Transmissão - Recepção Rádio Galena

Transmissão - Recepção
Rádio Galena
Iniciação aos fenômenos ondulatórios
Prof. Luiz Ferraz Netto
Introdução
É rara a apresentação, em Feira de Ciências, de um trabalho e/ou experimento sobre a
produção de ondas eletromagnéticas. A apresentação, por sua vez, de rádios-galena (ou outros
receptores de ondas eletromagnéticas) não é nada rara, e isso é muito bom! O que não é bom é
que tais apresentações, no geral, são feitas sem o respaldo de qualquer base teórica mínima
para o entendimento do tema. O aluno ou grupo responsável pelo trabalho, via de regra, não
sabe o que é transmissão, portadora, modulação, AM, FM, detecção e coisas do gênero. A
finalidade desse trabalho é tentar minimizar essa falha. Espero contar com a ajuda dos
professores para a complementação desse trabalho. Escrevam-me apresentando suas
sugestões/comentários.
Conceitos Básicos
Movimento
periódico
-período
-freqüência
Movimento periódico é aquele em que, de tempos em tempos sucessivos e iguais, um mesmo
estado cinemático (posição, velocidade, aceleração etc.) se repete. O período é o intervalo de
tempo mínimo que separa dois desses estados iguais. A freqüência é o número de vezes que
um mesmo estado se repete na unidade de tempo. Difícil? Bem, tentemos um 'visualização'
disso.
Examinemos um ponto material descrevendo uma trajetória circular, em movimento uniforme.
Como o movimento é uniforme (velocidade constante), o ponto executa uma volta completa
gastando sempre o mesmo tempo em cada volta. Isto significa que, de tempos em tempos
iguais, o ponto material retorna a uma mesma posição (após dar 1 volta); ele repete não só a
posição, como também, as demais características cinemáticas, como, velocidade, aceleração
etc. O movimento circular e uniforme é, portanto, um movimento periódico.
O período (T) desse movimento é o intervalo de tempo necessário para que
o ponto execute exatamente uma volta completa. A freqüência (f) é o
número de voltas que o ponto material executa na unidade de tempo.
Você deverá ser capaz de mostrar que:
Oscilação
Movimento oscilatório é um movimento periódico que se realiza em dois sentidos opostos, ora
num, ora noutro. É o caso do movimento pendular.
O pêndulo descreve a trajetória AB, ora num sentido (por
exemplo de A para B), ora noutro (de B para A). Além disto, o seu
movimento é periódico, pois, de tempos em tempos iguais, o
pêndulo assume uma mesma posição, com a mesma velocidade
e a mesma aceleração.
O período do pêndulo é o intervalo de tempo necessário para
realizar uma oscilação completa. O número de oscilações
realizadas na unidade de tempo é a freqüência do pêndulo.
Uma unidade de freqüência muito utilizada é a oscilação por segundo (osc./seg.). Recebe o
nome particular de hertz (símbolo, Hz). Falamos ainda em ciclo por segundo e abreviamos
assim: c.p.s. ou cps. Por exemplo, a freqüência de 1000 Hz significa 1000 oscilações por
segundo ou 1000 cps.
Na verdade, quando falamos em “algo” oscilatório, esse algo não é necessariamente o
movimento de alguma coisa material. Poderá ser um campo elétrico, um campo magnético, uma
tensão elétrica, enfim, alguma coisa que além de apresentar uma periodicidade, inverta
regularmente seu sentido de variação. Um exemplo importante disso está na corrente alternada
que é uma corrente oscilatória típica. Vamos tentar ilustrar abaixo a corrente elétrica no trecho
AB do circuito em instantes sucessivos to, t1, t2, ... , t12.
No instante to, a corrente flui de A para B e a sua intensidade é máxima. Nos instantes t 1 e t2
essa corrente diminui de intensidade (mas mantém o sentido de A para B), tornando-se nula em
t3; a seguir, passa a fluir em sentido contrário, isto é, de B para A, inicialmente com intensidade
crescente. Assim, aumenta de intensidade nos instantes t 4 e t5, tornando-se máxima em t6;
decresce em t7 e t8; anula-se em t9, e a seguir, muda novamente de sentido. Aumenta em t 10 e
t11, tornando-se máxima em t12. O que acontece em t12 é a primeira repetição do que acontece
em to; tudo o que ocorreu entre to e t12 vai se repetir entre t12 e t24 ; em t24, verifica-se então, a
segunda
repetição
do
que
acontece
em
to
e,
assim
sucessivamente.
O intervalo de tempo to |----| t12 equivale, portanto, ao período da corrente elétrica em questão.
De
fato,
esse
intervalo
separa
duas
repetições
sucessivas.
O gráfico abaixo "intensidade de corrente elétrica versus tempo" é uma maneira cômoda de se
observar essas variações descritas acima:
Noções
sobre
ondas
e
sua
propagação
O que venha a ser uma onda e quais são as particularidades ligadas à sua existência?
Eis, algumas das questões que deveremos esclarecer aqui.
