Física11-parte 8

COMUNICAÇÃO DE INFORMAÇÃO A LONGAS DISTÂNCIAS
À medida que uma onda se propaga, por mais intensa que seja a
perturbação que lhe dá origem, uma parte da sua energia será absorvida
pelo meio de propagação, isto é, a sua intensidade diminui. Este facto
impede a comunicação através do som a longas distâncias. Esta limitação é
ultrapassada através do uso de ondas eletromagnéticas na comunicação,
que não necessitam de um meio material para se propagarem e cuja
absorção no ar é pequena.
ONDAS ELETROMAGNÉTICAS E COMUNICAÇÃO
Oersted, em 1820, descobriu o eletromagnetismo, pelo que, é
considerado o “pai do eletromagnetismo”. Ele verificou que a corrente
elétrica de um circuito faz desviar a agulha de uma bússola, pelo que,
produz um campo magnético. A figura que se segue ilustra este fenómeno.
Faraday, em 1831, demonstrou experimentalmente que um campo
magnético variável pode criar um campo elétrico e originar corrente
elétrica. A figura que se segue ilustra este fenómeno.
Maxwell, em 1964, descreveu matematicamente os fenómenos elétricos e
magnéticos com um grupo de fórmulas matemáticas que se designam por
“equações de Maxwell”.
As equações de Maxwell preveem teoricamente a existência de ondas
eletromagnéticas, idênticas às ondas luminosas, que se propagam no
vazio à velocidade da luz e que consistem na propagação de um campo
elétrico e de um campo magnético perpendiculares entre si.
Na figura, que se segue, mostra-se a imagem de uma onda
eletromagnética.
Hertz, em 1895, gerou a primeira onda de rádio, através de uma
experiência com o seguinte esquema:
Utilizando um gerador de alta tensão e uma bobina era possível criar
cargas elétricas entre os dois pares de esferas, de tamanhos diferentes, as
quais emitiam ondas eletromagnéticas captadas por um “ressoador”, um
anel metálico com uma pequena abertura regulável. Com uma lupa
observou, entre as pontas do “ressoador”, pequenas faíscas. O ressoador
funcionou como a primeira antena recetora e o seu excitador funcionou
como a primeira antena emissora.
Marconi, em 1899, teve a ideia de usar as ondas eletromagnéticas com o
objetivo de comunicar.
TRANSMISSÃO DE INFORMAÇÃO
Já foi referido anteriormente que os sinais sonoros podem ser convertidos
em elétricos, sendo o microfone o transdutor inicial e o altifalante o
transdutor final. O mesmo se passa com as imagens; estas também se
podem converter em sinais elétricos, sendo o primeiro transdutor uma
câmara de filmar. No entanto, este não é um processo simples – a
conversão de mensagens deste tipo implica sempre uma codificação sob a
forma de sinais analógicos ou digitais e a sua posterior transmissão ou
difusão através de um processo designado por modelação.
SINAL ANALÓGICO E SINAL DIGITAL
Quando se pretende enviar um som ou uma imagem a longas distâncias,
primeiro tem de se converter o som ou a imagem num sinal elétrico, que
depois irá alterar um parâmetro da onda eletromagnética que o
transportará para o local pretendido. Esses sinais elétricos podem
classificar-se em sinais analógicos ou digitais.
Se a diferença de potencial em função do tempo for contínua trata-se de
um sinal analógico.
U/V
t/s
Se a diferença de potencial em função do tempo for descontínua,
assumindo valores discretos, trata-se de um sinal digital.
U/V
t/s
Os sinais digitais praticamente não são afetados pelo ruído, pelo que, é
vantajoso converter um sinal analógico em digital, contudo o recetor terá
de estar equipado com um conversor digital-analógico de modo a
recuperar a informação inicial (ver figura).
MODELAÇÃO
A modelação consiste na combinação de uma onda que contém a
informação – onda modulante – com uma onda sinusoidal de amplitude
constante – a portadora. A onda resultante é a onda modulada. Esta onda
resultante pode ser modelada em amplitude (AM) ou em frequência (FM).
O esquema seguinte ilustra este fenómeno:

