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“Año del Centenario de Machu Picchu para el Mundo”

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYORDE SAN

MARCOS

(Universidad del Perú, Decana de América)

LABORATORIO DE FISICA III

EXPERIENCIA N~1:

Cargas Eléctricas y Cuerpos

Electrizados

PROFESOR: Gilberto Yactayo.

PROFESOR: Miercoles de 6pm-8pm.

INTEGRANTES: Ventura Ríos Jorge L. 10200139.

Aniceto Bravo Joe A. 10200075.

Balbin Estrada Daryl M. 10200078.

Ciudad Universitaria, 20 de abril del 2011

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CARGAS ELÉCTRICAS Y CUERPOS

ELECTRIZADOS

INTRODUCCIÓN

Un cuerpo puede ser cargado sin importar su tamaño, tal preposición es totalmente cierta,

para cargar un cuerpo u objeto no necesariamente debe ser de tamaño atómico, luego de

esto se puede dar paso a las diferentes formas como de cómo hacerlo, este aspecto es el que

se desea desarrollar en este informe basado en las experiencias realizadas en el laboratorio

además de los conceptos estudiados los cuales serán expuesto en una parte posterior del

informe.

Este trabajo es realizado por alumnos de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos los

cuales pertenecen al curso de electromagnetismo, en tal asignación se ha propuesto el

estudio de los fenómenos eléctricos que se presentan con más frecuencia de lo que se cree y

son parte fundamental de la actual vida que llevamos, al punto que se podría decir que gran

parte de la tecnología que se ha desarrollado y la que está en proceso de creación están

basadas en los fenómenos eléctricos y por ende estos modifican toda nuestra vida. La

importancia de los distintos fenómenos por llamar de alguna forma a las propiedades

pertenecientes al mundo eléctrico hace necesario el estudio del mismo.

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OBJETIVOS

Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un

cuerpo.

Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación.

Cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción.

Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la materia

llamada carga eléctrica.

Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante los diversos procesos

Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos opuestos.

Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador electrostático (maquina

de Wimshurts y la máquina de Van de Graft.

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FUNDAMENTOS TEORICOS

Carga eléctrica.

La carga eléctrica es un atributo de las partículas elementales que la poseen. Caracterizado

por la fuerza electrostática que entre ellas se ejerce. Dicha fuerza es atractiva si las cargas

respectivas son de signo contrario, y repulsiva si son del mismo signo

Principio de conservación de la carga.

En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la

carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que

en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva.

En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera y

sólo hay una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación

de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas

donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema

permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del

espacio por pequeña que sea.

Cuantificación de carga eléctrica.

En física, un cuanto o cuantio (del latín Quantum, plural Quanta). Max Plank, 1900, dijo

que la luz siempre viaja en pequeños paquetes llamados "quata". Denotaba en la física

cuántica primitiva tanto el valor mínimo que puede tomar una determinada magnitud en

un sistema físico, como la mínima variación posible de este parámetro al pasar de un

estado discreto a otro. Se hablaba de que una determinada magnitud estaba cuantizada

según el valor de cuanto. O sea que cuanto es una proporción hecha por la magnitud dada.

Un ejemplo del modo en que algunas cantidades relevantes de un sistema físico están

cuantizadas lo encontramos en el caso de la carga eléctrica de un cuerpo, que sólo puede

tomar un valor que sea un múltiplo entero de la carga del electrón. En la moderna teoría

cuántica aunque se sigue hablando de cuantización el término cuanto ha caído en desuso.

El hecho de que las magnitudes estén cuantizadas se considera ahora un hecho secundario

y menos definitorio de las características esenciales de la teoría.

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MATERIALES Y EQUIPOS DE TRABAJO

Juego de equipos de electrostática U8491500 (tablero de destellos, cubierta de

fricción de plástico, con clavijero de 4 mm, soporte de depósito, rodamiento de agujas con

clavija de conexión , soporte con gancho para péndulo doble de bolitas de sauco, tablero de

base en clavija de conexión y carril de rodamiento con bolas, cadenas de conexión, esfera

conductora de 30 mm de diámetro, con clavija de conexión, cubierta con electrodos de

punta, pie de soporte, varilla de soporte, aislada, con manguitos de soporte y de conexión y

juego de campanas.

