Fisica

Educacional Unidade Osasco]

Engenharia Elétrica 4 Semestre

ATPS FISICA 3

OSASCO SP

SETEMBRO/2014

Wellington Mendonça Ferraz RA: 6825500228

Vinicius Martins RA:

Jefferson de oliveira RA

Marcelo Nogueira RA

Michel Henrique RA

Bruno RA

Professor Orientador

NOME

OSASCO/SP

SETEMBRO/2012

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.

PASSOS

Passo 1 (Aluno)

Pesquisar em livros da área, revistas e jornais, ou sites da internet, notícias que envolvem explosões de fábricas que têm produtos que geram ou são a base de pó.

Sites sugeridos para pesquisa

• Explosão De Pó Em Unidades Armazenadoras E Processadoras De Produtos Agrícolas

E Seus Derivados Estudo De Caso. 2005. Disponível em:

<https: //docs.google.com/file/d/0Bx50NPmVz1UwUGcyMUExS3FlRnM/edit>.

Acesso em: 20 abr. 2012.

• Explosões. Disponível em:

<https: //docs.google.com/file/d/0Bx50NPmVz1UwNkVMM0NNeTlmOHc/edit>.

Acesso em: 20 abr. 2012.

• Atmosferas explosivas de pós: Todo cuidado é pouco. Disponível em:

<https: //docs.google.com/file/d/0Bx50NPmVz1UwU0d0cU13dFlsVlE/edit>.

Acesso em: 20 abr. 2012.

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 r . O campo elétrico E aponta para o eixo do cilindro ou para longe do eixo? Justificar.

Elas apontam para longe do eixo. Pois a carga negativa é a que tem tendência a se desprender do átomo passando assim para o cilindro de plástico

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 e a que distância do eixo do cano esse campo máximo ocorre para r = 1,1 x 10-3 C/m3 (um valor típico).

V=π×r2×h

V=π×0,052×0,05

V=3,927×10-4cm3

∂=1,1×10-33,927×10-4=>2,80 Kg/cm3

∂×π×r2×LEo=E×2×π×r×L

2,48×109=E×3,14×10-1

E=2,48×1093,14×10-1=>7,91×109C

E=7,91 GC

O campo elétrico dentro do cano varia linearmente com a distância r, quando r aumenta o campo elétrico diminui.

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?

Não é possível, pois o ar é um isolante que não deixa produzir uma centelha pois é 30Kv/cm que tem menor que a capacidade da centelha para haver uma ruptura dielétrica.

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.

PASSOS

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)

V=(K.Q)/R

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, Q = 1,1 x 10⁻³ C/m3.

V eixo = -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

V parede=0

DV= V eixo –V parede→-1,55.105-0= -1,55.105JC

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.

S= =8,6393

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.

A energia armazenada num capacitor é igual ao trabalho feito para carrega-lo

kv/cm²

E = C.U²/2

E = energia armazenada

C = capacitância

U = ddp

Do enunciado temos:

C = (200.10^-12) F

U = 7.10³ - 0 = 7.10³ V

Logo, E = (2.10^-10).(49.10^6)/2 = 49.10^-4 J ------> E = 4,9.10^-3 J

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?

De acordo com o passo anterior, observando os resultados obtidos, concluímos que a centelha não gera energia necessária para haver a explosão.

R= Sim haverá a produção de uma centelha. O valor calculado mostra que ocorrerá uma ruptura dielétrica e como o pó esta carregada negativamente e passando por um cano cilíndrico, ou seja, a carga é negativa no núcleo.

Etapa 3

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 Q = 1,1 x 10-3 C/m3

Resolução:

I = Q/∆t ∆t=d/v

∆t=(5x〖10〗^(-2))/2

∆t=2.5x〖10〗^(-2)s

i = ( 1.1 x 〖10〗^(-3))/(2.5x〖10〗^(-2) ) i =〖 4.4 x 10〗^(-2) 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.

P= U.i→P=-1,55.105 . 1,7.10-5=2,64W

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).

