ATPS FISICA III

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ETAPA 1
Aula-tema: Campo Elétrico. Lei de Gauss.
Essa atividade é importante para compreender a ação e a distância entre duas
partículas sem haver uma ligação visível entre elas e entender os efeitos dessa partícula sujeita a uma força criada por um campo elétrico no espaço que as cerca.
Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.
PASSO 1 (Aluno) :
Pesquisar em livros da área, revistas e jornais, sites da internet, noticias que envolvem explosões de fabricas e que tem produtos que geram ou são a base de pó.
Pesquisa:
Frequentemente muitas pessoas se perguntam “Quais são os materias explosivos?”, “Como ocorrem às explosões acidentais?”, para esclarecer melhor pesquisamos para compreensão e para dar continuidade no trabalho. 
Primeiramente devemos saber que todos os anos dezenas de pessoas morrem com explosões acidentais, que podem ser causadas por material composto de partículas que se entrarem em mistura com o ar podem causar rapidamente queimaduras e tendo efeitos dramáticos. Existem materiais que muitas pessoas desconhecem e que não imaginam que podem ser explosivos como, por exemplo: farinha de trigo, açúcar, fibras de algodão, entre outros.
Para compreender as causa das explosões, devemos ter como fator chave a área de contato entre o ar e as partículas do pó combustível envolvido. Pós são materiais formados por partículas muito pequenas de meio milímetro (500 μm) ou menos, e isso faz com que sua área de contado com o ar seja muito grande, e quanto maior a área de contato, maior é a facilidade de combustão. Isso explica como um pó pode queimar tão rápido a ponto de explodir.
Nas pesquisas houve muitos relatos de explosões causadas por poeira acumulada em sistemas de exaustão de indústrias que trabalham com material sólido combustível, como madeira, farinha, açúcar, tecidos, etc., além das explosões em minas de carvão (onde há também hidrocarbonetos).
Vulgarmente a primeira explosão é pequena, mas a sua onda de choque "levanta a poeira" eventualmente acumulada por perto e dá origem a uma série de outras explosões, que são suficientemente violentas para causar resultados catastróficos - matando funcionários e destruindo fábricas.
Portanto, a explosão inicial só ocorre se houver pó disperso e se houver uma fonte inicial de combustão.
PASSO 2 ( Equipe) :
Supor que o pó (produto) de sua empresa esteja carregado negativamente e passando por um cano cilíndrico de plástico de raio R = 5,0 cm e que as cargas associadas ao pó estejam distribuídas uniformemente com uma densidade volumétrica ρ. O campo elétrico E aponta para o eixo do cilindro ou para longe do eixo? Justificar.
Resposta:
Por definição o campo elétrico E apontara para o eixo do cilindro, uma vez que as cargas associadas ao pó estejam distribuídas uniformemente e carregado negativamente.
O campo elétrico aponta para o eixo do cilindro, pois como o produto está carregado negativamente isso faz com que haja atração das cargas.
PASSO 3 (Equipe) :
Escrever uma expressão, utilizando a Lei de Gauss, para o módulo do campo elétrico no interior do cano em função da distância r do eixo do cano. O valor de E aumenta ou diminui quando r aumenta? Justificar. Determinar o valor máximo de E ea que distância do eixo do cano esse campo máximo ocorre para ρ = 1,1 x 10‾³ C/m³(um valor típico).
Resposta:
E=λ/ε0.2πr
A relação entre o modulo de campo elétrico Eem função da distancia r do eixo do cano, é inversamente proporcional, pois se aumentarmos rfaremos com que nosso campo elétrico E diminua e vice-versa.
Da lei de Gauss, têm-se que:
/E/ . /A/ .cos⁡(a)=Q/ε
/E/ = Modulo de campo elétrico;
/A/ = Modulo de Área;
Cos (a) = 1;
Q = Carga interna;
ε = é a permissividade do meio (9,0 x 10¯¹²)
Considere, um cilindro isolante de raio R e altura h,de forma que a carga esteja uniformemente distribuída pelo seu volume. Como se quer o campo elétrico em um conjunto de pontos internos desse cilindro que estão a uma distancia r do eixo, usaremos a densidade de cargas para encontrar a carga interna a esses pontos:
Logo:
Q= ρ .V
ρ = 1,1 x 10‾³ C/m³
V = Volume do cilindro (π .r² .h).
