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Enseanza de las Ciencias Naturales III Prof. Alejandra Yuhjtman Unidad II: Enseanza de los temas de astronoma en la escuela primaria.

Apunte de ctedra N 4 Introduccin a la luz como concepto fsico

Qu es la luz? Sabemos que durante el da, el Sol es la fuente de luz principal, y el brillo de cielo es una fuente secundaria. Otras fuentes que conocemos pueden ser las llamas, los filamentos de las lamparitas, los gases que emiten luz dentro de un tubo de vidrio, etc. Casi todos los objetos que vemos, como por ejemplo esta misma hoja, son visibles porque reflejan la luz de alguna de estas fuentes. Algunos materiales, como el aire, el agua o el vidrio, permiten que la luz pase a travs de ellos. Otros materiales, como el vidrio esmerilado o el nylon, dejan pasar la luz en direcciones difusas, de modo que no podemos ver ntidamente a travs de ellos. Cuando hablamos de la luz, pensamos en aquello que nos permite ver lo que nos rodea. Sin embargo, sabemos que en ciencias los fenmenos no se caracterizan segn la percepcin de las personas, o los animales en general, sino que se busca otro tipo de definiciones. La luz y la visin La luz ha sido objeto de estudio durante miles de aos. Algunos de los filsofos griegos pensaban que la luz consista en partculas diminutas capaces de entrar en el ojo para crear la sensacin de la visin. Otros, entre ellos Scrates1 y Platn2, pensaban que el acto de ver se deba a que el ojo emita imperceptibles cintas o filamentos que hacan contacto con el objeto. Euclides3 era partidario de este enfoque, pues se preguntaba de qu otra manera se podra explicar el hecho de que no vemos una aguja en el suelo hasta que ponemos los ojos en ella.

1 Scrates de Atenas (en griego , Skrts; 470 399 a. C.)1 2 3 fue un filsofo clsico ateniense considerado como uno de los ms grandes, tanto de la filosofa occidental como de la universal. Fue maestro de Platn, quien tuvo a Aristteles como discpulo, siendo estos tres los representantes fundamentales de la filosofa de la Antigua Grecia. 2 Platn (en griego antiguo: ) (Atenas o Egina, ca. 427-347 a. C.) fue un filsofo griego seguidor

de Scrates y maestro de Aristteles.

3 Euclides (en griego , Eukleides) fue un matemtico y gemetra griego (ca. 325 - ca. 265 a. C.). Se le conoce como "El Padre de la Geometra".

El Sol ilumina un rbol. Pero no hay

persona, ni animal presente que se

encuentre observndolo. Entonces,

realmente el rbol est iluminado?

Segn la explicacin actual, la luz es

emitida por una fuente, se transmite

a travs del espacio, se refleja en los

objetos, y llega a nuestros ojos. Cul

de estos esquemas representa mejor

esta idea?

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Alhazn defenda la hiptesis de que la

luz proceda del Sol y que los objetos

que no poseen luz propia, lo nico que

hacan era reflejarla, y por eso es

posible verlos.

Hoy sabemos que el fenmeno de la luz se diferencia del mecanismo de la visin. Por lo tanto, muchos siglos despus de los trabajos de los filsofos griegos, las preguntas acerca de la naturaleza de la luz fueron distintas. Ya no haba una preocupacin centrada solamente en cmo las personas logran ver los objetos, sino en lo que le ocurre a la luz al interactuar con ellos. Cuando algunos filsofos comenzaron a comprender la diferencia entre luz y visin, lograron estudiar fenmenos que no se haban cuestionado hasta el momento. Se cree que el primero fue el matemtico y astrnomo rabe Ibn-al Haytam, conocido en las traducciones latinas como Alhazen (El Cairo, 965 - 1040). Desde esta novedosa perspectiva, realiz pruebas con lentes y espejos. Escribi trabajos sobre la reflexin de la luz, y el funcionamiento del ojo humano. Logr explicar fenmenos como la formacin del arco-iris y el funcionamiento de la cmara oscura, una forma muy primitiva de lo que hoy conocemos como cmara fotogrfica.

