2 3

6/19/09 2:55:44 PM

CAPÍTULO 27

Encartetipr v2 4

6/19/09 2:55:53 PM

CAPÍTULO 30

Encartetipr v2 5

6/19/09 2:56:03 PM

CAPÍTULO 31

Encartetipr v2 6

6/19/09 2:56:25 PM

Encartetipr v2 7

6/19/09 2:56:35 PM

Encartetipr v2 8

6/19/09 2:56:50 PM

Encartetipr v2 9

6/19/09 2:57:01 PM

Encartetipr v2 10

6/19/09 2:57:14 PM

CAPÍTULO 32

Encartetipr v2 11

6/19/09 2:57:33 PM

CAPÍTULO 33

Encartetipr v2 12

6/19/09 2:57:40 PM

 

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