Curso de electrónica - parte 16 Princípios de transmissão

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I – Onda electromagnética
Como o próprio nome sugere, a onda electromagnética nada mais é que um campo elétrico e magnético que se propaga no espaço. Sabemos que a corrente elétrica, ao percorrer um condutor, forma ao redor dele um campo magnético, cujas linhas de força são concêntricas com o eixo do condutor. Se a corrente for variável, o campo também será e, se colocarmos um outro condutor na região ativa do campo, nele se induzirá uma corrente com as mesmas variações que a corrente produtora do campo. À região onde ocorrem fenômenos elétricos e magnéticos chamamos campo electromagnético. Se tivéssemos exclusivamente carga elétrica, em volta dela existiria só campo elétrico. Se tivéssemos somente carga magnética (imã), ao redor dela existiria só campo magnético. Como temos um campo elétrico variável, devido ao movimento das cargas elétricas no interior do condutor, surge um campo magnético também variável. Há, portanto, duas relações fundamentais entre campo elétrico e magnético, que são:
1º A variação do campo elétrico corresponde à existência do campo magnético.
2º A variação do campo magnético corresponde à existência do campo elétrico.
Essas duas relações vinculam (prendem) um campo ao outro, ou seja, a existência de um campo elétrico variável implica na existência de um campo magnético, e vice-versa.

a) Formação da onda electromagnética
A formação da onda electromagnética, ou seja, da propagação do campo electromagnético, é um fenômeno bastante complicado. Entretanto, vamos descrevê-lo de maneira breve, simplificando ao máximo as explicações, apenas para que se tenha qualitativa do fenômeno. Para isso, suponhamos um condutor retilíneo percorrido por uma corrente variável de alta freqüência. Sabemos que, num plano perpendicular cortando esse condutor, aparecerá um campo magnético, cujas linhas de força são concêntricas com o condutor, como mostramos na figura 1, em tracejado. A existência desse campo magnético num ponto muito próximo do condutor faz aparecer agora, um campo elétrico, situado num plano perpendicular ao magnético, como indicamos na figura 1, em traços cheios. O campo elétrico em O1, sendo igual ao de O e de sinal contrário, anula-o, aparecendo outro em O2, que depois será anulado pelo de O3, e assim por diante. Deste modo, os campos elétricos e magnéticos produzidos em O propagam-se no espaço, mutuamente entrelaçados. A esse fenômeno dá-se o nome de onda electromagnética. A velocidade de propagação da onda electromagnética é igual à da luz ou seja, cerca de 300.000 quilômetros por segundo, em todas as direções.



b) Intensidade do campo electromagnético
Há medida que a onda electromagnética se distancia do ponto de origem, vai se enfraquecendo em virtude das perdas que sofre devido à densidade do meio de propagação. Geralmente, os corpos bons condutores de electricidade refletem a onda sem absorvê-la e os maus condutores a absorvem, refletindo-a muito pouco. Isso tem grande influencia na propagação das ondas de radia, que são electromagnéticas, como mostraremos logo mais. A intensidade do campo magnético em um ponto do espaço é medida em volts por metro de altura. Adota-se como referencia de medida a superfície da terra. Assim, pode-se medir a intensidade do campo electromagnético, colocando-se uma placa metálica à distancia de um metro do solo e lendo-se a tensão (diferença de potencial) entre essa placa e o solo. Como essas tensões são geralmente pequenas, costumam ser dadas em microvolts (μV/m) por metro.