Vejamos o que acontece quando uma das extremidades de uma corda é convenientemente
deformada, como nos mostra a figura:
A deformação inicial é produzida por um rápido deslocamento, da extremidade da corda, de
baixo para cima (A para B) e a seguir de cima para baixo (B para A) ( ilustração acima, à esquerda).
Esta deformação propaga-se ao longo da corda. Dizemos, neste caso, que um pulso de onda
propaga-se ao longo da corda (ilustração acima, à direita).
É claro que uma sucessão de pulsos poderá ser produzida na extremidade da
corda; neste caso, estabelece-se ao longo da corda uma onda em propagação;
dizemos,
ainda,
que
se
estabelece
um
"trem"
de
ondas.
O que acabamos de mostrar é apenas um exemplo de onda, aquela que se forma
ao longo de uma corda. Neste exemplo, bastante simples, poderemos observar
uma classe de propriedades e de grandezas comuns a todas as ondas.
Qualquer ponto da corda atingido pela onda repete o movimento realizado pela
extremidade onde teve início a propagação. Esta extremidade é a fonte de ondas.
Veja, por exemplo, o ponto P na sucessão da ilustração ao lado. À medida que a
onda se desloca para a direita, o ponto P oscila na direção vertical, da mesma
forma que o fez a fonte (extremidade da esquerda). Agora, observe o tipo de
movimento realizado pelo ponto P e compare-o com o movimento da onda. A onda
se movimenta ao longo da corda, no caso presente, na direção horizontal,
enquanto o ponto P, apenas, oscila, repetindo o movimento da fonte. A onda não
arrasta consigo o ponto material P; ela consta basicamente de energia que se
transmite
de
ponto
para
ponto.
O que queremos enfatizar é que a onda transporta energia através do meio de
propagação, mas não transporta matéria.
Para tornar a coisa mais compreensível façamos uma comparação. Imaginemos um barco
navegando sobre um lago e uma onda propagando-se na superfície líquida.
No movimento do barco, verifica-se claramente que matéria (o corpo material barco) está sendo
transportado ao longo da superfície do lago. Na onda, contudo, não há transporte de matéria
através da superfície, mas sim, de energia. Tanto isto é verdade, que a rolha (flutuando no lago)
não acompanha o deslocamento da onda; ela apenas oscila verticalmente enquanto a onda se
propaga.
Uma corrente de água (como a de um rio) não é, portanto, um movimento ondulatório; nela, as
partículas de água (matéria) estão sendo deslocadas ao longo da corrente, e isto não pode
acontecer numa propagação ondulatória.
Assim, uma das características básicas do movimento ondulatório é o fato de que, nele, ocorre
fundamentalmente uma propagação de energia.
Período,
freqüência
e
comprimento
de
onda
Retomando o exemplo da onda na corda, admitamos que a extremidade, funcionando como
fonte, seja submetida a um movimento oscilatório. Com isso, obteremos uma onda periódica, à
qual poderemos associar as grandezas período, freqüência e comprimento de onda.
A extremidade livre executa um movimento em torno da posição A. Como vimos, qualquer ponto
da corda repete, no decorrer do tempo, a oscilação executada pela fonte. O período da onda é o
intervalo de tempo que um ponto do meio (no caso, a corda), atingido pela onda, necessita para
executar uma oscilação completa. A freqüência será, então, o número de oscilações executadas
na unidade de tempo.
O comprimento de onda é o espaço que a onda percorre num período. Habitualmente
representamos o comprimento de onda pela letra grega  (lâmbda). Sendo v, a velocidade de
propagação de onda, e T o seu período, poderemos escrever:  = v.T . Como T = 1/f , onde f =
freqüência, teremos ainda: = v/f .
Não é difícil verificar que o comprimento de onda representa a distância entre dois pontos
sucessivos que se encontram, ao longo da onda, em idênticas condições. Veja, por exemplo, a
configuração da onda na corda, no intervalo de tempo compreendido entre os instantes t e (t +
T), ou seja, num período.
No instante t, o ponto P é atingido por uma onda periódica. Enquanto esta onda se propaga,
para a direita, o ponto P vai descrevendo um movimento oscilatório. De acordo com a própria
definição de período, no instante t + T, o ponto P estará completando exatamente uma
oscilação. Nesse intervalo de tempo, a onda terá percorrido uma distância d mostrada na figura
acima. Tendo em vista a definição, essa distância d será o comprimento de onda d = .
Os pontos P e Q, separados por um , estão em idênticas condições. Tudo o que acontece em
Q, acontecerá em P, exatamente da mesma maneira. Dizemos que os pontos P e Q estão em
fase. Daí definirmos o comprimento de onda como sendo a distância entre dois pontos
sucessivos, da onda, que estão em fase.
Elongação
e
amplitude
Imaginemos um movimento oscilatório executado por um ponto material P, em torno da posição
de equilíbrio O.
Sendo P a posição genérica assumida no instante t, a elongação (nesse
instante ou nessa posição) é, por definição, o valor algébrico do espaço
OP(s). Orientando a trajetória de O para A (como mostra a figura), as
posições situadas no segmento OA terão elongações positivas e as posições
situadas
no
segmento
OB,
terão
elongações
negativas.