Las ilusiones pticas dan cuenta de que la visin es un proceso complejo, que no solamente depende de

las seales lumnicas externas a nosotros, sino que est vinculado con efectos fisiolgicos y psicolgicos.

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La dualidad onda-partcula En muchas ocasiones hemos tenido la oportunidad de hacer rebotar una pelota o bola en una superficie plana. Por ejemplo, al hacer picar una pelota en el piso, o al patear una pelota contra una pared, o en un juego de pool cuando se hace banda. En cualquiera de estas situaciones, sabemos de antemano la direccin que va a seguir la pelota o la bola luego de que golpee contra la superficie.

Lo curioso, es que con la luz ocurre algo similar. Cuando un rayo de luz incide sobre la superficie de un espejo, rebota siguiendo el mismo recorrido que si se tratara de una pelota. Esto llev a los cientficos del siglo XVI y XVII, a pensar que la luz se trata de diminutas e imperceptibles partculas, ya que muestran un comportamiento similar a los materiales que s percibimos. Esta idea fue desarrollada principalmente por Isaac Newton (Inglaterra 1642 1727). l sostena que la luz se compona de diminutas partculas (corpsculos), que viajaban a enormes velocidades. Esta teora propuesta desde fines del siglo XVI fue aceptada a raz de sus prestigiosas publicaciones (mediados del siglo XVII) y result la ms convincente para los cientficos durante todo el siglo XVIII. Sin embargo, contemporneo a Newton, un cientfico holands llamado Christian Huygens, no estaba de acuerdo con las ideas del ingls. l pensaba que la luz se trataba de otro fenmeno diferente: la luz eran pequeas ondas. Siguiendo esta idea, Huygens aport pruebas de que en ciertas circunstancias, la luz puede bordear objetos pequeos, expandindose alrededor de ellos. Este fenmeno es incompatible con la idea de las partculas. En aquella poca, ambas posturas presentaban dificultades, y cada cientfico defenda la suya, buscando distintas soluciones. Por ejemplo, un problema que la hiptesis de Newton no poda explicar, es por qu si se cruzan dos rayos o haces luminosos, estos no chocan y se desvan, sino que se observa que cada uno sigue su camino sin perturbarse. Para Huygens, en cambio, eran un problema las sombras, ya que la luz debera poder ondular alrededor de los objetos, y as llegar a cualquier punto del espacio.

En un juego de pool, cuando la bola pega contra el borde de la mesa,

el ngulo que se forma con la lnea imaginaria de su trayectoria, es

igual a ambos lados del punto en el que la bola rebota.

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Para que una onda se produzca, tiene que haber un material que ondule, es decir, que transmita las vibraciones que la conforman. Sin embargo, sabemos que, por ejemplo, la luz

solar llega a la Tierra transmitindose a travs del espacio. Esto fue es problema muy

importante, al analizar esta discusin acerca de la luz, pues conduce a la pregunta acerca de

si hay o no espacio vaco en el Universo. Qu habra planteado cada cientfico acerca de esta

cuestin?

Newton Huygens La discusin acerca de la naturaleza corpuscular y ondulatoria de la luz, comenz a resolverse en el siglo XIX cuando, entre otros factores, la tecnologa disponible permiti realizar mejores experimentos. Uno de ellos se conoce como Interfermetro de Young. En l se estudi el fenmeno denominado interferencia, que solamente se presenta en el caso de las ondas. Por lo tanto, a la vista de estos resultados, la comunidad cientfica tom como vlida la naturaleza ondulatoria de la luz, dando por descartada la idea de las partculas. Durante el siglo XIX, se desarroll esta teora con gran profundidad. Numerosos cientficos en todo el mundo dedicaron el trabajo de su vida a investigar las ondas luminosas y los fenmenos asociados a ellas, como por ejemplo, los colores. La teora que enmarc los fenmenos luminosos se conoce como electromagnetismo. La luz es parte de un fenmeno ms amplio: las ondas electromagnticas. La luz vuelve a disfrazarse de partculas: Hacia fines del siglo XIX, los cientficos empezaban a sospechar que haban encontrado la respuesta a todos los problemas de la fsica, entre ellos el de la luz. Sin embargo, no estaba todo dicho. Cuando creyeron que no poda surgir nada nuevo, empezaron a sorprenderse Hacia fines del siglo XIX y principios del XX los cientficos empezaron a cuestionarse algunas verdades ya aceptadas. Algunos resultados experimentales no coincidan con las predicciones de las teoras vigentes en ese momento, que se enmarcan en lo que hoy se conoce como Fsica Clsica. Uno de estos experimentos, conocido como efecto fotoelctrico, fue realizado por primera vez en 1887 por Heinrich Hertz (1857 1894). Sus resultados no se podan explicar ni predecir a partir de la teora de las ondas electromagnticas de la luz. Hertz descubri, al estudiar la descarga elctrica entre dos electrodos, que la intensidad de la descarga aumentaba cuando se iluminaba con luz ultravioleta.