Onde “V” é igual volume do cilindro e “ρ” é igual a densidade volumétrica da carga:
A=2π .r .h
Logo:
E.2π .r .h .cos⁡(a)=(ρ .π .r² .h)/ε
Sendo cos(a) igual a 1, então isolamos o campo elétrico E:
E = (ρ .r)/2ε
E =(1,1 .10¯^3.0,05)/(2 .9,0 .10¯¹²)=3.055.555,5 N/C
Valor máximo do campo = 3.055.555,5 N/C = 3,1 x 106 N/C
Desse modo, o valor máximo de E é atingido quando r=R(raio do cano).
PASSO 4 (Equipe) :
Verificar a possibilidade de uma ruptura dielétrica do ar, considerando a primeira condição, ou seja, o campo calculado no passo anterior poderá produzir uma centelha? Onde?
Resposta:
A rigidez dielétrica corresponde ao maior valor do campo elétrico aplicado a um isolante sem que ele se torne um condutor. Essa rigidez varia de um material para outro. No caso do ar, sua rigidez dielétrica E vale cerca de 3 x 10^6 N/C, assim, quando um campo elétrico no ar ultrapassar esse valor, ele deixa de ser isolante e torna-se condutor.
Logo podemos concluir que no caso em que estamos estudando houve com certeza a ruptura dielétrica, pelo fato de que o nosso campo ultrapassou os 3 milhões de N/C suportados pela rigidez dielétrica.
Essa ruptura dielétrica ocorre nas regiões de maior concentração das cargas, ou seja em suas superfícies, arestas ou pontas. No nosso estudo erra ruptura ocorreu na saída do tubo.
ETAPA 2
 Aula-tema: Potencial Elétrico. Capacitância.
Essa atividade é importante para compreender a definição de potencial elétrico e conseguir calcular esse potencial a partir do campo elétrico. Essa etapa também é importante para estudar a energia armazenada num capacitor, considerando situações cotidianas. Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.
PASSO 1 (Equipe):
Determinar uma expressão para o potencial elétrico em função da distância r a partir do eixo do cano. (O potencial é zero na parede do cano, que está ligado a terra).
Resposta: 
V= K × Qd
PASSO 2 (Equipe) :
Calcular a diferença de potencial elétrico entre o eixo do cano e a parede interna para uma densidade volumétrica de cargas típica, r = 1,1 x 10-3 C/m3.
Resposta:
Veixo=-ρ . r22 . ε0 → -1,1.10-3 . 0,0522 . 8,85.10-12 =
 - 2,75.10-617,7.10-12 = - 0,155.106 = -1,55.105
Vparede = 0
DV= Veixo -Vparede→-1,55.105-0 = -1,55.105 JC
PASSO 3 (Equipe):
Determinar a energia armazenada num operário, considerando que o homem pode ser modelado por uma capacitância efetiva de 200 pF e cada operário possui um potencial elétrico de 7,0 kV em relação a Terra, que foi tomada como potencial zero.
Resposta:
C=QV
Q=200×10-12×7,0×103
Q=1,4×10-6CQ=1,4 µC
PASSO 4 (Equipe):
Verificar a possibilidade de uma explosão, considerando a segunda condição, ou seja, a energia da centelha resultante do passo anterior ultrapassou 150 mJ, fazendo com que o pó explodisse?
Resposta:
 De acordo com os resultados obtidos no passo anterior, foi analisado e concluído que a energia gerada não é suficiente para que a centelha seja gerada. 
ETAPA 3
 Aula-tema: Corrente e Resistência. Circuitos.
Essa atividade é importante para discutir as cargas em movimento, isto é, corrente elétrica e relacionar com resistência elétrica. Essa etapa também é importante para compreender os cálculos envolvidos em um circuito elétrico como potência e energia. Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.
PASSO 1 (Equipe):
Determinar a expressão para a corrente i (o fluxo das cargas elétricas associadas ao pó) em uma seção reta do cano. Calcular o valor de i para as condições da fábrica: raio do cano R =5,0 cm., velocidade v = 2,0 m/s e densidade de cargas r = 1,1 x 10-3 C/m3.