A amplitude (a) é o valor absoluto das elongações correspondentes aos
extremos A e B. Em outras palavras, a amplitude representa o valor máximo
da elongação.
Podemos escrever: a = |sA| = |sB| , onde: |sA| = valor absoluto da elongação de A, |sB| = valor
absoluto da elongação de B e a = amplitude.
Numa onda a amplitude tem significado semelhante.
Tipos
de
ondas
Até aqui vimos um tipo de onda, muito simples, facilmente observável, aquela que se estabelece
ao longo da corda. Mas, praticamente tudo o que aprendemos em relação a ela, poderá ser
estendido para qualquer outro tipo de onda.
Enfatizemos que em toda onda existe basicamente uma transmissão de energia através de um
meio. Assim, existe uma classe de ondas em que a energia envolvida é uma energia mecânica.
A esta classe pertencem as chamadas ondas mecânicas. O exemplo típico de onda mecânica é
o som; como toda onda mecânica, ele exige um meio material para se propagar; ele não se
propaga no vácuo.
Há uma outra classe de ondas, em que a energia envolvida é de natureza eletromagnética e a
sua propagação não exige um meio material. É a classe de ondas eletromagnéticas. Pertencem
à classe das ondas eletromagnéticas: as radiações gama, as radiações X, as ultra violetas, as
infra-vermelhas, as micro-ondas, as ondas de TV e as ondas de rádio.
As ondas são caracterizadas pelos valores das suas freqüências. Assim, as ondas
eletromagnéticas de freqüências mais elevadas são as radiações gama; seguem-lhes, na ordem
decrescente das freqüências, as radiações X, as ultra-violetas, as ondas visíveis (luz), as infra
vermelhas, as micro-ondas, as ondas de TV e as ondas de radiodifusão.
Um fato realmente importante é que, todas as ondas eletromagnéticas, quaisquer que sejam as
suas freqüências, apresentam, no meio vácuo, sempre a mesma velocidade de propagação; é
ela c = 300.000 km/s.
Lembrando que o comprimento de onda é  = c/f, poderemos concluir que o comprimento de
onda é inversamente proporcional à freqüência. Assim, uma onda de radiodifusão de freqüência
30 000 hertz (30 kHz) possui comprimento de onda duas vezes menor que a de 15 000 hertz (15
kHz).
Produção e Recepção de Ondas Eletromagnéticas
Como
produzir
uma
onda
eletromagnética?
Quando uma carga elétrica é acelerada ou desacelerada, ocorre a emissão de uma onda
eletromagnética. Este é um fato teoricamente previsto e experimentalmente confirmado. E claro,
há
situações
de
exceção,
como
as
do
elétron
intra-atômico.
Na prática, uma das maneiras mais simples de verificar esta emissão eletromagnética, consiste
em montar um experimento como o ilustrado abaixo.
O circuito formado por uma pilha, um condutor AB e uma chave K, é colocado a alguns metros
de um pequeno rádio ligado e sintonizado numa estação qualquer. Ligando e desligando a
chave K, e repetindo este processo continuamente, pode-se ouvir um sinal correspondente no
rádio. Na prática, a chave K pode ser substituída por uma lima; um dos fios é preso na lima e o
outro
raspado
contra
ela).
Como pode o “liga-desliga” da chave K (ou o raspar do fio na lima) produzir um ruído no
receptor
de
ondas
de
rádio
colocado
à
distância?
A explicação não é muito complicada, pelo menos, num nível superficial de entendimento. De
fato, o liga - desliga provocará variações rápidas de corrente elétrica no condutor AB; as cargas
serão, ali, aceleradas e desaceleradas. Haverá a produção de pulsos eletromagnéticos (trem de
ondas), que atingindo a antena do receptor ligado, provocarão, neste, aqueles ruídos
característicos.
Talvez
possamos
ir
um
pouco
além
na
explicação
aqui
apresentada.
Já sabemos que uma corrente elétrica “gera” em torno de si um campo magnético. Com a chave
K desligada, não há corrente em AB, e como tal, não há campo magnético. „Ligando a chave,
aparecerá uma corrente elétrica no condutor AB; em torno deste condutor aparecerá um campo
magnético, e portanto, uma região capaz de gerar energia de natureza magnética. Desligando a
chave, a seguir, o campo magnético em torno do condutor “desaparecerá”. Este campo, que não
se encontra mais em torno do condutor, poderá, abandonar o condutor e propagar-se através do
meio. É possível, assim, compreender que, ao desligar a chave K, um pulso magnético tenha
origem
no
condutor
AB.
Na verdade estamos simplificando bastante, as coisas não se passam exatamente dessa
maneira; tanto é que o pulso gerado não é magnético puro, mas, eletromagnético, apresentando
não só o campo magnético mas também, um componente elétrico (gerado pela variação do
campo magnético). Entretanto, para uma primeira etapa de entendimento, achamos que a
explicação apresentada é bastante útil, não chegando a comprometer o rigor da questão,
sobretudo devido ao alerta de que as coisas são, na realidade, mais complexas.
