COMUNICAÇÃO DE INFORMAÇÃO A LONGAS DISTÂNCIAS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS E COMUNICAÇÃO

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1 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.

2 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

3 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.

4 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).

5 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.

6 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.

7 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 ( ).

8 REFRAÇÃO DAS ONDAS A refração é um fenómeno que ocorre quando uma onda que se propaga num meio, com uma velocidade v 1, passa para outro meio em que se propaga com uma outra velocidade v 2. 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 n v Quanto maior for o índice de refração, mais refringente será o meio e menor a velocidade de propagação. Por vezes é útil considerar o índice de refração de um meio 2 em relação a um meio 1, n 21, que é igual à razão entre o índice de refração do meio 2, n 2, e o índice de refração do meio 1, n 1 : n 21 n n 2 1 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:

9 n 1 sin 1 n2 sin 2 Em que n 1 e n 2 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 2 2 =90 o 1 =0 o 1 1 = lim 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 (n 2 >>n 1 ).

10 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.

11 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 Frequência extrabaixa (ELF) - 30 Hz a 3 khz Frequência muito baixa (VLF) - 3 khz a 30 khz Frequência baixa (LF) - 30 khz a 300 khz Frequência média (MF) khz a 3 MHz Frequência alta (HF) - 3 MHz a 300 MHz Utilização Ligações a submarinos. Comunicações de longo alcance: navegação e militar. Comunicações de longo alcance: navegação e estações de rádio. Estações de rádios nacionais. Estações de rádios e radiotelefone. Frequência ultra-alta (UHF) MHz a 3 GHz Estações de televisão, telemóveis e controlo aéreo por radar. Frequência superalta (SHF) - 3 GHz a 30 GHz Telefones, radar, satélites de comunicação, GPS. Frequência extra-alta (EHF) - 30 GHz a 300 GHz Estações espaciais.

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