ATPS de Fisica. Campo elétrico. Lei de Gauss

ETAPA 1

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:

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.

Todos os anos, dezenas de pessoas morrem em explosões acidentais, causadas por material composto de partículas que, em mistura com o ar, podem queimar rapidamente - e com efeitos dramáticos. Materiais que, em geral, não se imagina que podem explodir: farinha de trigo, açúcar, fibras de algodão... Apesar dos efeitos deletérios dessas explosões, é interessante entender como esses acidentes podem ocorrer - inclusive para evitá-los.

O que é uma explosão?

Antes de discutir como um pó pode explodir vale lembrar que uma explosão não é necessariamente uma combustão, mas qualquer processo que gere um volume de gases relativamente grande em um espaço limitado e em um curto intervalo de tempo.

Por causa da quantidade de gás e da rapidez, a pressão gerada traduz-se em uma onda de choque. A velocidade de propagação da onda de choque é o que diferencia uma combustão simples de uma deflagração (quando a chama se propaga em uma velocidade inferior à do som) e de uma detonação (quando a chama se propaga a uma velocidade superior à do som).

Explosivos que deflagram (como a pólvora) não são capazes de causar grande estrago, a não ser quando confinados; já os que detonam (como o TNT), geram gases tão rápido que são perigosos mesmo quando em espaços abertos.

Curiosamente, a energia contida nos materiais explosivos não influencia diretamente a força da explosão: o que importa mesmo é a velocidade do processo.

A energia liberada em algumas explosões é menor que a contida em muitos combustíveis. Veja só: a queima de 100 g de pólvora gera mais ou menos 57 g de sólidos e 43 g de gases a cerca de 1000oC, ou seja, um volume de cerca de 150 L de gás, em um tempo da ordem de 50 milissegundos. No entanto, a energia liberada é de 275 kJ.

Em comparação, a mesma quantidade de algodão e ar libera três vezes mais energia, porém a uma velocidade muito mais baixa.

Do que depende a velocidade de combustão?

Combustões são reações complexas que levam a diferentes misturas de produtos, dependendo das proporções entre reagentes e condições de reação. No entanto, ainda valem os conhecidos "fatores que afetam velocidades de reação", como condições do reagente (por exemplo, se está seco ou ligeiramente úmido), temperatura, a concentração e a área de contato.

Quanto maior a área de contato, maior é a facilidade de combustão. E é aí que se explica como um pó pode queimar tão rápido a ponto de explodir: a área de contato das partículas com o ar pode ser muito grande, dependendo de quão pequenas sejam as partículas.

Pós são materiais formadospor partículas de meio milímetro (500 μm) ou menos. Enquanto um bloco de madeira de 1 cm, por exemplo, apresenta uma área de 6 cm2, o mesmo bloco reduzido a pó apresenta mais de 120 cm2 de área!

Já aconteceram explosões por causa de poeira acumulada em sistemas de exaustão de indústrias que trabalham com material sólido combustível, como madeira, farinha, açúcar, tecidos, etc., além das funestas explosões em minas de carvão (em que há também hidrocarbonetos).

Geralmente, 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.

No entanto, a explosão inicial só ocorre se houver pó disperso e se houver uma fonte inicial de combustão, de forma que não é difícil prevenir acidentes.

*Júlio C. de Carvalho é engenheiro químico e professor do curso de Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia da UFPR.

Indústria

Às vésperas do lançamento do novo iPad, a emissora de rádio americana NPR publicou reportagem com 25 dos 59 trabalhadores feridos em uma explosão ocorrida na linha de montagem do tablet na fábrica da empresa taiwanesa Pegatron em Xangai, na China. Os operários criticaram as condições de segurança das fábricas que montam iPhones e iPads e disseram que representantes da própria Apple haviam vistoriado o local horas antes do acidente.

Os feridos ainda estão em tratamento. Muitos sofreram queimaduras graves no rosto. Na ocasião, a Apple disse que a explosão fora provocada por acúmulo de poeira – o processo de polimento dos produtos gera partículas de alumínio. Explosões de pó não são incomuns: segundo a Administração de Segurança e Saúde Ocupacional dos Estados Unidos, uma média de 15 explosões de pó por ano aconteceu entre 1980 e 2010 no território americano.

Segundo os trabalhadores, eles não haviam sido informados de que tal ocorrência poderia acontecer: "Quando chegamos lá, eles nunca disseram que isso poderia explodir", disse Zhang Qing, que trabalhou na linha de montagem, à NPR.

Acidentes – Duas fábricas que montam produtos da Apple foram palco de explosões que mataram e feriram trabalhadores em 2011. Uma delas fica na cidade de Chengdu, em uma unidade da companhia taiwanesa Foxconn. A segunda explosão é justamente a ocorrida na fábrica da Pegatron.

Passo2:

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 p. O campo elétrico E apontapara o eixo do cilindro ou para longe do eixo? Justificar.

R: Porque está bem carregado negativamente, em torno do campo e aponta para o centro.

Passo3:

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