Teoria básica das ondas eletromagnéticas Geração de ondas

Teoria básica das ondas eletromagnéticas
Geração de ondas eletromagnéticas
Um condutor elétrico que esteja sobre a influência dum campo magnético variável gera uma corrente
elétrica. Esta corrente elétrica induz um campo elétrico ao redor do condutor elétrico. Desta forma um
campo magnético variável cria no espaço um campo elétrico variável. O campo elétrico origina uma
corrente no condutor elétrico que produz um novo campo magnético e que por sua vez cria outro campo
elétrico. Isto repete-se mesmo não existindo o elemento condutor elétrico. A este processo dá-se o nome de
indução eletromagnética. Estes campos são independentes e viajam pelo espaço á mesma velocidade. A
combinação de campos elétrico e magnético é denominada de campo eletromagnético.
James Clerk Maxwell correlacionou uma série de quatro equações que descrevem a interação das
componentes elétricas e magnéticas dos respetivos campos elétricos e magnéticos e a relação com a
voltagem e a corrente elétrica. Estas equações são: Lei de Ampere para circuitos, Teorema de Gauss para
campos elétricos, Teorema de Gauss para campos magnéticos e a Lei de Faraday relacionada com a força
eletromotriz. A correlação das quatros equações deu origem às famosas equações de Maxwell que serve de
base à teoria do eletromagnetismo podendo resolver problemas de campos eletromagnéticos e de
irradiação.
Ondas eletromagnéticas
A onda eletromagnética é uma oscilação da carga elétrica de forma sinusoidal podendo ser criada de
várias formas:

Através de um circuito oscilador,

Pelo movimento de um condutor elétrico num campo magnético,

Pelo método magnetostritivo (vibração mecânica de matérias ferromagnéticas induz corrente
alternada sobre um condutor elétrico enrolado),

Pelo método piezoelétrico (vibração mecânica do quartzo produz corrente alternada entre duas
placas nos lados opostos do cristal),

Pela sua natureza (oscilações ondulatórias que origina a luz, raios X, raios Gama e outras
radiações).
Existe uma serie de nomenclatura e parâmetros que caracterizam e diferenciam as ondas
eletromagnéticas.
Uma característica das ondas é que elas oscilam sobre uma linha de referência e com igual amplitude
entre um valor positivo (crista) e um valor negativo (cavado). A distância temporal entre duas cristas
ou dois cavados define um ciclo. Da mesma forma a distância espacial entre duas cristas ou dois
cavados define o comprimento da onda em metros.
Através destes parâmetros é possível determinar outras características das ondas eletromagnéticas como
são: o período, a frequência e a fase.

O período de uma onda é o tempo que leva para completar um ciclo.

A frequência é o número de ciclos completos numa unidade de tempo que normalmente é o
segundo ou um submúltiplo deste. As frequências de ondas eletromagnéticas ou também
designadas de ondas de rádio são medidas em Hertz (Hz) correspondendo a um ciclo por
segundo.

Quanto à fase, esta é medida em unidades angulares, correspondendo 360º a um ciclo completo.
Esta representa o avanço ou o atraso de um ciclo em relação a uma origem específica.
Pela definição de frequência da onda eletromagnética e conhecendo a sua velocidade de propagação no
meio é então possível determinar o seu comprimento, através da equação
. Também, deduz-se
facilmente que o comprimento é tanto menor quanto maior for a frequência onda eletromagnética.
Definindo a velocidade de propagação no espaço livre igual à velocidade da luz no espaço (
) e o tempo de 1 segundo, obtemos a seguinte relação:
Então o comprimento da onda eletromagnética, em metros, é calculado assim:
Conclui-se que cada frequência eletromagnética irradia em um determinado comprimentos de onda.
Ao conjunto de todas as frequências das radiações eletromagnéticas, desde alguns Hertz passando por
1014 Hertz, constitui o espectro eletromagnético ou também chamado espectro de frequência. Nele está
englobado as frequências de rádio, radar, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X, raios Gama e
outras radiações.
Para facilidade de referência, o espectro das ondas de rádio é dividido nas oito faixas de frequência.
A sua propagação através dum meio deve satisfazer duas condições: as equações de Maxwell e a resposta
do meio aos campos das ondas.
As equações de J. C. Maxwell (1973) podem ser escritas da seguinte forma:
∇. D = ρ
∇ × H = J + ∂D/ ∂ t
∇. B = 0
∇ × E = - ∂B/ ∂ t
Onde

D é o vetor deslocamento ou densidade de fluxo (C/m2),

ρ é a densidade volumétrica de carga (C/m3),

B é o vetor indução magnética (Wb/m2 = 104 Gauss no sistema CGS),

H é o vetor campo magnético (A/m),

J é o vetor densidade de corrente (A/m2),

E é vetor o campo elétrico (V/m).
Em relação ao meio de propagação temos
D = εE = εoE + P
B = μH
J = σE
Onde