Grosso modo, poderemos afirmar o seguinte: a variação da corrente em AB produz um pulso
eletromagnético que se propaga com a velocidade de 300 000 quilômetros por segundo, o qual,
atingindo a antena do rádio portátil, provoca um processo inverso, ou seja, o pulso
eletromagnético gera, na antena, uma corrente elétrica cuja variação é idêntica àquela ocorrida
no condutor AB. Desta forma, tudo passa como se aquela corrente variável tivesse sido
transferida 'diretamente' do condutor AB para a antena do rádio. É preciso salientar que, nesta
transferência há uma séria diminuição da intensidade do pulso mas, o modo como a corrente
varia, é fielmente transferida de AB para o receptor.
Dizemos que o sistema, ao qual pertence o condutor AB, é um transmissor, enquanto que o
rádio, como sabemos, é um receptor. O condutor AB é a antena do transmissor.
Procure então, perceber, que as coisas que acontecem junto à antena do receptor não são
basicamente diferentes daquilo que ocorre ao nível da antena do transmissor.
Repetindo o que já dissemos antes, na antena do transmissor, uma corrente elétrica varia e gera
uma onda eletromagnética; esta atinge a antena do receptor, e ai, induz uma corrente elétrica
que varia exatamente como na antena do transmissor. A diferença (no transmissor e no
receptor) está portanto, na ordem em que as coisas acontecem.
No transmissor temos, corrente elétrica ==> onda eletromagnética, enquanto que no receptor
temos, onda eletromagnética ==> corrente elétrica. Não é de se estranhar, portanto, que os
circuitos básicos do transmissor e do receptor sejam muito semelhantes entre si.
O
transmissor
e
o
receptor
Não vamos explicar aqui, como funcionam detalhadamente o transmissor e o receptor.
Queremos apenas enfatizar alguns fatos importantes que neles acontecem. Tomemos, para
exemplificar, o caso da transmissão/recepção radiofônica. Para tanto, examine o diagrama
extremamente simplificado que damos a seguir.
No microfone, as vibrações sonoras são convertidas em vibrações de corrente elétrica. As
vibrações da corrente elétrica, agora na antena do transmissor, geram as ondas
eletromagnéticas que se propagam através do meio (ar, no caso) com a velocidade de 300 000
km/s. Na antena do receptor, a onda eletromagnética captada origina vibrações da corrente
elétrica, qualitativamente idênticas àquelas que deram origem à onda, na antena transmissora.
No alto falante, uma das partes do receptor, essas vibrações da corrente elétrica são
convertidas em vibrações sonoras, qualitativamente idênticas àquelas recebidas pelo microfone.
Nota: Microfone e alto falante são transdutores; o primeiro converte energia sonora em energia
elétrica
e
o
segundo
faz
exatamente
o
inverso.
Assim, a palavra Alô dita no microfone do transmissor, poderá ser reproduzida no alto falante
do receptor, após ter envolvido uma série de energias de naturezas diferentes.
Veja, no diagrama abaixo, a palavra alô passando por várias formas diferentes, ao ser
transportada do microfone ao alto falante.
O transmissor
Noções
sobre
o
mecanismo
de
transmissão
AM
e
FM
Na realidade, o transmissor é construído de tal maneira que ele emita uma onda
eletromagnética de determinada freqüência e de determinada amplitude (característica
associada à potência do transmissor). Para cada transmissor existe uma freqüência
característica . Esta onda eletromagnética característica de cada transmissor, por si só, não
transmite mensagem nenhuma para ser captada no receptor. Ela é apenas a portadora da
mensagem, a qual deverá ser de alguma forma “calcada” (“escrita”) sobre ela. É por isto
denominada de onda portadora. Note bem, a freqüência da onda portadora é a freqüência
característica do transmissor. Por exemplo, a freqüência característica da rádio Jovem Pan - SP
é de 620 kHz (quilohertz) --- espero que não tenham mudado isso mas, se mudaram, ainda
serve de exemplo. Isto significa que a onda portadora da rádio Jovem Pan tem a freqüência de
620 kHz (no registro de uma rádio essa informação é primordial).
Como já dissemos, a onda portadora não transmite informação nenhuma; ela caracteriza o
transmissor que a emite. Assim, para receber, num dado receptor, a rádio Jovem Pan,
deveremos sintonizar esse receptor na freqüência característica dessa emissora, ou seja, 620
kHz. Essa onda portadora da rádio Jovem Pan tem comprimento de onda de, aproximadamente,
484 m (veja cálculo no quadro acima).
Para transmitir alguma mensagem, a onda eletromagnética correspondente a essa mensagem
deverá ser sobreposta à onda portadora. A onda portadora, assim modificada, estará
transportando a mensagem,justamente contida nessa modificação. Procure entender, o que
dissemos, examinando com atenção as figuras abaixo.