II – Ondas de radia
A energia que um transmissor de rádio aplica ao elemento irradiador, que é a antena, estabelece, em volta da mesma, um campo electromagnético variável. Este se desloca no espaço (antigamente chamado de éter) com velocidade muito grande,ou seja, aproximadamente 300.000 Km/s, que corresponde à velocidade da luz. Essa velocidade é tão grande que uma onda de rádio daria sete voltas e meia à terra, em 1 segundo. Sendo constantes a velocidade de propagação da onda, podemos deduzir as duas características fundamentais, que são: frequência e o comprimento da onda. Na lição “Parte 6” falamos ondas assim como na lição “Parte 1 - Introdução ao rádio”. Para calcular a velocidade de uma onda, dividimos o espaço que ela percorre, pelo tempo empregado em percorrê-lo. . particularmente, podem-se considerar o espaço como comprimento de onda. Sabe-se que, neste caso, o tempo corresponderá a um período; portanto, v = λ / T, onde v representa a velocidade, λ (lâmbda) o comprimento de onda e T, o período. É o inverso da freqüência, podemos escrever: v = λ . f, que é a igualdade que relaciona velocidade, comprimento de onda e freqüência. Mas, no caso das ondas electromagnéticas, v é a velocidade da luz. Logo, podemos escrever: λ.f=300.000.000 m/s. Desta expressão, resulta: que dará o comprimento de onda em metros, se f for contado em Hertz e que dará f em Hertz, se o λ for considerado em metros. Por exemplo, vamos calcular o comprimento de onda de uma emissora que opera na freqüência de 1 MHz. Teremos: = 300 m. Outro exemplo, vamos determinar a freqüência de uma emissora de onda curta, que opera em 25 metros. Teremos: = 12.000.000 Hz ou 12 MHz. Certamente, você já está muito acostumado a ouvir o locutor do rádio a falar na freqüência e o comprimento de onda de sua estação de rádio. Essas características identificam a estação, e facilitam ao usuário a sua localização sobre uma escala graduada, que chamamos de “dial”. As freqüências das estações de rádio e, conseqüentemente, os comprimentos de onda, se estendem por uma escala bem ampla, indo desde 3 KHz até 30 GHz, divididas em 7 faixas denominadas da forma como indicamos na lição “Operador de rádio amador - arte 1” na página 2, e que passamos a exibir aqui novamente e em língua portuguesa.



a) Propagação das ondas de rádio
1) A atmosfera terrestre
Para entender a maneira como se propagam as ondas de rádio, precisamos ter uma idéia clara da forma da atmosfera, ou seja, da massa gasosa que envolve nosso planeta. O ar é composto de oxigênio, hidrogênio, nitrogênio e os chamados gases nobres, como argônio, criptônio, xenônio, etc., sendo que os três inicialmente citados se encontram em muito maior proporção que os demais. Alem disso, a distribuição do ar não é uniforme, pois na superfície da Terra o ar é mais denso que nas grandes altitudes, onde há uma distribuição dos gases em camadas. As camadas mais leves se distribuem em maiores altitudes. O aluno pode assemelhar a Terra a uma bola rodeada de várias “cascas”, cada qual desempenhando papel diferente na propagação das ondas, como mostraremos logo mais. O limite da atmosfera está fixado em cerca de 1000 Km. Na prática, chama-se de troposfera a camada mais baixa, ou seja, compreendida entre a superfície da Terra e até cerva de 15 Km de altitude e ionosfera, a camada que vai do limite da superfície da troposfera até cerca de 1000 Km. A partir daí não há mais ar. A ionosfera está subdividida em 3 camadas, por nós denominadas D, E, e F, cujos limites aproximados podem ser vistas na figura 2. o nome de ionosfera que se dá à camada que sucede a troposfera é devido ao fato de que nele o ar sofre influencia de vários fatores, principalmente dos raios cósmicos e raios solares, ionizando-se, isto é, certos átomos dos gases perdem elétrons , que se transformam em elétrons livres, tornando-se íons positivos. É importante observar que essas camadas não são fixas. A camada D, por exemplo, sé existe durante o dia. A camada F se subdivide em duas, durante o dia. Não existe, portanto, um limite bem estabelecido para as camadas. Além disso, a espessura das camadas e sua condutividade variam durante as 24 horas do dia, e também durante o ano, devido à atividade ionizadora dos raios solares, à tempestade magnética, causada por erupção de elétrons do Sol, à presença de meteoros que entram na atmosfera, etc., influenciando a propagação das ondas de radia.



2) Perda das energias das ondas de rádio
Quando uma onda de rádio sai da antena do transmissor, ela tem a máxima energia. Essa onda se propaga em todas as direções e a sua energia vai diminuindo à medida que se afasta do transmissor. Além disso, a energia é também absorvida pelos obstáculos que se encontram no caminho da onda. As ondas que propagam na superfície terrestre são absorvidas pelas montanhas, florestas, linhas de transmissão de energia elétrica, etc. É interessante observar que se a absorção é menor, conseqüentemente, o alcance da onda é maior. É o que acontece, por exemplo, quando a onda tem a mesma direção que uma linha de transmissão ou trilhos de uma estrada de ferro. O contrário acontece, quando a direção da onda é perpendicular à superfície boa condutora ou paralela à superfície ma condutora. As camadas ionizadas da atmosfera absorvem energia, em virtude de serem semicondutoras. Nessas camadas, a onda de rádio pode sofrer reflexão ou refração.
Reflexão: Num meio homogêneo, isto é, que tem as mesmas propriedades físicas em todos os seus pontos, a onde de rádio se propaga em linha reta. Entretanto, quando ela atinge a superfície de separação de dois meios diferentes, ela sofre uma reflexão e uma refração. Estes fenômenos ocorrem quando as ondas atravessam as diversas camadas da ionosfera. A reflexão consiste na volta da onda, fazendo um certo ângulo com a superfície de separação dos dois meios (camadas). É o que mostramos na figura 3.