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Péndulos de tecnoport.

Electroscopio.

Barras de acetato y vinilita.

Maquina de Wimshurts modelo U15310

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Maquina de Van de Graft.

PROCEDIMIENTOS

1. Ubique en la mesa de trabajo en la posición más adecuada la Maquina de

Wimshurts y de Van de Graft.

2. Revise que todo esté en perfectas condiciones, cualquier anomalía informe al

profesor de turno.

Máquina de Wimshurts

3. Identifique las partes de las maquinas electrostáticas.

4. Gire lentamente la manivela en sentido horaria, los conductores transversales deben

señalar, por arriba, hacia la izquierda y, por debajo, hacia la derecha, en un ángulo

de 45, en relación con la barra de aislamiento.

5. Mantenga el interruptor, anote lo observado.

6. Ahora cierre el interruptor, anota lo observado.

7. Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 5,6 y 7 se efectúa

girando las manivelas del equipo.

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8. Determine la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio,

este último se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plástico

previamente frotada con lana, anote el signo de la carga.

9. Ahora acerque una lámpara de fluorescente y anote lo observado, identifique la

polaridad de las lámparas.

10. Descarga de punta (figura -04); colocar la rueda de punta sobre el rodamiento de

agujas en el soporte, conectar la fuente de carga y transmitir la carga, anote lo

observado.

11. Péndulo Doble (figura-05); colocar un péndulo de bolitas de sauco en soporte con

gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir un carga a través de esta, anote lo

observado.

12. Clavija de conexión en pantalla de seda;(figura-06) colocar la clavija de conexión

en pantalla de seda sobre el soporte, conectar a las fuentes de carga y acrecentar

lentamente la carga aplicada, anote lo observado.

13. Juego de campanas;(figura -07) colocar sobre el juego de campanas, conectar a la

fuente de carga aumentar lentamente la carga suministrada, anote lo observado .

14. Tablero de Destellos;(figura-08) colocar el tablero de destellos en el soporte,

conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga

suministrada, anote lo observado.

15. Danza Eléctrica;(figura-09) colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar

sobre bolitas de sauco de 5 a 8 unidades, y poner encima de la cubierta con

electrodos esféricos invertida, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la

cantidad de carga suministrada, anote lo observado.

16. Aparato fumívoro;(figura-10) colocar el tablero de base sobre el soporte, invertir

sobre este la cubierta con electrodos de punta y conectar la fuente de carga. Hacer

penetrar en la cubierta el humo de un cigarro o de una vela de humo, anote lo

observado.

17. Carril de rodamiento con bolas;(figura-11) colocar sobre el soporte la placa de

base, y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegúrese de que los

distanciadores del carril de rodamiento con bolas no caigan hacia un lado. Coloca la

bola, limpia y seca, sobre la placa de base de tal manera que entre en contacto con el

canto del electrodo esférico superior. Conectar la fuente de alimentación y

suministrar lentamente la carga, anote lo observado.

Máquina de Van Der Graff

18. Conecte la máquina de van der Graff, a la fuente de 250V de C.A. Tenga cuidado, si

tiene dudas consulte al profesor.

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19. Una vez encendido, la faja vertical comenzará a girar, identifique el signo de las

carga de la esfera, con la ayuda de un electroscopio, anote lo observado.

20. Utilice los dispositivos efectuados en los procesos del 9 al 17. Anote lo observado.

21. Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo valor del ángulo

que se desvía las hojuelas.

CUESTIONARIO

1. CÓMO PUEDE UD DETERMINAR EL SIGNO DE LAS CARGAS DE LAS

ESFERAS DE TECNOPOR? PÉNDULO DE TÉCNOPOR.

Como el ser humano está en contacto con la tierra obtiene carga negativa por lo que

al ponerse en contacto un dedo con el péndulo del tecnopor, el dedo atraerá o

repelerá al tecnopor si la carga del tecnopor es positiva o negativa respectivamente.