Na primeira figura não está sendo transmitida mensagem nenhuma (CH-aberta). O transmissor
emite apenas a sua onda portadora, de amplitude e freqüência constante.Na segunda figura,
introduzimos uma informação no microfone (com CH-fechada). Esta informação (um som)
convertida em onda eletromagnética, encontra-se sobreposta à onda portadora. Veja, como a
amplitude da onda portadora, antes constante, varia exatamente como varia a onda que
representa a informação a ser transmitida. Em suma, a variação da amplitude traduz a
mensagem superposta. Dizemos, neste caso, que a onda está MODULADA EM AMPLITUDE.
Em outras palavras, temos a transmissão de informações em amplitude modulada (A.M.).
Outras vezes, prefere-se introduzir a mensagem na freqüência da onda portadora. Neste caso,
faz-se variar a freqüência, antes constante, exatamente segundo a mensagem que se pretende
transmitir. Dizemos que a transmissão é feita em freqüência modulada (F.M.). Procure entender,
o que dissemos, nas figuras abaixo.
Na primeira figura, não há mensagem nenhuma, e o transmissor emite apenas a sua onda
portadora de freqüência e amplitude constantes. Na segunda figura, o som captado pelo
microfone é convertido em variação de corrente elétrica. Esta variação vai interferir na onda
portadora, modificando, não a sua amplitude, mas a sua freqüência. A variação da freqüência da
onda portadora contém a mensagem captada pelo microfone. Por isso dizemos que a onda está
modulada em freqüência, ou então, que a transmissão é feita em freqüência modulada (F.M.).
A esta altura, parece não haver mais dificuldades em definir modulação. Modulação é o
processo de fazer variar alguma característica da onda portadora, de modo que ela possa
transportar uma mensagem. Então, uma onda portadora alterada de tal maneira que passe a
conduzir uma mensagem, denomina-se onda modulada.
Exemplo do índio: Uma comparação, embora um tanto superficial, poderá ser feita para tornar
mais fácil o entendimento básico a respeito da modulação.
A fumaça de uma fogueira era utilizada, pelos índios, para resolver os seus problemas de
comunicação. Mas, um fluxo, de fumaça, contínuo, como é fácil compreender, não contém
mensagem nenhuma.
Uma fumaça “contínua”, poderá indicar, no máximo, que existe algum índio, do outro lado,
querendo dizer alguma coisa. Não poderá contudo transmitir mensagem nenhuma. Esta fumaça
contínua é comparável à onda portadora do rádio transmissor. Agora, interrompendo o fluxo de
fumaça, periodicamente, segundo um certo código, previamente conhecido, a fumaça poderá
estar transmitindo alguma mensagem; pelo menos, haverá condições para que isto esteja sendo
feito.
A fumaça 'fragmentada' contendo informações é comparável à onda modulada da rádio
transmissão.
O receptor
Noções
sobre
a
recepção
da
onda
eletromagnética
Captando a onda modulada, o receptor deverá basicamente retirar a mensagem, da onda
portadora. Na antena do receptor, a onda modulada, desde que haja sintonização, gera uma
corrente elétrica, cuja intensidade varia da mesma forma que a onda. Sendo a modulação em
amplitude, a mensagem estará contida no modo de variação da amplitude. Nestas condições,
devemos isolar uma corrente que traduza apenas o modo de variação da amplitude e não de
toda a onda modulada. Vamos ilustrar isso tudo.
Na figura temos o circuito mais simples possível de um receptor radiofônico. Em (1) a onda
modulada proveniente da 'estação transmissora' atinge a antena, onde gera uma corrente
elétrica (2) que oscila da mesma maneira que a onda recebida. Esta corrente oscilante tende a
circular entre a bobina e o capacitor, como se vê em (3). Para transformar em onda sonora (5) o
modo de variação de amplitude dessa corrente oscilante, deveremos aproveitar apenas uma
metade da corrente elétrica (4), a que circula somente num determinado sentido.
Para eliminar uma das metades da corrente oscilante, utilizamos um elemento de circuito
chamado diodo. Este deixa passar a corrente elétrica num só sentido, bloqueando-a no sentido
inverso -- é um elemento retificador de corrente.
Deixando passar a corrente num só sentido, o diodo consegue eliminar uma metade da corrente
oscilante modulada, aproveitando-se apenas a outra metade. No fone, a mensagem é
convertida em energia sonora: a variação da corrente elétrica, traduzindo a mensagem, é
convertida
em
vibrações
mecânicas
audíveis.
Observe que no fone de cristal está entrando metade da onda modulada em amplitude, ou seja,
ali tem alta freqüência (característica do transmissor) e baixa freqüência (mensagem). O cristal
do fone não reage bem às altas freqüências típicas das ondas eletromagnéticas e, por isso,
deveremos eliminar essa parcela de alta freqüência (normalmente isso é feito através de um
capacitor de filtro ligado em paralelo com o fone--- aguarde!).
O receptor que acabamos de mostrar, extremamente simples, é comumente chamado de rádio
galena. E isto porque, os primeiros receptores de rádio eram deste tipo; fazendo o papel do
diodo eles usavam um minério chamado galena. Daí a denominação rádio galena. Esse cristal
de galena é normalmente substituído por um diodo de germânio que cumpre exatamente a
mesma função do galena, ou seja, retificar a onda. Neste receptor não usamos nenhuma fonte
de energia elétrica (pilha, baterias etc.).