Refração: A refração consiste na penetração da onda no meio de propriedade diferente, o que se dá com mudança de direção. Na figura 4, ilustramos a refração.



Esses fenómenos são facilmente observados na propagação das ondas de luz, que são também ondas electromagnéticas semelhante às de rádio. De fato, a reflexão dos raios luminosos pode ser observada no espelho, com muita facilidade. Quanto à refração podemos vê-la na água. Para finalizar, acrescentamos que a onda de rádio, quando atingir um meio condutor, será parcialmente absorvida e refletida. Quando atingir um dielétrico ou um mau condutor, será absorvida, refletida e refratada.
Difração: Outro fenômeno que acontece com as ondas de rádio é o da difração, que consiste na mudança de direção da onda, para contornar obstáculos que estejam em seu percurso. Na figura 5, ilustramos a difração das ondas de rádio quando atingem uma montanha. Como a onda não segue exatamente o contorno do obstáculo, atrás dele haverá uma zona de silencio para essa onda, ou seja, zona onde a recepção é nula ou quase nula. Essa capacidade de contornar os obstáculos depende do comprimento da onda e, quanto maior for ela, mais facilmente ela atingirá o outro lado.


José António Flor de Sousa

3) Ondas terrestres e celestes
As ondas que se propagam na superfície da Terra são chamadas de ondas terrestres. Como mostramos, essas ondas são absorvidas pelos obstáculos que se encontram em seu percurso e particularmente pela terra, que é um bom meio condutor. Essas ondas são irradiadas horizontalmente. As ondas que são irradiadas, fazendo ângulo com a superfície terrestre, ou seja, dirigidas para o céu, são denominadas de ondas celestes. As ondas celestes atravessam a troposfera e atingem as camadas ionizadas da ionosfera. Nessas camadas elevadas vão sofrendo refrações e reflexões sucessivas e, devido à mudança de meios condutores, encurvam-se e voltam para a Terra. Na figura 6, mostramos ondas com freqüências distintas. A onda (1) é refletida pela camada E e volta para a Terra no ponto A. finalmente, a onda (3) é de freqüência muito mais alta (e/ou inclinação mais acentuada), de modo que penetra na camada F e se perde no espaço interplanetário. Como já foi afirmado, a posição das camadas não é fixa, ou seja, elas mudam de altitude freqüentemente. Além disso, a ionização, que depende grandemente dos raios solares, é diferente em cada época do ano. Isto explica a variação considerável da intensidade do sinal de uma emissora, durante o dia e à noite e, também, em determinada época do ano. Em outras palavras, freqüentemente uma emissora que, durante o dia, chega muito mal, é bem recebida à noite. Por outro lado, em certas épocas do ano, essa emissora chega mal, inclusive à noite. Outro efeito que se verifica devido à propagação irregular das ondas é o chamado “fading” ou desvanecimento. Já observou, principalmente na recepção de emissoras distantes, que há uma flutuação na intensidade do sinal, que, às vezes, desaparece completamente, retornando logo após. É o chamado “fading”. A causa do “fading” é a chegada, ao receptor, de diversas ondas emitidas pelo mesmo transmissor, mas que percorreram caminhos diferentes. Devido às constantes modificações das camadas da ionosfera, há variações na distancia do percurso das ondas celestes até ao receptor. Essas ondas chegam atrasadas em relação às ondas terrestres. Há, portanto, variação de fase. Quando as fases coincidem, as ondas se somam e o sinal torna-se mais intenso. Se as fases são opostas, as ondas se subtraem, podendo anular-se.