Esto significa que como el dedo de la mano está cargado negativamente entonces el

péndulo si está cargado positivamente será atraído por el dedo puesto que necesita

balancear su carga negativa y si tuviese carga negativa el dedo lo repelerá puesto

que tienen la misma carga

2. EN LAS EXPERIENCIAS EFECTUADAS, CÓMO PODRÍA APLICAR EL

PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN.

Podemos explicarla en la máquina de Vandergraff, pues se nota que es un objeto de

dimensión apreciable, podríamos tomar un diferencial de carga de para la esfera de

la máquina de Vandergraff y la interacción con un cuerpo de dimensión

despreciable de carga Q, entonces cada diferencial de carga y interactúa con la carga

Q y la suma de todas las fuerzas obtenidas sería la fuerza ejercida entre la carga

Q y la carga q. Aquí podríamos apreciar el principio de superposición.

3. DEL EXPERIMENTO REALIZADO, SE PUEDE DEDUCIR QUE TIPO DE

CARGA SE TRASLADA DE UN CUERPO A OTRO?

En nuestra experiencia el tipo de carga que se traslada es negativa, pero también las

cargas positivas pueden ser trasladadas todo dependería con que tipo carga se

cargaría un objeto

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4. ENUNCIE LOS TIPOS DE ELECTRIZACIÓN, EXPLIQUE CADA CASO.

Electrización por frotamiento

La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la

fricción, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y

cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada negativamente y aquél

positivamente. En términos análogos puede explicarse la electrización del vidrio por

la seda. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el

número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número

de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni

destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del

principio de conservación de la carga eléctrica formulado por Franklin con

anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.

Electrización por contacto

La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de

cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus

correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que se verá en parte

compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto,

El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro

adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido

electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el

segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el

cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno

a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones.

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Electrización por inducción

La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas.

Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las

proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la

región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo

entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en

positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas

es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del

cuerpo neutro.

5. POR QUÉ EL CUERPO CARGADO HUMANO ES UN BUEN

CONDUCTOR DE LA ELECTRICIAD? EXPLIQUE DETALLDAMENTE.

Porqué casi el 70% del organismo consta de agua ionizada, un buen conductor de

electricidad. De acuerdo con la electrofisiología, ciencia que estudia las reacciones

que produce la corriente eléctrica, cada uno de los tejidos de nuestro cuerpo

reacciona cuando una descarga circula por el organismo y los efectos biológicos

dependen de su intensidad. Se ha descubierto que las partes más sensibles son la

retina y el globo ocular, pues ante cualquier estímulo eléctrico producen una

sensación luminosa. Le sigue la lengua, la cual manifiesta un sabor alcalino.

El aislamiento de la persona del suelo por usar suelas de material no conductor

(goma, plástico) o estar situada sobre pavimento no conductor es la condición

necesaria para que ésta pueda acumular cargas electrostáticas considerables.

6. UN OBJETO CARGADO POSITIVAMENTE SE ACERCA A LA ESFERA

DE UN ELECRTOSCOPIO Y SE OBSERVA QUE LAS LAMINILLAS SE

CIERRA; Y CUANDO SE SIGUE ACERCANDO, SIN TOCAR LA ESFERA,

DE PRONTO LAS HOJUELAS SE ABREN. QUÉ TIPO DE CARGA TIENE

EL ELECTROSCOPIO?

Al acercar el objeto las laminillas se cierran, pues está habiendo un

acomodamiento de cargas, al acercar más el objeto a la esfera metálica del

electroscopio sin llegar a tocarla estas laminillas se abren, pues ya hubo un

mejor acomodamiento y la parte de la esfera del electroscopio está cargada

positivamente parcialmente, por lo que en la parte inferior las laminillas se

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cargan negativamente parcialmente por lo que se rechazan. Entonces la carga

del electroscopio es neutra solo hubo un reordenamiento de cargas que sumadas

dan cero ya que es por inducción.

7. QUÉ FUNCIÓN CUMPLE LAS BOTELLAS DE LEYDEN EN LA

MÁQUINA DE WINSHURST, EXPLIQUEN DETALLADAMENTE.