El viejo problema que se le present a Huygens acerca del medio en el que se transmiten las ondas

en el espacio, an no estaba resuelto. Recin hacia fines del siglo XIX, un experimento similar al

interfermetro de Young dio lugar a la respuesta buscada desde haca siglos. En el espacio no hay

ningn material especial, no existe el ter ideado por Aristteles siglos atrs. La luz puede propagarse en el vaco, en forma de ondas. La teora electromagntica apoy los resultados de este

experimento.

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Albert Einstein (1879-1955), en 1905, fue el primero en dar una explicacin al efecto fotoelctrico. Y se gan el premio Nobel de Fsica en 1921. Explic que lo que estaba sucediendo era que la luz se comportaba como partculas de muy alta energa llamadas fotones, que al chocar con las cargas elctricas de los electrodos, las ponan en movimiento producindose as la corriente elctrica. De un modo similar al que ocurri cuando se acept el carcter ondulatorio de la luz en el siglo XIX, en el siglo XX se realizaron numerosos experimentos que apoyaron el modelo corpuscular de la luz (la luz como partculas). Entonces... qu hacer con los resultados ya estudiados acerca de la luz como ondas? Esto signific tirar a la basura un siglo entero de investigaciones? La cuestin es muy compleja en este punto, pero lo importante es que los desarrollos del siglo XIX no se descartaron. Actualmente se considera que la luz tiene un comportamiento dual: en algunos fenmenos se comporta como onda y en otros como partculas. Las ondas electromagnticas y el espectro electromagntico De acuerdo con la teora electromagntica, la luz es energa emitida por cargas elctricas aceleradas. De ah su nombre, pues la luz es un fenmeno que combina la electricidad y el magnetismo. En muchos casos, estas cargas son los electrones que se encuentran en los tomos que componen los materiales. La energa emitida, se propaga en forma de onda que es en parte elctrica y en parte magntica: es una onda electromagntica. La luz visible es una porcin pequea de una amplia familia de ondas electromagnticas, que incluye formas tan conocidas como las ondas de radio, las microondas y los rayos X.

Un electrodo es un material cargado elctricamente:

positiva o negativamente. Para lograr esto se conecta

un metal a una fuente de energa elctrica, como por

ejemplo una batera. Los electrodos del dispositivo de

la figura se encuentran metidos en una cpsula

donde se ha hecho vaco (no hay aire). De esta

manera las cargas elctricas de los electrodos pueden

moverse de uno a otro: del negativo al positivo. Al

iluminar uno de los electrodos, se emiten electrones

que viajan en el vaco, y se observa que circula una

corriente elctrica, aunque no hay ningn cable

conectado en el medio.

