Fisíca Das Particulas

ATIVIDADES PRÁTICAS

SUPERVISIONADAS

Engenharia Elétrica

4

a

Série

Física III

A atividade prática supervisionada (ATPS) é um procedimento metodológico

de ensino-aprendizagem desenvolvido por meio de um conjunto de etapas

programadas e supervisionadas e que tem por objetivos:

Favorecer a aprendizagem.

Estimular a corresponsabilidade do aluno pelo aprendizado eficiente e

eficaz.

Promover o estudo, a convivência e o trabalho em grupo.

Desenvolver os estudos independentes, sistemáticos e o autoaprendizado.

Oferecer diferentes ambientes de aprendizagem.

Auxiliar no desenvolvimento das competências requeridas pelas Diretrizes

Curriculares Nacionais dos Cursos de Graduação.

Promover a aplicação da teoria e conceitos para a solução de problemas

práticos relativos à profissão.

Direcionar o estudante para a busca do raciocínio crítico e a emancipação

intelectual.

Para atingir esses objetivos a ATPS propõe um desafio e indica os passos a

serem percorridos ao longo do semestre para a sua solução.

A sua participação nessa proposta é essencial para que adquira as

competências e habilidades requeridas na sua atuação profissional.

Aproveite essa oportunidade de estudar e aprender com desafios da vida

profissional.

AUTORIA:

Neilo Marcos Trindade

.

Engenharia Elétrica - 4a Série - Física III

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COMPETÊNCIAS E HABILIDADES

Ao concluir as etapas propostas neste desafio, você terá desenvolvido as competências

e habilidades que constam nas Diretrizes Curriculares Nacionais descritas a seguir.

Identificar, formular e resolver problemas de Engenharia.

Desenvolver e/ou utilizar novas ferramentas e técnicas.

Comunicar-se eficientemente nas formas escrita, oral e gráfica.

Avaliar o impacto das atividades de engenharia no contexto social e ambiental.

Produção Acadêmica

• Relatório sobre Medidas de Segurança em uma Fábrica quanto a fenômenos

eletromagnéticos.

Participação

Essa atividade será, em parte, desenvolvida individualmente pelo aluno e, em parte,

pelo grupo. Para tanto, os alunos deverão:

• organizar-se, previamente, em equipes de participantes a ser definida pelo

professor; entregar seus nomes, RAs e e-mails ao professor da disciplina e observar,

no decorrer das etapas, as indicações: Aluno e Equipe.

Padronização

O material escrito solicitado nessa atividade deve ser produzido de acordo com as

normas da ABNT1, com o seguinte padrão:

• em papel branco, formato A4;

• com margens esquerda e superior de 3cm, direita e inferior de 2cm;

• fonte Times New Roman tamanho 12, cor preta;

• espaçamento de 1,5 entre linhas;

• se houver citações com mais de três linhas, devem ser em fonte tamanho 10, com

um recuo de 4cm da margem esquerda e espaçamento simples entre linhas;

• com capa, contendo:

• nome de sua Unidade de Ensino, Curso e Disciplina;

• nome e RA de cada participante;

• título da atividade;

• nome do professor da disciplina;

• cidade e data da entrega, apresentação ou publicação.

DESAFIO

“Farinha, malte, café instantâneo, açúcar e leite em pó têm sido a causa de muitas

explosões na indústria alimentícia em anos recentes. As estatísticas mostram que mais de

30% das explosões, envolvendo pós ocorreram na indústria alimentícia e de ração animal.

Além de danos físicos e fatalidades, essas explosões acabam por causar interrupção de

1

Consultar o Manual para Elaboração de Trabalhos Acadêmicos. Unianhanguera. Disponível em:

<http://www.unianhanguera.edu.br/anhanguera/bibliotecas/normas_bibliograficas/index.html>. Engenharia Elétrica - 4a Série - Física III

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negócios e perdas financeiras. Dependendo da severidade do incidente, o tempo de parada e

as perdas de produção podem se estender de semanas até meses. Pagamento de

indenizações, tempo necessário para conduzir uma investigação, fazer mudanças na planta

existente e reprojetar, adquirir e comissionar novas instalações acaba sendo o resultado de

lições aprendidas tardiamente. Em alguns casos a planta poderá estar totalmente

condenada.”

Fonte: Explosões. Disponível em:<www.processos.eng.br/Portugues/PDFs/explosoesI.pdf>. Acesso em 10

abril 2012.

Figura 1 – Caso de uma planta após a explosão

Fonte: Explosões. Disponível em:<www.processos.eng.br/Portugues/PDFs/explosoesI.pdf>. Acesso em 10

abril 2012.

O desafio é 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 que é relatado por meio do seu Livro-texto e está relatado abaixo.

“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. ”

Fonte: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert. Física II. 1a

ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e

Científicos, 2009.

Objetivo do desafio

O desafio é promover medidas de segurança quanto aos fenômenos elétricos e

magnéticos numa fábrica na área de indústria alimentícia, comparada com o estudo de caso Engenharia Elétrica - 4a Série - Física III

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acima, de acordo com as informações dadas em cada etapa. Este desafio é importante para

que o aluno adquira uma sólida base conceitual dos fatores necessários para a elaboração de

projeto, capacitando o aluno a aplicar a teoria estudada em sala de aula para o

desenvolvimento de projetos.

ETAPA 1 (tempo para realização: 05 horas)

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 ρ

. O campo elétrico E aponta

para o eixo do cilindro ou para longe do eixo? Justificar.

Passo 3 (Equipe) Engenharia Elétrica - 4a Série - Física III

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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 ρ = 1,1 x 10-3 C/m3 (um valor típico).

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?

ETAPA 2 (tempo para realização: 05 horas)

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).

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, ρ = 1,1 x 10-3 C/m3.

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.

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? Engenharia Elétrica - 4a Série - Física III

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ETAPA 3 (tempo para realização: 05 horas)

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.

PASSOS

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 ρ = 1,1 x 10-3 C/m3

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.

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).

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.

ETAPA 4 (tempo para realização: 05 horas)

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. Engenharia Elétrica - 4a Série - Física III

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PASSOS

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.

Sites sugeridos para pesquisa

• O campo magnético da Terra. Disponível em:

<https://docs.google.com/file/d/0Bx50NPmVz1UwLWptYXV2NDdRT2c/edit>.

Acesso em: 20 abr. 2012.

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.

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.

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.

Livro-texto da disciplina:

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert. Física II. 1a ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos

e Científicos, 2009.