ε é a permissividade do meio (F/m),

εo é a permissividade no vácuo (8,85 picoF/m = 10-9/36π Fm-1),

P é o vetor polarização do meio (C/m2),

J é o vetor densidade de corrente (A/m2),

σ é a matriz condutividade (1/Ωm) e

μ é a permeabilidade (Wb/Am).
O meio dielétrico por onde circula ou se propaga a onda eletromagnética tem uma influência muito
grande nos parâmetros da onda.
i.- Velocidade de propagação
A velocidade de propagação ou velocidade de fase, para um ponto de fase constante, de uma onda
progressiva em um meio dielétrico ideal é uma constante.
A velocidade é uma característica do meio sendo dependente das constantes μ e ε. No espaço livre (vácuo)
a vf é aproximadamente igual a 300.000 Km/segundo enquanto na atmosfera terrestre é de
299.708.000 metros/segundo, o que corresponde a uma diferença de 0,097%.
é a velocidade da luz no vácuo
Sendo assim para cada meio dielétrico temos diferentes velocidades de propagação relacionando-se com a
velocidade da luz no vácuo através da velocidade de fase relativa ou fator de velocidade.
Para os meios ferromagnéticos
pelo que a velocidade de fase relativa é caracterizada pela
expressão:
Cada meio dielétrico ideal está caracterizado por ter um valor específico para a velocidade de fase. Este
valor é relacionado com a velocidade da luz no vácuo, tendo uma velocidade de fase relativa ou fator de
velocidade.
Isto significa que o comprimento da onda está diretamente relacionado com a frequência e a velocidade
de propagação.
ii.- Índice de refração
O índice de refração é uma característica do meio e é definido como o inverso do fator de velocidade ou
velocidade de fase relativa:
E no caso de materiais ferromagnéticos μr é muito próximo da unidade pelo que
iii.- Polarização
As ondas eletromagnéticas são uma forma de energia oscilatória constituída por campos elétrico e
magnético que se propagam no espaço. Se essas ondas estão
num mesmo plano, ou seja, se os deslocamentos estão sempre
no plano XY, diz-se que o movimento ondulatório é
polarizado linearmente. Se o plano estiver na vertical, a
polarização será vertical. Se o plano estiver na horizontal, a
polarização será horizontal.
A polarização de uma onda eletromagnética é definida como
a relação entre a componente y e X do campo elétrico
(ρ=Ex/Ey) num ponto do espaço, no plano da onda
(perpendicular á direção de propagação da onda).
Portanto a polarização pode ser linear (horizontal e vertical), circular (esquerda e direita) ou no caso
mais usual elíptica.
iv.-Diferença de Fase
v.-modulação de fase
Ionosfera
A ionosfera é a região superior da atmosfera. Esta compreendida aproximadamente entre 50 a 1000 km
de altura e caracterizada pela alta condutividade, devido ao elevado número de iões e eletrões livres
existentes.
A ionosfera é dividida em três camadas ou regiões:

A camada D, compreendida entre 50 a 90 km de altura, e que contem a camada de raios
cósmicos ou camada C. Esta camada é importante porque absorve ou atenua as ondas.

A camada E, está compreendida entre 90 a 140 km de altura, é produzida pelos raios X moles
(Soft X-Rays) do Sol, e tem esporadicamente uma camada ionizada relativamente mais
densa, conhecida como camada E esporádica (Es).