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Los colores de las cosas (la luz y los materiales) Segn el electromagnetismo, los diferentes colores de la luz son diferentes frecuencias de las ondas electromagnticas. Por ejemplo, el color rojo es una onda electromagntica de 4,5 x 1014 Hz de frecuencia, mientras que la de color azul tiene una frecuencia de 6,4 x 1014 Hz. Qu ocurre entonces con los colores de los objetos y materiales? Es cierto que las cosas no tienen color? De alguna manera, esto es as. Cuando hablamos del color de las cosas, estamos refirindonos a la luz que nos llega de ellos. Pero esta luz, proviene de ellos siempre? Como habamos dicho antes, hay objetos que emiten luz, y muchos otros que no, y los vemos porque reflejan la luz proveniente de otras fuentes. Por lo tanto, no podemos decir que esos objetos tienen color propio, pues su color va a depender de la luz con la que se los ilumine. Sabemos que todos los materiales estn formados por tomos. Cuando un material es iluminado, las ondas electromagnticas interactan con los electrones de esos tomos. Los electrones reciben esa energa, y en algunos casos la absorben, y en otros la reemiten, dependiendo de la frecuencia (color). Materiales distintos, responden distinto a las diferentes frecuencias. Isaac Newton fue el primero en llevar a cabo un estudio sistemtico del color de la luz. Haciendo pasar un haz angosto de luz solar por un prisma triangular de vidrio, Newton encontr que la luz del Sol es una mezcla de todos los colores del arco iris, pues al atravesar este objeto se descompone dejndolos ver por separado. La luz solar es un ejemplo de lo que llamamos luz blanca. Bajo la luz blanca, los objetos estn siendo iluminados por luz de todos los colores. Entonces, si por ejemplo una pelota iluminada con luz blanca se ve de color rojo, quiere decir que absorbe todos los colores de luz, y refleja el rojo. Un material que absorbe toda la luz que incide en l, entonces no refleja nada de luz y siempre se ve negro.

La totalidad de las ondas electromagnticas, ordenadas segn su frecuencia en

Hertz (Hz), se denomina espectro electromagntico.

Por qu no estn el blanco ni el negro

en esta lista?

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Cuando la luz blanca ilumina una flor, las clulas de la flor absorben luz de ciertas frecuencias y el resto se refleja. Las clulas que contienen clorofila absorben luz de casi todas las frecuencias que inciden en ellas, y reflejan la luz de color verde, de modo que se ven verdes. Por otra parte, los ptalos de una rosa reflejan principalmente luz roja y una cantidad menor de luz azul. Curiosamente, los ptalos de la mayora de las flores amarillas, como los narcisos, reflejan el rojo y el verde, adems del amarillo. Los narcisos amarillos reflejan la luz de una amplia gama de frecuencias. As pues, por ejemplo, un objeto resulta verse de color amarillo porque refleja una mezcla de colores sin azul ni violeta, o porque refleja conjuntamente el rojo y el verde. Un objeto slo puede reflejar la luz de las frecuencias presentes en la luz que lo ilumina. Por lo tanto, el color de un objeto depende de la luz que reciba. La llama de una vela emite luz carente de las frecuencias ms altas: su luz es amarillenta. Una lamparita incandescente emite luz de todas las frecuencias visibles, pero ms rica en frecuencias bajas, por lo que realza los rojos. Las lmparas fluorescentes son ms ricas en frecuencias altas, por lo que se realzan los azules. A la luz del da los colores se ven diferentes que cuando se iluminan con esas otras fuentes. Mezcla de luz de colores y los efectos de la visin del ojo humano Cuando se combina luz de todas las frecuencias visibles se produce el color blanco. Un hecho interesante es que tambin se obtiene el color blanco combinando luz roja, verde y azul. Cuando proyectamos en una pantalla una combinacin de luz roja, verde y azul de la misma intensidad, la pantalla se ve blanca. Donde solo se superpone luz roja y verde, la pantalla se ve amarilla. La luz roja combinada solo con la luz azul produce un color parecido al fucsia, que se llama magenta. La luz verde en combinacin con la luz azul producen un color parecido al celeste, llamado cian. De hecho, se puede producir cualquier color superponiendo luz de los tres colores, y ajustando la intensidad de cada uno. Este sorprendente fenmeno se debe al funcionamiento del ojo humano (ver apartado). No es necesario que los tres colores sean rojo, verde y azul, aunque con ellos se produce el mayor nmero de colores diferentes, y ese es el motivo por el cual los llamamos colores primarios aditivos. Entonces, los colores que vemos cuando se combinan estos colores primarios, son:

rojo + verde = amarillo rojo + azul = magenta azul + verde = cian

Ahora bien, qu color se ve si incluimos la combinacin con estos otros colores?