La botella de Leyden es un dispositivo eléctrico realizado con una botella de vidrio

que permite almacenar cargas eléctricas. Históricamente la botella de Leyden fue el

primer tipo de condensador.

La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas

comportándose como un condensador o capacitor. La varilla metálica y las hojas de

estaño conforman la armadura interna. La armadura externa está constituida por la

capa que cubre la botella. La misma botella actúa como un material dieléctrico

(aislante) entre las dos capas del condensador. El nombre de condensador proviene

de las ideas del siglo XIX sobre la naturaleza de la carga eléctrica que asimilaban

ésta a un fluido que podía almacenarse tras su condensación en un dispositivo

adecuado como la botella de Leyden.

Este es el principio por el cual, si un rayo cae por diferencia de potencial en un

avión, este no sufrirá en su interior ningún tipo de descarga ni alteración eléctrica.

8. DURANTE EL USO DEL GENERADOR ELECTROSTÁTICO SE PERCIBE

UN OLOR CARACTERÍSTCO, INVESTIGUE A QUE SE DEBE.

EXPLIQUE DETALLADAMENTE.

En 1785 Martinus van Marumsometió sometió algunos gases a intensas descargas

eléctricas generadas con la máquina electrostática. Entre ellos experimentó con

oxígeno puro, cuyo volumen se redujo un 5% tras 15 minutos de exposición, y con

aire atmosférico, que se redujo un 1,5% después de 30 minutos. Como el volumen

de los gases siempre se reducía, dedujo que durante las descargas eléctricas tenían

lugar reacciones químicas. Tras aquellos experimentos percibió un olor

característico, único y punzante, alrededor del generador; van Marum se refirió al

mismo como «el olor de la materia eléctrica». Este olor era producto de la

formación de ozono, siendo el primero en describirlo científicamente.

No obstante, el término ozono fue acuñado posteriormente por Christian Schönbein

en 1840, quien tras repetir los experimentos del neerlandés describió por vez

primera sus principales propiedades químicas.

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9. EXPLIQUE EL PODER DE LAS PUNTAS, Y SUS APLIACIONES.

En Electrostática, el poder de las puntas está íntimamente relacionado con el

concepto de la rigidez dieléctrica. Ésta es el mayor valor de campo eléctrico que

puede aplicarse a un aislante sin que se vuelva conductor. Este fenómeno fue

descubierto hace 200 años por Benjamín Franklin, al observar que un conductor con

una porción puntiaguda en su superficie, descarga su carga eléctrica a través del

aguzamiento y por lo tanto no se mantiene electrizado.

Actualmente se sabe que esto se produce debido que en un conductor electrizado

tiende a acumular la carga en la región puntiaguda. La concentración de carga en

una región casi plana es mucho menor que la acumulación de carga eléctrica en un

saliente acentuado. Debido a esta distribución, el campo eléctrico de las puntas es

mucho más intenso que el de las regiones planas. El valor de la rigidez dieléctrica

del aire en la porción más aguzada será sobrepasado antes que en las otras regiones,

y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del

conductor.

10. MENCIONA AL MENOS 5 APLICACIONES DEL EQUIPO DE VANDER

GRAFT

El generador del Van der Graaff es un generador de corriente constante,

mientras que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia

es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.

Producción de Rayos X

Esterilización de los alimentos

Experimentos de física de partículas y física nuclear.

Comprender los principios de cargas eléctricas.

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OBSERVACIONES

1) Al poner el sistema como se muestra en la figura 2, se observó que no existe

repulsión o atracción entre las esferitas.

2) Al acercar la barra de acetato sin frotarla a las esferas 1 y 2, se observo que

tampoco existe atracción o repulsión alguna.

3) Al frotar la barra de acetato con el paño de seda acercamos, a la esfera 1 y 2, se

observó que existía atracción entre la barra de acetato y la esfera 1 y 2,

respectivamente.

4) Al frotar la barra de vinilita con el paño de lana, acercamos a la esfera 1 y 2, se

observó que existía atracción entre la barra de vinilita y la esfera 1 y 2,

respectivamente.

5) Asignamos Q1 a la carga obtenida la barra de acetato en el paso 3 y Q2 a la carga

obtenida la barra de vinilita en el paso 4.

