Fisica III: Potencial Elétrico. Capacitância

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.

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

Volume cano=π×r2×h

V=π×0,052×0,05

V=3,927×10-4cm3

OBS: Foi considerado para a altura o mesmo valor do raio, pois o valor do mesmo não foi mencionado no exercício.

∂=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

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?

Resp.: Sim, haverá a produção de uma centelha, pois apesar do ar ser isolante os valores encontrados para o campo elétrico são valores elevados. A centelha será produzida na parte interna 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).

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.

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= -1,55.105JC

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=QV

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

_ 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

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 carga

A = 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