amarillo + azul = blanco magenta + verde = blanco cian + rojo = blanco

Cuando la suma de dos colores produce el blanco, se dice que se trata de colores complementarios. Por ejemplo, el amarillo y el azul son complementarios, pues en definitiva el amarillo es la combinacin de rojo y verde, y la mezcla de rojo, verde y azul, se ve blanca. Si comenzamos con luz blanca y le restamos algn color, el color resultante ser el complemento del color sustrado. No toda la luz que incide en un objeto se refleja. Una parte de ella se absorbe. La parte absorbida se resta en efecto de la luz incidente. Por ejemplo, si incide luz blanca enun pigmento que absorbe luz roja, la luz reflejada se ve cian. Un pigmento que absorbe la luz azul se ve amarillo; anlogamente, un pigmento que absorbe luz amarilla, se ve... Siempre que restamos un color a la luz blanca obtenemos su color complementario.

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Despus de leer todo esto, posiblemente te preguntes en qu qued todo aquello que sabas acerca de la combinacin de pinturas de colores, como por ejemplo, que la combinacin de pintura verde y amarilla, da pintura azul Lo que ocurre es que no es lo mismo mezclar luces de colores que pinturas, o pigmentos. Las pinturas y tinturas, contienen diminutas partculas slidas de pigmento, que son las que otorgan el color, pues absorben algunos colores y reflejan otros. Los pigmentos reflejan una mezcla de colores. Por ejemplo, un pigmento azul refleja, adems del azul, violetas y verdes; mientras que un pigmento amarillo refleja, adems del amarillo, roja, naranja y verde. Entonces, al mezclar las dos pinturas, el nico color que ambas reflejan es el verde. Por eso la combinacin se ve de este color. Los colores en la naturaleza La combinacin de colores primarios no es el nico mecanismo por el cual observamos diferentes colores. El azul del cielo, su color rojizo al atardecer, el color blanco de las nubes, los colores del arcoris, son el resultado de desviaciones de la luz solar, en distintas direcciones, diferentes para cada color.

La televisin a color se basa en la capacidad del ojo humano para percibir las combinaciones de

tres colores como una variedad de colores distintos. Si mirs de cerca la imagen de una

pantalla, vas a ver que la imagen se compone de un conjunto de puntos diminutos de menos de

un milmetro de dimetro, de estos tres colores.

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Problemas 1. Dibuj un esquema del recorrido de la luz que representa la observacin desde Marte, de una de sus lunas.

2. Un planeta es un astro que no emite luz propia. Entonces, desde la Tierra, podemos ver los dems planetas del

Sistema Solar? Cmo ser el recorrido de la luz que nos permite verlos?

3. Existe el da y la noche en otros planetas, adems de la Tierra? Por qu?

4. Si cerramos los ojos, Por qu no podemos ver nada? Escrib la respuesta que dara el filsofo griego Euclides, y tu propia respuesta.

5. Si hay experimentos que avalan que la luz se comporta como partculas, y no como ondas, Por qu seguimos estudiando la luz como ondas electromagnticas?

6. De acuerdo con la teora de las ondas electromagnticas, cmo se explica la existencia de luz de diferente color?

7. Por qu el blanco y el negro no son considerados colores cuando nos referimos a la luz?

8. Adems de la luz solar, qu otras fuentes de luz blanca conocs? Cmo ests seguro que es luz blanca, que no le falta ningn color del espectro?

9. Es posible que un material que se ve negro cuando es iluminado por luz blanca, se vea de otro color si es iluminado con otro tipo de luz? Por qu?

10. Una hoja de una planta, absorbe luz de 4,5 x 1014

Hz de frecuencia? Qu informacin necesits para conocer la respuesta?

11. Un grupo de alumnos de 7 grado de una escuela primaria, hicieron un experimento para su feria de ciencias. Usaron dos botellas iguales y envolvieron cada una con una tela. Una botella con tela blanca, y la otra con tela negra. Taparon las botellas con un corcho, introduciendo un termmetro en cada una, a travs de l. Los dos termmetros indicaban la misma temperatura, la del aire del ambiente. Luego, colocaron las botellas al sol, esperaron una hora, y midieron la temperatura que indicaba cada termmetro. Qu resultados aproximados crees que obtuvieron? cmo los explicaras, relacionndolos con lo estudiado sobre la luz y los colores?