6) Al frotar la barra de acetato con el paño de seda, tocamos a la esfera 1 y 2, se

observó que ambas esferitas quedan cargadas con la misma carga Q1 (carga

designada en el paso 5), pues hubo una pequeña repulsión entre ellas.

7) Al frotar la barra de vinilita con el paño de lana, tocamos a la esfera 1 y 2, se

observó que ambas esferitas quedan cargadas con la misma carga Q2 (carga

designada en el paso 5), pues hubo una pequeña repulsión entre ellas.

8) Al acercar la barra de acetato a la esfera 1 y simultáneamente la barra de vinilita

a la esfera 2, se observó que no sucede algo en especial pues no se mueven las

esferitas.

9) Al acercar barras cargadas se noto que la aguja se movía, pero las barras no

cargadas no se movían.

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10) Al acercar la barra de acetato previamente frotado con el paño de lana se

observó que en un principio atrajo a la bolilla de tecnopor.

11) Al mantener cerca de la esfera metálica del electroscopio, la barra de acetato y

tocando con un dedo la esfera metálica, se observó que las agujas vuelven a su

estado original.

12) Al mantener cerca de la esfera metálica del electroscopio, la barra de acetato y

tocando con un dedo la esfera metálica, retiramos el dedo, se observó que las

agujas permanecen en reposo.

13) Al retirar la barra de acetato de la vecindad de la esfera metálica, se observó que

la las agujas siguen en reposo.

14) Al acercar la barra de vinilita previamente frotado con el paño de lana a la

esfera

metálica del electroscopio, se observó que las agujas se mueven.

15) Al mantener cerca de la esfera metálica del electroscopio, la barra de vinilita y

tocando con un dedo la esfera metálica, se observó que las agujas vuelven a su

estado original.

16) Al mantener cerca de la esfera metálica del electroscopio, la barra de vinilita y

tocando con un dedo la esfera metálica, retiramos el dedo, se observó que las agujas

permanecen en reposo.

17) Al retirar la barra de vinilita de la vecindad de la esfera metálica, se observó que

la las agujas siguen en reposo.

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RECOMENDACIONES

Para realizar las experiencias, procurar estar en un lugar seco, para evitar que las

cargas se pierdan fácilmente.

Para iniciar el experimento el sistema debe estar en reposo (soporte + esferitas).

Para iniciar la experiencia del electroscopio, este debe de tener carga neutra para

evitar errores en medir que barra es más intensa que otra.

Para mantener por más tiempo cargado las barra se recomienda agarrar las barras

con una franela, pues la carga se pierde más rápido cuando agarramos con la mano

sola.

Tener prudencia al usar la máquina de Vander graff y la máquina de Wimshurt

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CONCLUSIONES

Se pudo demostrar experimentalmente que cargas iguales se repelen y cargas distintas

se atraen.

Las cargas eléctricas no son engendradas ni creadas, sino que el proceso de adquirir

cargas eléctricas consiste en ceder algo de un cuerpo a otro, de modo que una de ellas

posee un exceso y la otra un déficit de ese algo (electrones).

Finalmente, se realizaron con éxito los objetivos propuestos, terminada la experiencia

se reconoce y comprende claramente los tres métodos para cargar un objeto, fricción,

inducción y contacto. Esta experiencia abre la mente al estudiante para identificar y

entender estos procesos que hacen parte de nuestro diario vivir, nos parece interesante

haber estudiado estos fenómenos invisibles pero fundamentales que rigen severamente

las leyes físicas de nuestro universo. Obviamente, esto solo es un incentivo para

atreverse a profundizar en los campos de la física eléctrica.

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BIBLIOGRAFÍA

[1] Física. Electricidad para estudiantes de Ingeniería. Notas de clase. Darío

Castro. Ediciones Uninorte.

[2] SEARS, Francis W. ZEMANSKY, Mark W, YOUNG; Hugh D; FREEDMAN,

Roger A; física universitaria con física moderna. Undécima edición, México:

Pearson Educacion 2005

[3] www.wikipedia.com

[4] PAUL TIPLER Volumen 2

[5] Electromagnetismo de SADIKU