D
A- Onda modelante
B- Onda portadora
C- Onde modelada em amplitude (AM)
D- Onda modelada em frequência (FM)
A comunicação por modelação AM é mais vulnerável à interferência de
ruídos exteriores à comunicação.
A comunicação por modulação FM tem um alcance reduzido e necessita
de antenas retransmissoras para poder cobrir a área nacional, enquanto a
modelação AM tem alcances grandes e não necessita de antenas
repetidoras, sendo as ondas refletidas na ionosfera.
No esquema que se segue ilustra como se transmite a informação de um
sinal sonoro por meio de ondas de rádio.
FENÓMENOS ONDULATÓRIOS
Quando uma onda incide sobre a superfície de separação de dois meios,
parte da energia pode ser refletida, parte transmitida e outra parte
absorvida (ver figura).
A quantidade de energia refletida, transmitida e/ou absorvida depende da
frequência da onda incidente, da inclinação da onda relativamente à linha
de separação dos dois meios e das propriedades dos meios.
REFLEXÃO DAS ONDAS
Embora a luz seja uma onda, no âmbito da ótica geométrica, ela é
representada por raios luminosos. Um raio luminoso é uma linha reta com
a direção e sentido da propagação da luz. Um feixe de luz é um conjunto
de raios luminosos.
Quando um feixe de luz incide num espelho (material muto polido) origina
raios refletidos paralelos (ver imagem do lado esquerdo). Esta reflexão
especular, ou regular, é a que permite ver a imagem dos objetos nos
espelhos.
Na reflexão difusa, ou difusão da luz, raios luminosos paralelos são
refletidos em direções variadas (ver figura do lado direito).
A reflexão de ondas eletromagnéticas é utilizadas em radares (ondas de
rádio e micro-ondas).
LEIS DA REFLEXÃO
Se tivermos, como exemplo, a reflexão de um raio de luz de acordo com a
figura:
Reta normal
Superfície refletora
Verificam-se as seguintes leis de reflexão:
1ª) O raio incidente, a reta normal à superfície de separação no ponto de
incidência e o raio refletido estão contidos no mesmo plano.
2ª) O ângulo de incidência () tem a mesma amplitude do ângulo de
reflexão ().
REFRAÇÃO DAS ONDAS
A refração é um fenómeno que ocorre quando uma onda que se propaga
num meio, com uma velocidade v1, passa para outro meio em que se
propaga com uma outra velocidade v2. Verifica-se uma mudança na
direção de propagação da onda, dependendo da direção de incidência.
INDICE DE REFRAÇÃO
O índice de refração, n, de um meio é o quociente entre a velocidade da
onda no vácuo, c, e a velocidade de propagação nesse meio, v:
c
v
Quanto maior for o índice de refração, mais refringente será o meio e
menor a velocidade de propagação.
n
Por vezes é útil considerar o índice de refração de um meio 2 em relação a
um meio 1, n21, que é igual à razão entre o índice de refração do meio 2,
n2, e o índice de refração do meio 1, n1:
n21 
n2
n1
LEIS DA REFRAÇÃO
Se tivermos, como exemplo, a refração
de um raio de luz de acordo com a
figura apresentada ao lado, verificam-se
as seguintes leis de refração:
1ª) O raio incidente (i), a normal à
superfície de separação no ponto de
incidência (n) e o raio refratado (R)
estão no mesmo plano.
2ª) O ângulo entre a normal e o raio incidente (1) e o ângulo entre a
normal e o raio refratado (2) relacionam-se através da expressão:
n1 sin 1  n2 sin  2
Em que n1 e n2 são os índices de refração dos meios 1 e 2, respetivamente.
REFLEXÃO TOTAL
Se aumentarmos o ângulo de um raio que incide num meio mais
refringente (meio B) e se refrata num meio menos refrangente (meio B),
obtemos quatro situações possíveis de acordo com a figura:
2=0
o
1=0o
2
2=90o
1=lim
1


Só existe refração até um ângulo limite (lim), passando a haver reflexão
total a partir desse ângulo limite (situação (d)).
Este fenómeno ocorre nas fibras óticas, como é ilustrado na figura:
Luz
Revestimento
Núcleo
O núcleo é constituído por um material de elevado índice de refração e o
revestimento é constituído por uma material de baixo índice de refração
(n2>>n1).
DIFRAÇÃO DAS ONDAS
A difração das ondas ocorre quando estas encontram obstáculos à sua
propagação e são desviadas, não se verificando alteração do seu
comprimento de onda, como ocorre na refração, uma vez que continuam
a propagar-se no mesmo meio.
A difração permite que as ondas contornem obstáculos.
Nas figuras seguintes encontram-se alguns exemplos de difração das
ondas:
(A)
(B)
(C)
(D)
No exemplo (A) as ondas de rádio de elevada frequência (pequeno
comprimento de onda) difratam-se pouco. A receção da transmissão
televisiva é de fraca qualidade.
No exemplo (B) as ondas de rádio de grande comprimento de onda
transmitem-se em boas condições, pois difratam-se melhor.
No exemplo (C) a abertura da fenda é de ordem de grandeza superior ao
comprimento de onda das ondas que se propagam (a>>λ), há uma
pequena difração, isto é, as frentes de onda encurvam ligeiramente nas
extremidades.
No exemplo (D) a abertura da fenda é da mesma ordem de grandeza do
comprimento de onda das ondas produzidas (a   ) , o fenómeno da
difração é acentuado.
BANDAS DE RADIOFREQUÊNCIA
Na comunicação por ondas eletromagnéticas usam-se bandas de
frequências distintas, em função das suas caraterísticas de propagação e
do fim a que se destinam.
As diferentes bandas de frequência de ondas ao atravessarem as
diferentes camadas da atmosfera podem ser refletidas, refratadas,
difratadas ou absorvidas.
As ondas de rádio de baixas frequências (ondas longas e médias) são as
que melhor difratam na atmosfera, porque contornam facilmente os
obstáculos e acompanham a curvatura da Terra.
As ondas com frequências altas (ondas curtas) sofrem múltiplas reflexões
na ionosfera e na superfície terrestre.
As ondas com frequências extra-altas (micro-ondas) são pouco absorvidas
ou refletidas na atmosfera, praticamente não se difratam, propagando-se
em linha reta, atravessam a ionosfera e são utilizadas nas comunicações
via satélite.
Na tabela que se segue apresentam-se as bandas de frequências e
principais utilizações.
Bandas de frequências
Utilização
Frequência extrabaixa (ELF) - 30 Hz a 3 kHz
Ligações a submarinos.
Frequência muito baixa (VLF) - 3 kHz a 30 kHz
Comunicações de longo alcance:
navegação e militar.
Frequência baixa (LF) - 30 kHz a 300 kHz
Comunicações de longo alcance:
navegação e estações de rádio.
Frequência média (MF) - 300 kHz a 3 MHz
Estações de rádios nacionais.
Frequência alta (HF) - 3 MHz a 300 MHz
Estações de rádios e radiotelefone.
Frequência ultra-alta (UHF) - 300 MHz a 3 GHz Estações de televisão, telemóveis e
controlo aéreo por radar.
Frequência superalta (SHF) - 3 GHz a 30 GHz
Telefones, radar,
comunicação, GPS.
Frequência extra-alta (EHF) - 30 GHz a 300 GHz
Estações espaciais.
satélites
de