E=P. ∆t →2,64 . 0,20=0,53 J

Passo 4 (Equipe)

O campo magnético da Terra é como o campo magnético de um gigantesco ímã em forma 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. Já campo magnético da Terra atravessa desde o Pólo Sul até o Pólo Norte do planeta, que nos protege do constante bombardeamento de partículas carregadas provenientes da coroa solar, o campo magnético deflete as partículas em torno da Terra, protegendo-a. Mas é importante lembrar que o Pólo Norte Magnético da Terra tem uma inclinação de 11,5° em relação ao Pólo Norte Geográfico. Existe pelo menos outro fato interessante em relação ao campo magnético terrestre: este inverte periodicamente a sua polaridade. Ou seja, os pólos magnéticos não coincidem com os pólos geográficos. É o que mostra a primeira figura abaixo. Lembremos também que o Pólo Norte Geográfico também é inclinado em relação à linha perpendicular ao plano da órbita da Terra.

Uma das teorias mais aceitas a respeito da origem do campo magnético da Terra é a de que o nosso planeta possui um núcleo externo líquido constituído por ferro e níquel que se encontra em movimento. O movimento destes metais fundidos origina um campo elétrico no interior do núcleo que por sua vez origina o campo magnético terrestre. 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.

Estrutura e interna da Terra

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.

O vento solar e a Magnetosfera

Variações do campo magnético

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 pólos magnéticos no norte do Canadá e sul da Austrália, e em parte da Sibéria.

Magnetômetros detectaram desvios diminutos no campo magnético da Terra causados por artefatos de ferro, fornos para queima de argila e tijolos, alguns tipos de estruturas de pedra, e até mesmo valas e sambaquis em pesquisa geofísica. Usando instrumentos magnéticos adaptados a partir de dispositivos de uso aéreo desenvolvidos durante a Segunda Guerra Mundial para detectar submarinos, as variações magnéticas através do fundo do oceano foram mapeadas. O basalto - rocha vulcânica rica em ferro que compõe o fundo do oceano - contém um forte mineral magnético (magnetita) e pode distorcer a leitura de uma bússola. A distorção foi percebida por marinheiros islandeses no início do século XVIII. Como a presença da magnetita dá ao basalto propriedades magnéticas mensuráveis, estas variações magnéticas forneceram novos meios para o estudo do fundo do oceano. Quando novas rochas formadas resfriam, tais materiais magnéticos gravam o campo magnético da Terra no tempo.

Em Outubro de 2003, a magnetosfera da Terra foi atingida por uma chama solar que causou uma breve, mas intensa tempestade geomagnética, provocando a ocorrência de Aurora boreal|auroras boreais.

Reversões do campo magnético

O campo magnético da Terra é revertido em intervalos que variam entre dezenas de milhares de anos a alguns milhões de anos, com um intervalo médio de aproximadamente 250.000 anos. Acredita-se que a última ocorreu 780.000 anos atrás, referida como a reversão Brunhes-Matuyama.

O mecanismo responsável pelas reversões magnéticas não é bem compreendido. Alguns cientistas produziram modelos para o centro da Terra, onde o campo magnético é apenas quase-estável e os pólos podem migrar espontaneamente de uma orientação para outra durante o curso de algumas centenas a alguns milhares de anos. Outros cientistas propuseram que primeiro o geodínamo pára, espontaneamente ou através da ação de algum agente externo, como o impacto de um cometa, e então reinicia com o pólo norte apontando para o norte ou para o sul. Quando o norte reaparece na direção oposta, interpretamos isso como uma reversão, enquanto parar e retornar na mesma direção é chamado excursão geomagnética.

A intensidade do campo geomagnético foi medida pela primeira vez por Carl Friedrich Gauss em 1835 e foi medida repetidamente desde então, sendo observado um decaimento exponencial com uma meia-vida de 1400 anos, o que corresponde a um decaimento de 10 a 15% durante os últimos 150 anos.

O valor de campo magnético natural não perturbado é normalmente, no Brasil, de 23.615 nT.

Referências bibliográficas:

http://www.quimica.com.br/quimica/index.php?sessao=reportagem&id=110&pagina=3 http://www.nutsteel.com.br/informacoes_tecnicas/atmosferas_explosivas_pos.pdf http://zonaderisco.blogspot.com.br/2011/10/po-um-perigo-mortal.html

http://pt.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico_terrestre

http://terraquegira.blogspot.com.br/2007/06/campo-magntico-terrestre.html

http://www.infoescola.com/fisica/campo-magnetico-da-terra/

Apresentação

A atividade prática supervisionada (ATPS) é um método de ensino-aprendizagem desenvolvido por um meio de um conjunto de atividades programadas afim de Promover a aplicação da teoria e conceitos para a solução de problemas relativos à profissão.