b) As faixas de onda
na tabela 1, apresentamos a divisão, em 7 faixas, do espetro electromagnético das ondas de rádio. Entretanto, as ondas utilizadas nas emissões de rádio não correspondem integralmente a uma faixa; por isso, daremos em seguida os limites adotados para serviços de radiodifusão, e as características de propagação de cada faixa.
1) Ondas longas
São ondas cuja freqüência está entre 30 e 300 KHz. Essa faixa não é utilizada no Brasil para o serviço de radiodifusão comercial, embora o sejam na Europa. As ondas terrestres acompanham a curvatura da Terra com facilidade, em razão da baixa freqüência. Entretanto, como as ondas terrestres são muito absorvidas, os transmissores necessitam de potencia elevada, para cobrir grandes distancias. O efeito do “fading” não afeta muito a recepção. A recepção durante a noite é melhor que durante o dia, devido ao menor efeito ionizante do sol.
2) Ondas médias
As ondas médias vão de cerca de 500 a 1600 KHz, ou mais precisamente, 535 KHz a 1605 KHz (valores fixados na Conferencia Internacional de Telecomunicações, em 1947 nos EUA). São universalmente usadas no serviço de radiodifusão. As ondas terrestres são absorvidas fortemente pela Terra, o que exige também transmissores de elevada potencia, para cobrir distâncias longas. As ondas celestes são absorvidas, quase que totalmente pela ionosfera, durante o dia. Durante a noite, devido à menor ação do Sol, há reflexão das ondas celestes, e a propagação melhora bastante. É por este motivo que muitas emissoras, à noite, diminuem a potência de seus emissores, pois assim evitam a interferência com radiodifusão que possuem freqüência igual ou muito próxima. À noite, devido à reflexão das ondas celestes, a recepção é muito afetada pelo “fading”. As transmissões de ondas médias são afetadas pela forte interferência, provocada pelas descargas atmosféricas (raios), principalmente no verão.

3) Ondas intermediárias e curtas
As ondas desta faixa vão de cerca de 10 a 100 metros. Suas ondas terrestres são fortemente absorvidas pela terra e obstáculos; por isso, têm alcance reduzido. Entretanto, as ondas celestes têm grande alcance. As ondas de 10 a 25 metros usam-se para comunicações diurnas, porque são pouco absorvidas pela camada E. À noite, essas ondas são refletidas pela camada E, e devido à diminuição da ionização, de modo que não são boas para comunicação a longa distância. Para comunicação a longa distancia são utilizadas as ondas de 25 a 70 metros, tanto no período diurno como no noturno. As ondas curtas sofrem menor interferência que os outros tipos de onda e, quanto menor o comprimento de onda, menor será também a interferência. A grande vantagem das ondas curtas é que elas atingem distancias muito grandes com transmissores de pequena potência. Uma desvantagem da onda curta é que, em virtude do pequeno alcance das ondas terrestres e do ângulo de incidência das ondas celestes, por causa da direcionalidade de transmissão, forma-se uma “zona de silencio” que, às vezes, se estende a centenas de quilômetros, dependendo da potência do transmissor. Na figura 7, ilustramos a formação da zona de silêncio. Dentro da faixa de ondas intermediarias e curtas existem vários intervalos de freqüência, destinados à radiodifusão comercial e a radioamadores. Assim, por exemplo, as faixas de 2300 KHz a 2495 KHz e 3200 a 3400 KHz são destinadas à radiodifusão; recebem o nome de ondas tropicais, devido à sua melhor propagação nas regiões tropicais. De 7000 a 7300 KHz temos uma das faixas destinadas a radioamadores.



4) Ondas métricas, decimétricas e centimétricas
as ondas de comprimento menor que 10 metros isto é, as frequências muito altas (VHF), e ultra-altas (UHF) e superaltas (SHF), praticamente não são refletidas pela ionosfera; por isso, o alcance dessas ondas se restringem, apenas, ao das ondas terrestres. Estas, por sua vez, não têm difração, ou seja, não contornam os obstáculos, de modo que o alcance das ondas terrestres fica restrito ao alcance óptico, isto é, a onda vai até onde nossa vista alcança. Se ela encontrar um obstáculo, como uma montanha, um prédio alto, etc., ela parará. A grande vantagem das ondas métricas é que a propagação não depende da hora do dia, e nem da época do ano, pois não é influenciada pela ionosfera. Não é perturbada pelo “fading”, e tem grande facilidade para transmissões direcionais. As ondas métricas são bastante utilizadas. Assim, elas são empregadas na transmissão de televisão, nas comunicações por microondas e nas comunicações espaciais (via satélite). Você deve estar a pensar que isto é um contra-senso, pois afirmamos que seu alcance, na Terra, é pequeno. Acontece que o alcance é pequeno exatamente porque essas ondas não sofrem reflexão e refração na ionosfera, ou seja, elas atravessam as camadas ionizadas. Ora, atravessando essas camadas, elas atingem outros planetas ou satélites, e são refletidas para a Terra, desde que dirigidas para tal, possibilitando a comunicação a distâncias fantásticas. Acreditamos que, com este apanhado sobre a formação e propagação das ondas de rádio, você esteja em condições de entender porque a recepção não é uniforme durante as 24 horas do dia e em todo o ano, porque as emissoras transmitem em freqüências diferentes durante as horas do dia, porque os sinais de TV têm pequeno alcance, etc.


José António Flor de Sousa