Resposta:
Em um cano de comprimento L:
Densidade de carga n.e
Carga total no cano ∆q = n.e.A.L
A carga percorre o comprimento em um intervalo de tempo ∆t:
∆t = LV Portanto i=∆q∆t= n.e.A.LL/V= n.e.A.L. VL
I = n.e.A.V 
Expressão Sendo:
NE = densidade da cargaA = área da seção = ∏R²
V = velocidade
Aplicando os dados:
I = n.e.A.V
I = (1,1 x 10-3 C/m3) . (3,14) . (0,05m)² . (2,0m/s)
I = 1,7.10-5 A
PASSO 2 (Equipe):
Determinar a taxa (potência) com a qual a energia pode ter sido transferida do pó para uma centelha quando o pó deixou o cano. Considerar que quando o pó saiu do cano e entrou no silo, o potencial elétrico do pó mudou e o valor absoluto dessa variação foi pelo menos igual a diferença de potencial calculada no passo 2 na etapa 2.
Resposta:
P= U.i→P=-1,55.105 . 1,7.10-5 = 2,64 W
PASSO 3 (Equipe):
Calcular a energia transferida para a centelha se uma centelha ocorreu no momento em que o pó deixou o tubo e durou 0,20 s (uma estimativa razoável).
Resposta:
E=P. ∆t →2,64 . 0,20 = 0,53 J
PASSO 4 (Equipe):
Calcular qual deve ser a resistência entre a pulseira e a terra para que seu corpo chegue ao nível seguro de potencial de 100 V em 0,3 s, ou seja, um tempo menor que o que você levaria para tocar no silo. Se você usar uma pulseira condutora em contato com a terra seu potencial não aumentará tanto quando você se levantar, além disso, a descarga será mais rápida, pois a resistência da ligação a terra será menor que a dos sapatos. Suponha que no momento que você se levanta o potencial do seu corpo é de 1,4 kV e que a capacitância entre seu corpo e a cadeira é de 10 pF.
Resposta:
I = q / ∆t V = q/v - 10x10-¹² =
 q / 1,4 x 10³ = > 10x10-¹² = 
q / 1,4 x 10³  = 1,40x10-8 
 v = i . r => 100 = 4,67x10-8 . r R = 100 / 4,67x10-8 = 2,4 x 109
ETAPA 4
Aula-tema: Campos Magnéticos.
Essa atividade é importante para compreender o campo magnético terrestre e atuação dele numa determinada região. Nessa atividade também definir as medidas de segurança na instalação de uma fábrica de pó. Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.
PASSO 1 (Aluno):
Pesquisar sobre o campo magnético terrestre, como ele é produzido e como esse campo varia de acordo com a localidade. Pesquisar também qual é o valor do campo magnético na sua região.
Resposta:
O valor aproximado do campo magnético da Terra é de 2,4 x 10-5 T.
O campo magnético da Terra circula e atravessa toda superfície da maneira razoavelmente parecida com o campo produzido por um dipolo. A teoria do dínamo é a mais aceita para explicar a origem do campo. Um campo magnético, genericamente, se estende infinitamente. Um campo magnético vai se tornando mais fraco com o aumento da distância da sua fonte. Como o efeito do campo magnético terrestre se estende por várias dezenas de milhares de quilômetros, no espaço ele é chamado de magnetosfera da Terra. A magnetosfera protege a superfície da Terra das partículas carregadas do vento solar. É comprimida no lado diurno (Sol) devido à força das partículas que chegam, e estendido no lado noturno.
O campo é semelhante ao de um ímã de barra, mas essa semelhança é superficial. O campo magnético de um ímã de barra, ou qualquer outro tipo de ímã permanente, é criado pelo movimento coordenado de elétrons (partículas negativamente carregadas) dentro dos átomos de ferro. O núcleo da Terra, no entanto, é mais quente que 1043 K, a temperatura de Curie em que a orientação dos orbitais do elétron dentro do ferro se torna aleatória. Tal aleatorização tende a fazer a substância perder o seu campo magnético. Portanto, o campo magnético da Terra não é causado por depósitos magnetizados de ferro, mas em grande parte por correntes elétricas do núcleo externo líquido.
Correntes elétricas induzidas na ionosfera também geram campos magnéticos. Tal campo é sempre gerado perto de onde a atmosfera é mais próxima do Sol, criando alterações diárias que podem deflectir campos magnéticos superficiais de até um grau.
A intensidade do campo na superfície da Terra neste momento varia de menos de 30 microteslas (0,3 gauss), numa área que inclui a maioria da América do Sul e África Meridional, até superior a 60 microteslas (0,6 gauss) ao redor dos polos magnéticos no norte do Canadá e sul da Austrália, e em parte da Sibéria.