Este trabalho tem como objetivo, investigar o que pode ocasionar a explosão de uma fábrica na área de indústria alimentícia e promover medidas de segurança do empreendimento em relação aos fenômenos elétricos e magnéticos, comparada com o estudo de caso de uma fábrica de chocolate “O mistério do chocolate em pó”. Explosões provocadas por descargas elétricas (centelhas) constituem um sério perigo nas indústrias com pós muito finos. Uma dessas explosões aconteceu em uma fabrica de biscoitos na década de 1970. Os operários costumavam esvaziar os sacos de chocolate em pó que chegavam à fabrica em uma bandeja, na qual o material era transportado através de canos de plástico até o silo onde era armazenado. No meio desse percurso duas condições para que uma explosão ocorresse foram satisfeitas: (1° condição) o módulo do campo elétrico ultrapassou 3,0 x 106 N/C, produzindo uma ruptura dielétrica do ar; (2° condição) a energia da centelha resultante ultrapassou 150 mJ, fazendo com que o pó explodisse.

Como parte também da investigação da explosão ocorrida na fábrica de biscoitos, o potencial elétrico dos operários foi medido enquanto esvaziavam sacos de chocolate em pó

em uma bandeja, produzindo uma nuvem de pó de chocolate. ”

Figura 1:

Disponível em:<www.processos.eng.br/Portugues/PDFs/explosoesI.pdf>.

Objetivo do desafio

O objetivo do trabalho é promover medidas de segurança quanto aos fenômenos elétricos e magnéticos numa fábrica na área de indústria alimentícia. O desafio é importante para que possamos adquirir uma sólida base conceitual dos fatores necessários para a elaboração de projetos e nos capacitando a aplicar a teoria estudada em sala de aula.

Desafio

Pesquisar em livros da área, revistas e jornais, ou sites da internet, notícias que envolvem

explosões de fábricas que têm produtos que geram ou são a base de pó.

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.

ETAPA 01

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 e a que distância do eixo do cano esse campo máximo ocorre para Q = 1,1 x 10⁻³ C/m3 (um valor típico).

V=π×r2×h

V=π×0,052×0,05

V=3,927×10-4cm3

∂=1,1×10-33,927×10-4=>2,80 Kg/cm3

∂×π×r2×LEo=E×2×π×r×L

2,48×109=E×3,14×10-1

E=2,48×1093,14×10-1=>7,91×109C

E=7,91 GC

O campo elétrico dentro do cano varia linearmente com a distância r, quando r aumenta o campo elétrico diminui.

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?

R= Sim haverá a produção de uma centelha. O valor calculado mostra que ocorrerá uma ruptura dielétrica e como o pó esta carregada negativamente e passando por um cano cilíndrico, ou seja, a carga é negativa no núcleo.

ETAPA 02

PASSO 1 (Equipe)

Determinar uma expressão para o potencial elétrico em função da distancia r a partir do eixo do cano. (O potencial é zero na parede do cano, que está ligado a terra).

V=(K.Q)/R

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, Q = 1,1 x 10⁻³ C/m3.

V eixo = -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

V parede=0

DV= V eixo –V parede→-1,55.105-0= -1,55.105JC

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.

C = Q/█(V @) → Q = C.V

Q = 200×10-12×7,0×103

Q = 1,4×10-6C

Q = 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?

Resp.: 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

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 Q = 1,1 x 10-3 C/m3

Resolução:

I = Q/∆t ∆t=d/v

∆t=(5x〖10〗^(-2))/2

∆t=2.5x〖10〗^(-2)s

i = ( 1.1 x 〖10〗^(-3))/(2.5x〖10〗^(-2) ) i =〖 4.4 x 10〗^(-2) 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.

P= U.i→P=-1,55.105 . 1,7.10-5=2,64W

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).