12. Al iluminar una planta de rosa roja con luz tambin roja, se observa que las hojas se calientan ms que los ptalos de las flores. Por qu ocurre esto?

13. De qu color se vern los ptalos de esas flores si las iluminamos con luz verde?

14. Complet la tabla acerca de los colores de los objetos e iluminados con luces de distinto color.

Una pelota iluminada con

luz blanca se ve

Iluminada con luz roja

se ve

Iluminada con luz azul

se ve

Iluminada con luz verde

se ve

Iluminada con luz

magenta se ve

Iluminada con luz cian

se ve

Iluminada con luz

amarilla se ve

Blanca

Roja

Verde

Azul

Amarilla

Negra

15. Seguramente sabrs que si mezcls pinturas de todos los colores el color que resulta es muy oscuro, casi

marrn o negro. Esto es lo contrario de lo dicho anteriormente para la luz. Por qu ser as?

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16. La siguiente imagen representa la comparacin entre los dos tipos de onda con las que se transmite la informacin radial: AM y FM. La onda ms chica es la FM, mientras que la grande representa la AM. Segn la informacin que se puede extraer analizando la imagen,

16.1. Cul es la onda electromagntica de mayor frecuencia, la FM o la AM? 16.2. Cul de las dos tiene mayor alcance?

17. Toda la tecnologa en medios de comunicacin que utilizamos actualmente utiliza las ondas electromagnticas

para transmitir la informacin. Entre ellas, est el caso de los celulares. Obviamente, el rango de frecuencias que utilizan estos aparatos est fuera del rango visible. Est por encima o por debajo del rango visible? Son ondas electromagnticas de ms alta o ms baja energa que las ondas de luz visible?

La telefona celular en la Argentina

http://www.cnc.gov.ar/infotecnica/espectro/uso/celulares.asp#

La telefona celular en la Repblica Argentina se encuentra reglamentada en los siguientes Servicios:

Servicio de Radiocomunicaciones Mvil Celular (SRMC):

Servicio mvil de radiocomunicaciones que, mediante la tcnica celular, permite conectar por acceso mltiple a

estaciones Mviles entre s y con la Red Telefnica Pblica Nacional (R.T.P.N.).

Las bandas de frecuencias utilizadas para la prestacin de este servicio son 824 849 MHz y 869 894 MHz (denominada banda de 800 MHz) la cual se encuentra dividida 2 sub-bandas (A y B).

Servicio de Telefona Mvil (STM):

Es el servicio basado en el SRMC que posibilita las comunicaciones de telefona bidireccional simultnea de voz

viva, por medio de un transceptor, entre dos o ms abonados a dicho servicio o entre tales abonados con los de lar

Redes Telefnica Pblicas o de otros Servicios de Telecomunicaciones, ya sea recibiendo o efectuando

comunicaciones.

Servicio de Comunicaciones Personales (PCS):

El servicio inalmbrico de comunicaciones, de prestaciones mltiples, que mediante el empleo de tecnologa de

acceso digital, posibilita las comunicaciones entre dos o ms abonados a dicho servicio o entre tales abonados con

los de otras redes y sistemas de telecomunicaciones, ya sea recibiendo o generando comunicaciones.

Las bandas de frecuencias utilizadas para la prestacin de este servicio son 1850-1910 MHz y 1930 1990 MHz (denominada banda de 1900 MHz) la cual se encuentra dividida en 4 sub-bandas (A,B, C y D).

rea de Explotacin:

Para las dos bandas (800 MHz y 1900 MHz) el territorio nacional se dividi en tres reas de Explotacin a saber:

Area I (Norte), rea II (rea Mltiple Buenos Aires extendida a La Plata, Lujn y Zarat) y rea III (Sur).

Corresponde aclarar que el STM slo se aplica a las rea I y III y que el SRMC es aplicable al rea II.

Prestadores:

Los prestadors que brindan servicios celulares son:

AMX ARGENTINA S.A. (CLARO)

TELEFNICA MOVILES ARGENTINA S.A. (MOVISTAR)

TELECOM PERSONAL S.A. (PERSONAL)

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Apartado: el ojo humano

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