De onde vem, então, a energia necessária para produzir o som no fone?
Não é difícil perceber que essa energia vem da própria onda eletromagnética captada pelo
receptor. Indiretamente ela é fornecida, então, pelo transmissor. Ao ser captada, é muito
pequena essa energia; mas, ela pode ser suficiente para fazer vibrar a membrana do fone, sem
a necessidade de um reforço fornecido pelos 'amplificadores' (que contém geradores de energia
elétrica, tais como, pilhas e baterias).
O
circuito
oscilante
Infelizmente, nessa primeira etapa de compreensão, não podemos detalhar o funcionamento do
chamado circuito oscilante, constituído pela bobina e pelo capacitor. Mas saiba que, tanto o
transmissor, como o receptor, possui um circuito oscilante, e que, para cada par bobinacapacitor existe uma determinada freqüência característica.
Com o capacitor carregado, e a chave K desligada, toda a energia encontra-se no campo
elétrico que se estabelece no interior do capacitor. Ligando a chave K, uma corrente elétrica
passará a fluir através da bobina, e como conseqüência, aparecerá um campo magnético. O
campo elétrico diminui no capacitor, à medida que a corrente elétrica, e portanto o campo
magnético, aumenta na bobina. Haverá um momento em que a carga será nula no capacitor e a
corrente máxima na bobina. Nesse momento toda a energia estará no campo magnético da
bobina.
A seguir, a corrente começará a diminuir, enquanto que o capacitor passará a eletrizar-se
(carregar-se) com sinal oposto: o que era positivo torna-se negativo e o que era negativo tornase positivo. Haverá um instante em que a eletrização no capacitor atinge um máximo e a
corrente
na
bobina
torna-se
nula.
A seguir, a corrente começará a fluir em sentido oposto ao anterior; torna-se máxima, nesse
novo sentido, enquanto a carga no capacitor se anula. A corrente torna a diminuir e o capacitor a
carregar-se. Assim sucessivamente, entre o capacitor e a bobina estabelece-se uma corrente
variável, que tem ora, um sentido, ora, outro. Dizemos que o circuito é percorrido por uma
corrente oscilante. Ora, corrente oscilante apresenta carga elétrica em aceleração e em
desaceleração. Como tal, compreende-se que um circuito oscilante possa emitir onda
eletromagnética.
O processo inverso é também verdadeiro; uma onda eletromagnética atingindo um circuito
oscilante, poderá produzir (induzir) neste, uma corrente elétrica oscilante. É isto o que acontece
no circuito oscilante de um receptor. Nas figuras abaixo procuramos mostrar o circuito oscilante
em diferentes momentos, descritos acima.
No receptor, para sintonizar as diferentes freqüências (as diferentes estações), deveremos
variar, ou a sua bobina (normalmente através de um cursor que altera o número de espiras), ou
então, o seu capacitor (normalmente usando um capacitor variável). E isto porque, para cada
par bobina-capacitor existe uma determinada freqüência característica.
Na figura acima, em (a), sintonizamos as diferentes freqüências, variando o número de espiras
da bobina com o auxílio do cursor C e, em (b), usando um capacitor variável. Em nossa Parte
Experimental usaremos dessas duas técnicas.
Ainda, dentro desta primeira etapa (rudimentos) de compreensão, damos a seguir um exemplo,
em forma de diagramas, da transmissão e recepção de uma mensagem.
Descrição sucinta:
(1) A onda modulada em amplitude (AM) atingindo a antena de um receptor.
(2) A corrente elétrica induzida no circuito oscila da mesma forma que a onda modulada. Note
que o modo de variação da amplitude traduz a mensagem transmitida.
(3) O diodo deixa passar apenas a corrente elétrica que tem um determinado sentido. Como
conseqüência, passa para o fone apenas uma metade da corrente oscilante pulsando de acordo
com a mensagem.
(4) No fone, a corrente variando segundo (3) faz vibrar a membrana, produzindo uma onda
sonora idêntica àquela captada pelo microfone do transmissor. Ali a energia elétrica é convertida
em energia térmica e sonora.
Parte Experimental
Nas partes anteriores vimos de modo bastante simples de que modo podem ser produzidas as
ondas eletromagnéticas e sua propagação pelo espaço. Nada melhor para fixar este
aprendizado do que realizar algumas experiências simples com ondas de rádio, tanto na
transmissão
como
na
recepção.
Iniciamos com dois projetos bastante elementares de transmissores, servindo inclusive de base
para Trabalhos Escolares e Feira de Ciências.
Introdução
Antes de existirem transistores ou válvulas, as ondas de rádio eram produzidas por técnicas
que, à primeira vista, pode parecer estranhos aos alunos/leitores. Um deles era a bobina de
centelha ou Bobina de Rumkorff, cujo aspecto é mostrado a seguir, em (a) e seu circuito
esquemático, em (b):
Esta bobina consiste, na realidade, num transformador de alta tensão, de núcleo aberto, dotado
de um vibrador acionado pelo magnetismo do próprio núcleo. Seu primário tem poucas espiras,
mas seu secundário consta de milhares de voltas de fio, produzindo assim tensões muito altas.