E=P. ∆t →2,64 . 0,20=0,53 J

Passo 4 (Equipe)

O campo magnético da Terra é como o campo magnético de um gigantesco ímã em forma 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. Já campo magnético da Terra atravessa desde o Pólo Sul até o Pólo Norte do planeta, que nos protege do constante bombardeamento de partículas carregadas provenientes da coroa solar, o campo magnético deflete as partículas em torno da Terra, protegendo-a. Mas é importante lembrar que o Pólo Norte Magnético da Terra tem uma inclinação de 11,5° em relação ao Pólo Norte Geográfico. Existe pelo menos outro fato interessante em relação ao campo magnético terrestre: este inverte periodicamente a sua polaridade. Ou seja, os pólos magnéticos não coincidem com os pólos geográficos. É o que mostra a primeira figura abaixo. Lembremos também que o Pólo Norte Geográfico também é inclinado em relação à linha perpendicular ao plano da órbita da Terra.

Uma das teorias mais aceitas a respeito da origem do campo magnético da Terra é a de que o nosso planeta possui um núcleo externo líquido constituído por ferro e níquel que se encontra em movimento. O movimento destes metais fundidos origina um campo elétrico no interior do núcleo que por sua vez origina o campo magnético terrestre. 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.

Estrutura e interna da Terra

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.

O vento solar e a Magnetosfera

Variações do campo magnético

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 pólos magnéticos no norte do Canadá e sul da Austrália, e em parte da Sibéria.

Magnetômetros detectaram desvios diminutos no campo magnético da Terra causados por artefatos de ferro, fornos para queima de argila e tijolos, alguns tipos de estruturas de pedra, e até mesmo valas e sambaquis em pesquisa geofísica. Usando instrumentos magnéticos adaptados a partir de dispositivos de uso aéreo desenvolvidos durante a Segunda Guerra Mundial para detectar submarinos, as variações magnéticas através do fundo do oceano foram mapeadas. O basalto - rocha vulcânica rica em ferro que compõe o fundo do oceano - contém um forte mineral magnético (magnetita) e pode distorcer a leitura de uma bússola. A distorção foi percebida por marinheiros islandeses no início do século XVIII. Como a presença da magnetita dá ao basalto propriedades magnéticas mensuráveis, estas variações magnéticas forneceram novos meios para o estudo do fundo do oceano. Quando novas rochas formadas resfriam, tais materiais magnéticos gravam o campo magnético da Terra no tempo.

Em Outubro de 2003, a magnetosfera da Terra foi atingida por uma chama solar que causou uma breve, mas intensa tempestade geomagnética, provocando a ocorrência de Aurora boreal|auroras boreais.

Reversões do campo magnético

O campo magnético da Terra é revertido em intervalos que variam entre dezenas de milhares de anos a alguns milhões de anos, com um intervalo médio de aproximadamente 250.000 anos. Acredita-se que a última ocorreu 780.000 anos atrás, referida como a reversão Brunhes-Matuyama.

O mecanismo responsável pelas reversões magnéticas não é bem compreendido. Alguns cientistas produziram modelos para o centro da Terra, onde o campo magnético é apenas quase-estável e os pólos podem migrar espontaneamente de uma orientação para outra durante o curso de algumas centenas a alguns milhares de anos. Outros cientistas propuseram que primeiro o geodínamo pára, espontaneamente ou através da ação de algum agente externo, como o impacto de um cometa, e então reinicia com o pólo norte apontando para o norte ou para o sul. Quando o norte reaparece na direção oposta, interpretamos isso como uma reversão, enquanto parar e retornar na mesma direção é chamado excursão geomagnética.

A intensidade do campo geomagnético foi medida pela primeira vez por Carl Friedrich Gauss em 1835 e foi medida repetidamente desde então, sendo observado um decaimento exponencial com uma meia-vida de 1400 anos, o que corresponde a um decaimento de 10 a 15% durante os últimos 150 anos.

O valor de campo magnético natural não perturbado é normalmente, no Brasil, de 23.615 nT.

Referências bibliográficas:

http://www.quimica.com.br/quimica/index.php?sessao=reportagem&id=110&pagina=3 http://www.nutsteel.com.br/informacoes_tecnicas/atmosferas_explosivas_pos.pdf http://zonaderisco.blogspot.com.br/2011/10/po-um-perigo-mortal.html

http://pt.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico_terrestre

http://terraquegira.blogspot.com.br/2007/06/campo-magntico-terrestre.html

http://www.infoescola.com/fisica/campo-magnetico-da-terra