PASSO 2 (Equipe):
Calcular o valor força elétrica que age sobre uma carga elétrica que se move no cano de acordo com as condições apresentadas no passo 1 da etapa 3 e no passo anterior dessa etapa.
Resposta: 
F= K.q/d2
F= 9.109 .1,1.10-3/0,52
F= 39.106N
PASSO 3 (Equipe):
Analisar as condições que foram discutidas nesse desafio para que ocorresse a explosão na fábrica e sugerir as medidas de segurança que deveriam ter sido adotadas para que não tivesse ocorrido.
Resposta:
Diante dos cálculos realizados foi constatado que duas condições para que uma explosão ocorresse: 1º- o modulo do campo elétrico ultrapassou 3,0×〖10〗6 N⁄C, produzindo uma ruptura dielétrica do ar. 2º- a energia da centelha resultante ultrapassou 150 mJ, fazendo com que o pó explodisse.
PASSO 4 (Equipe):
Elaborar um relatório intitulado “Relatório: Medidas de Segurança quanto aos fenômenos eletromagnéticos em uma Fábrica que envolve Nuvem de Pó” com o conteúdo desenvolvido nos passos anteriores desta etapa e entregar ao professor na data agendada, de acordo com a padronização definida.
Resposta:
MEDIDAS PREVENTIVAS
O Ministério do Trabalho e Emprego sancionou em 2001 a Portaria que estabelece indicações básicas para se evitar acidentes também provenientes da explosão por pó de produtos agrícolas.
[...] 1.15 – Silos e Armazéns.
1.15.1 – Os silos devem ser adequadamente dimensionados e construídos em solo com resistência compatível às cargas de trabalho. [...]
1.15.4 – É obrigatória a prevenção dos riscos de explosões, incêndios, acidentes mecânicos, asfixia e dos decorrentes da exposição a agentes químicos, físicos e biológicos em todas as fases da operação do silo.
1.15.5 – A escolha do modo de operação dos silos deve levar em consideração os riscos à saúde e segurança dos trabalhadores e ao meio ambiente.
1.15.6 – É obrigatória a utilização segura de todas as máquinas e equipamentos envolvidos no processo de operação dos silos. [...]
1.15.10 – Antes da entrada de trabalhadores na fase de abertura dos silos deve ser medida a concentração de oxigênio e o limite de explosividade relacionado ao tipo de material estocado. [...]
1.15.12 – Devem ser avaliados permanentemente os riscos de combustão espontânea e explosão através do controle dos seguintes parâmetros:
a) quantidade e tipo do pó em suspensão;
b) tamanho das partículas;
c) umidade e temperatura ambientes;
d) grau de umidade do produto armazenado;
e) concentração de oxigênio
f) variação da temperatura em função da fermentação do material ensilado
g) formação de gases e vapores inflamáveis [...]
1.15.13 – Devem ser adotadas medidas para prevenção de explosões derivadas da combustão acelerada de poeiras decorrentes da movimentação de grãos. [...]
1.15.15 – Os elevadores e sistemas de alimentação dos silos devem ser projetados e operados de forma a evitar o acúmulo de poeiras, em especial nos pontos onde seja possível a geração de centelhas por eletricidade estática.
1.15.16 – Todas as instalações elétricas e de iluminação no interior dos silos devem ser anti de flagrantes.
1.15.17 – Serviços de manutenção por processos de soldagem, operações de corte ou que gerem eletricidade estática devem ser realizados exclusivamente nos períodos em que os silos estejam vazios e livres de poeiras e contaminantes.
1.15.18 – Nos intervalos de operação dos silos o empregador rural ou assemelhado deve providenciar adequada limpeza dos silos para remoção de poeiras.
1.15.19 – Os silos devem possuir sistema de ventilação capaz de evitar acúmulo de gases e poeiras. (BRASIL, Ministério do Trabalho e Emprego, 2001).
CONCLUSÃO:
Concluímos que este trabalho que os resultados positivos adquiridos neste trabalho, que realmente é perigoso o acumula de pó em processos produtivos na indústria alimentícia e agrícola. A utilização de equipamentos e métodos de prevenção ajuda a evitar as explosões nos processo de produção. O conteúdo deste trabalho demonstra a importânciade aplicação das Leis da Física no processo produtivo de qualquer empresa que trabalhe com alimentos em pó.