A menos do vibrador, isso que estamos descrevendo é exatamente a bobina de ignição
automotiva (no caso, o vibrador é substituído pelo platinado do veículo).
Quando ligada a uma bateria, a bobina produz faíscas de alta tensão que, aplicadas a um
circuito ressonante e de antena, produz ondas de rádio.
É claro que essas ondas não levavam informação alguma, pois são ondas contínuas
(Continuous Waves -- CW), mas podem propagar-se a distâncias enormes. Interrompendo em
intervalos regulares estas ondas, pode-se estabelecer uma comunicação codificada através do
código Morse. Marconi, Hertz e outros pesquisadores da era do rádio utilizaram este tipo de
configuração para experiências de transmissão de ondas de rádio. Há uma variante desses
transmissores
na
nossa
Sala
15;
clique
aqui.
É claro que, com o desenvolvimento de novas técnicas, o advento das válvulas e depois dos
transistores, a bobina de centelha para a produção de sinais de rádio se tornou peça de museu,
mas nada impede que tenhamos uma configuração semelhante em nosso laboratório para
algumas experiências.
Projeto
1
Transmissor
de
faíscas
O projeto que apresentamos é puramente experimental/didático, de modo que seu alcance não
ultrapassa alguns metros, e sua freqüência não é bem controlada, o que significa que não deve
ser aplicado em qualquer tipo de comunicação a longa distância. Abaixo segue o circuito
esquemático:
O “centelhador” é na realidade um vibrador que rapidamente interrompe e estabelece a corrente
que circula pelo circuito. Esta corrente excita a bobina e o capacitor que formam o circuito
“ressonante”, produzindo assim a oscilação que se propaga pelo espaço na forma de ondas
eletromagnéticas.
O manipulador nada mais é do que um interruptor (botão de campainha) que permite ligar e
desligar a corrente no circuito, de modo a se enviar mensagens em código telegráfico (Morse).
Para experimentações a 'técnica da lima' (substituir o interruptor por um fio esfregando numa
lima) funciona muito bem.
A bobina L1 consiste de 100 voltas de fio comum (cabinho 22) num bastão de ferrite, e o
capacitor variável é do tipo comum (1 secção) aproveitado de algum velho rádio.
Para colocar em funcionamento, ligue nas proximidades do transmissor um rádio de AM
sintonizado
em
freqüência
livre.
Aperte o manipulador e ajuste o vibrador para que ele entre em funcionamento (vibração)
produzindo uma pequena centelha entre seus contatos. Neste ponto, um forte zumbido deve ser
ouvido no rádio colocado nas proximidades, atestando seu funcionamento. Ajuste CV para a
melhor recepção.
Nota: Observe que o sinal “se espalha” por boa parte da faixa de ondas médias. Este problema
é que impede que o transmissor tenha aplicações diferentes das experimentais, pois interferiria
em outras emissões.
Projeto
Microtransmissor transistorizado
2
Uma versão moderna, de freqüência estável, pode ser montada com apenas um transistor,
conforme a esquematização a seguir:
A montagem, em ponte de terminais, é a ilustrada abaixo.
A bobina L1 consiste de 80 voltas de fio, comum ou esmaltado (#22 ou #24), enroladas num
bastão de ferrite de 10 a 15 cm de comprimento, 1,0 cm de diâmetro, com tomada na 40 a espira.
O transistor pode ser o BC548 ou qualquer equivalente de uso geral.
O variável pode ser aproveitado de um rádio transistorizado fora de uso.
Para ajustar o transmissor, que opera emitindo onda continua (CW), basta apertar o
manipulador e ajustar CV para que seu sinal seja captado num radinho nas proximidades,
sintonizado num ponto livre da faixa de ondas médias.
Lista
Q1
L1
CV
C1
C2
R1
S1
B1
de
-
BC548
material
ou
equivalente
transistor
de
uso
geral
descrita
acima
descrito
acima
22
nF
capacitor
cerâmico
100
nF
capacitor
cerâmico
10k,
1/8W
resistor
(marrom,
preto,
laranja)
Manipulador
ou
interruptor
de
pressão
3V
ou
6V
2
ou
4
pilhas
pequenas
Diversos: fios, bastão de ferrite, suporte de pilhas, ponte de terminais, base de montagem
etc.
Projeto
3
Como
construir
um
rádio
"galena"
Os elementos necessários para a montagem de um rádio galena (seguindo o circuito da figura
anterior) são simples e fáceis de serem encontrados nas lojas especializadas. São basicamente
os seguintes:
1. Fio de cobre esmaltado para o enrolamento da bobina. Vamos precisar de 20 metros de fio #
24 (lojas de enrolamentos e consertos de motores);
2. Um tubo de PVC, ou mesmo, de papelão duro, para enrolar a bobina. Para se ter uma idéia
grosseira desse tubo, basta dizer, que é possível substituí-lo pelo tubo de papelão no qual vem
enrolando o papel higiênico. Esse tubo de material bom isolante elétrico tem comprimento de 10
a 12 cm e diâmetro entre 2,5 e 3,0 cm.