A camada F, tem geralmente a maior densidade de eletrões, está acima dos 140 km de altura, e
é subdividida em duas camadas: F1 e F2, as quais são produzidas pela radiação EUV (extreme
ultravioleta light).
Acima da ionosfera está a plasma-esfera.
As camadas E, F1,F2 e quando presente a Es são responsáveis pela refração das ondas de radio
frequências.
A região mais importante para a propagação de HF é a F2 pois:
•
Está presente durante as 24 horas do dia.
•
Permite caminhos longos de comunicação na parte superior.
•
Usualmente reflete as altas frequências na banda de HF.
•
Possuem um maior tempo de vida de eletrões (20 minutos) comparado com as outras camadas E
(20 segundos) e F1 (1 minuto) (IPS, 2002).
O surgimento de camadas deve-se à ionização causada pela radiação solar durante o dia, cujos fotões
colidem com átomos ou moléculas neutras, originando eletrões e catiões livres. O processo inverso, a
recombinação dos eletrões com os catiões, formando partículas neutras, ocorre sempre, durante a noite e o
dia.
Todas as camadas da ionosfera são variáveis de alguma forma, com as características de cada uma
delas depender dos períodos diurnos, das estações do ano, do ciclo solar, da latitude e longitude, da
poluição atmosférica, etc.
As camadas condicionam as transmissões e receções de sinais rádio elétricos, afetando mais as faixas
de MF e HF durante o dia e produzindo ondas celestes à noite nas faixas de VHF e às frequências
superiores de LF.
Propagação das ondas eletromagnéticas
O comportamento das ondas eletromagnéticas é afetado pelo meio que atravessam provocando algumas
alterações nas características:
•
Dispersão
•
Absorção e Atenuação
•
Reflexão
•
Refração
•
Difração
a) Dispersão
Recorrendo ao princípio da conservação da energia é fácil deduzir que a energia irradiada que
atravessa a superfície de uma esfera que envolva a fonte é a mesma independente do raio da esfera.
Isto significa que quanto maior for o raio maior é a superfície da esfera e menor é a densidade de
potencia que a atravessa.
Esta densidade a uma qualquer distância R da fonte emissora será:
Sendo
a densidade de potência a uma distância
da fonte que irradia uma potência
.
Para irradiações direcionais, o princípio é o mesmo, é necessário considerar o ganho da antena
.
Na prática significa que cada vez que duplicamos a distância ocorre uma perda de potência de 6db.
Outro fator importante é que a lei da dispersão é independente da frequência.
b) Absorção e atenuação
A propagação de ondas através de qualquer meio diferente do vácuo é sempre acompanhada de
perdas causadas pela absorção de potência pelas partículas do meio. Assim, apenas as ondas
eletromagnéticas que se propagam no vácuo não são atenuadas pela absorção.
As ondas eletromagnéticas, ao se propagarem na atmosfera, são afetadas pelo vapor de água e as
moléculas de oxigênio provocando uma absorção da energia. Este efeitos, é maior quanto maior é a
frequência.
Chuva e nuvens representam um grande número de moléculas de água responsáveis pela forte
diminuição da energia especialmente nas faixas de frequências mais elevadas e de micro-ondas.
Como a densidade da atmosfera diminui com o aumento da altura, a absorção das ondas
eletromagnéticas é maior a baixas altitudes e menor a altas altitudes. Sendo assim uma onda
eletromagnética, que liga dois pontos sofre diminuição de energia consoante o trajeto que fizer.
Como já foi explica na dispersão a intensidade da onda diminui com a distância. Essa diminuição
da intensidade é denominada de atenuação.
c) Reflexão
Para muitos sistemas, como o radar ou sensores passivos, a reflexão é indispensável para o seu
funcionamento.
Um feixe de onda eletromagnética ao chegar à superfície limítrofe entre dois meios de densidades
diferentes, parte da energia é refletida, outra parte é absorvida pela superfície e uma outra parte
penetra no novo meio.
A relação de energia nos três processos depende da natureza da superfície, das propriedades do
material e da frequência e polarização da onda eletromagnética.
A reflexão o feixe de ondas eletromagnética respeita as leis da reflexão:
i.
ii.
O raio de incidência e o raio de reflexão estão no mesmo plano
O angulo de incidência é igual ao angulo de reflexão.
Exemplo de meios de reflexão temos as nuvens densas e a chuva em especial para frequências altas.
Do mesmo modo as frequências muito alta (VHF) ou superiores podem ser refletidas pelos limites
bem definidos como são as frentes de massas de ar frio e quente, quando o ar quente e húmido flui
sobre o ar frio e mais seco.
Se a superfície entre as massas de ar é paralela à superfície da Terra, as ondas de rádio podem
percorrer distâncias maiores.
Uma característica é que sempre que uma onda é refletida, ocorre uma mudança de fase, que varia
consoante a condutividade da superfície e a polarização da onda.
Como já foi abordado no tema da ionosfera, esta têm varias superfícies refletoras. Cada uma das
superfícies afeta mais ou menos determinadas faixa de frequências.
As ondas refletidas pela ionosfera são chamadas de ondas celestes. Estas ocorrem quando o angulo
de incidência ß for superior ao angulo crítico
d) Refração
Quando um feixe de onda eletromagnética se propaga por um meio onde existe variações de
densidade, este sofre um encurvamento do trajeto. As ondas são refratadas na atmosfera devido a
pequenas variações da velocidade de propagação em consequência dos gradientes da densidade.
Este fenómeno é mais acentuado nas regiões mais baixas de atmosferas e depende das variações de
temperatura, da humidade e da pressão atmosférica.
Como é sabido a atmosfera não é homogênea originando variações nos gradientes de refração
criando assim diferentes tipos de refração: refração normal, super refração ou sub refração.
Estas variações nos gradientes podem causar a um feixe de ondas eletromagnética:
i. Encurvamento brusco, reduzindo o alcance,
ii. Divisão do feixe causando zonas de sombra e dutos (falhas e concentração de energia)
e)
Difração
A difração é a dispersão da onda em torno de um obstáculo. Este fenómeno permite que ondas
eletromagnéticas contornem um objeto continuando a sua propagação.
Com a difração existe uma mudança de direção da onda mesmo
quando o feixe passa junto do obstáculo. O efeito prático é uma
diminuição da potência do sinal na área de sombra e um padrão
perturbado perto dessa área. A difração é inversamente proporcional à
frequência sendo mais acentuado nas baixas frequências, tendo valor
máximo quando o comprimento do obstáculo for igual ao comprimento
da onda.