3. Um capacitor fixo. Seu valor é algo como 78 pF (leia 78 picofarad), disco ou cerâmico.
4. Um diodo de germânio para RF. Serve o tipo OA-90 ou equivalente (1N34 etc.)
5. Um fone de ouvido (cristal). Obtido de antigos rádios à pilha (os atuais fones de 8 ohms não
servem!).
6. Fios longos para serem usados como antena e como “Fio-terra‟‟. Uns 20 metros de cabinho #
22 devem ser suficientes.
É claro, necessitamos das especificações técnicas de cada um destes elementos, pois do
contrário, nenhuma loja poderá nos fornecer o material adequado. Damos estas especificações,
acima, junto com a lista dos materiais. É possível que você não entenda exatamente o que elas
significam; mas, pode estar certo de que, o homem da loja, ao ler a especificação, saberá, com
exatidão, o que está sendo pedido.
Em linhas gerais, a montagem de um rádio galena pode ser resumida nos itens abaixo.
1. Enrolar o fio esmaltado #24, no tubo, para obter uma bobina com núcleo de ar. Deixar 15 cm
livre em cada extremidade e lixar essas extremidades para retirar o esmalte protetor (detalhe
acima à esquerda).
2. A seguir, os diferentes elementos deverão ser ligados como mostra a figura acima. Seu
professor ou um amigo técnico em eletrônica poderá auxilia-lo nessa etapa.
Eis duas montagens caseiras:
Projeto
Transmissor e Receptor Mínimos
4
Esse projeto já se encontra descrito na Sala 15 - Eletrônica sob o título: Transmissor/Receptor
Elementar 2. Para se transferir para lá, clique aqui.
Projeto
Galena - versão 2
5
Como se sabe, um rádio galena (também denominado 'receptor de germânio', pelo fato do diodo
de germânio substituir o cristal de galena) não necessita de fonte de alimentação própria para
seu funcionamento; uma simples antena e uma boa tomada de terra asseguram seu rendimento.
A antena pode ter um comprimento de 20 a 30 m, dependendo de quão afastado você está da
emissora de 'broadcasting'; ela poderá ser do tipo L ou T. A tomada de terra pode ser a torneira
do cavalete do 'relógio da água' que faz parte da canalização urbana; também poderá ser
realizada enterrando-se uma vareta revestida de cobre (obtida em casas especializadas de
material elétrico) em local bem umedecido.
A bobina de sintonia pode ser feita com um tubo de PVC de 3,0 cm de diâmetro. Para sintonizar
as rádios de ondas médias (tradicional OM), o enrolamento L1 comportará 40 espiras juntas e
L2 com 120 espiras juntas, com tomada na 45 a espira a contar da extremidade de terra. L1 e L2
são enrolados no mesmo sentido e o espaçamento entre os dois enrolamentos deve ser de 3
mm. Ambos os enrolamentos usam fio de cobre esmaltado de diâmetro 0,2 mm.
Para receber ondas longas, L1 terá 80 espiras e L2 terá 220 espiras, com tomada na 80 a
contadas a partir da extremidade que vai ligada em terra.
O capacitor variável (CV) poderá estar compreendido entre 400 pF e 500 pF; podendo-se usar
tanto o tipo de dielétrico de ar como o de mica. O capacitor (C1) que vai em paralelo com os
fones de ouvido (filtro para a rádio-freqüência) é de 1500 pF, cerâmico.
O diodo (D1) é do tipo de germânio e poderá ser um OA79, OA85, 1N34 etc. Os fones de ouvido
devem ser de alta impedância; 2000 ohms ou mais.
A seletividade desse receptor não é muito alta, mas atende perfeitamente nossos motivos
didáticos. Sua apresentação (e discussão) em Feira de Ciências é altamente recomendada, não
só por esclarecer os princípios da rádio-difusão, mas por tratar-se de uma aplicação totalmente
ecológica e sem o consumo de nenhuma energia extra (a não ser aquela já transportada pela
própria onda eletromagnética).
Projetos
de
Consulentes
do
Feira
de
Ciências
Do jovem João Gerônimo, tive a satisfação de receber um e-mail com a seguinte contribuição:
Criei um circuito de Radio Galena, com base em vários estudos. Achei diversos tipos de
circuitos
de
Radio
Galena,
uns
até
usando
válvulas!
Mas estudei mais o circuito do Prof. Léo. O meu tem algumas modificações, como:
-
Em vez de
Mudei
o
Em
vez
usar um capacitor variável, uso um Resistor variável de 1k5;
valor
do
capacitor,
de
78
pF
para
150
pF;
de
usar
o
galena
uso
o
diodo
de
silício.
Essas modificações fizeram com que meu "galeninha", como gosto de chamá-lo, funcionar com
um
volume
relativamente
alto!
Isso
graças
ao
FEIRA
DE
CIÊNCIAS!
Só tenho 13 anos de idade e, meus vizinhos não acreditam no que faço. Eis as fotos: