Componente de Física

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1 Compoete de Física. Comuicação a loga distâcia A luz tem um comportameto dual. Comporta-se como um fluxo de partículas, os fotões, pacotes de eergia quatizada, i.e., quata, em que a eergia trasportada por uma radiação, ou seja, pelos fotões que a compõem, é directamete proporcioal à sua frequêcia, E = h f, em que h é a costate de Plack. Comporta-se como uma oda também dado que experimeta os feómeos de reflexão, difusão, refracção e difracção, feómeos de atureza odulatória. Etão, como podemos defiir o que é a luz? Podemos dizer que a luz é a propagação de uma perturbação periódica de um campo eléctrico e um campo magético, trasversalmete o espaço, pois estes campos, para além de serem perpediculares etre si, são perpediculares à direcção de propagação. Fig. Represetação esquemática de uma oda electromagética 8 A velocidade de propagação da luz o vazio roda os 3,0 0 m / s, valor aproximado também para a propagação o ar, mas em meios materiais esse valor é meor... Trasmissão de iformação A luz, como radiação electromagética que é, ão ecessita de suporte material para se propagar; por isso as odas electromagéticas são utilizadas para a trasmissão de iformação a logas distâcias. No ar, apresetam a vatagem de serem pouco absorvidas durate a sua propagação este meio, ao cotrário de uma oda soora em que, por mais itesa que seja a perturbação que a origiou, uma parte da sua eergia Paulo José Satos Carriço Portugal Págia de 7

2 vai sedo absorvida durate a propagação, correspodedo uma dimiuição da sua itesidade. Foi o físico escocês James Clerk Maxwell quem, em 864, o seguimeto dos trabalhos desevolvidos por Ampere, Oested e Faraday, desevolveu um cojuto de equações que relacioam os campos eléctricos e magéticos, o que está a base de todo o sistema de telecomuicações, o que levou à previsão das odas electromagéticas. Assim, cargas eléctricas sujeitas a campos eléctricos sofrem a acção de forças eléctricas e codutores atravessados por correte eléctrica sujeitos a campos magéticos sofrem a acção de forças magéticas. Foi o físico alemão Heirich Hertz quem, cerca de vite aos depois, comprovou a teoria de Maxwell, ao realizar uma experiêcia a qual criou artificialmete, e pela primeira vez, odas de rádio, as chamadas odas hertziaas, ficado também patete que estas odas se propagavam o espaço, podedo sofrer reflexão, refracção e difracção. Hertz determiou também a velocidade de propagação destas odas, bem como o seu comprimeto de oda. A figura seguite esquematiza a motagem experimetal levada a cabo por Hertz. Fig. Represetação esquemática da experiêcia de Hertz Utilizado um gerador de alta tesão e uma bobia era possível criar uma oscilação de cargas eléctricas etre dois pares de esferas, de tamahos diferetes, as quais emitiam odas electromagéticas captadas por um ressoador, um ael metálico com uma pequea abertura regulável. Com uma lupa observou, etre as potas do ressoador, pequeas faíscas. O ressoador fucioou como a primeira atea receptora e o seu excitador fucioou como a primeira atea emissora. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia de 7

3 A comuicação via rádio processa-se essecialmete sob a forma de rádio AM e rádio FM. A trasmissão de um sial, como um sial áudio moofóico, pode ser feita através da modulação de amplitude (AM) ou da modelação de frequêcia (FM). Modulação em amplitude Quado a iformação é trasmitida a partir de uma estação de rádio AM, a imagem eléctrica do som, obtida a partir de um microfoe, é usada para modular a amplitude da oda trasportadora trasmitida pela atea de emissão da estação. A bada AM do espectro electromagético está colocada etre os 605 khz e as odas trasportadoras são espaçadas de 0 khz. 535 khz e os Fig. 3 Esquema da modulação de amplitude Assim, uma estação de rádio AM utiliza a imagem eléctrica do sial sooro para modular a amplitude da oda trasportadora. Na extremidade do receptor aquela imagem é retirada da oda trasportadora e trasformada de ovo uma oda soora por um altifalate. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 3 de 7

4 Modulação de frequêcia Quado a iformação é trasmitida de uma estação de rádio FM, a imagem eléctrica do sial sooro, obtida a partir de um microfoe, é usada para modular a frequêcia da oda trasportadora trasmitida a partir da atea da estação de rádio. A bada FM do espectro electromagético está compreedida etre os 88 MHz e os 08 MHz e as odas trasportadoras para estações idividuais são espaçadas de 00 khz, para um máximo de 00 estações. Estas estações FM possuem um desvio máximo de 75 khz da frequêcia cetral, o que deixa marges de 5 khz para cada lado para miimizar iterferêcias com badas adjacetes. Esta separação de estações é muito mais larga do que o que se passa para as estações AM, o que permite a trasmissão uma mais vasta bada de frequêcias para a emissão de música em alta fidelidade, daí que a largura de bada usada a rádio FM seja maior que a largura de bada usada a rádio AM. Permite também a utilização de sub - odas trasportadoras o que tora possível a trasmissão de siais em FM estéreo. Fig. 4 Esquema da modulação de frequêcia Assim, uma estação de rádio FM utiliza a imagem eléctrica de um sial sooro para modelar a frequêcia da oda trasportadora. Na extremidade do receptor aquela imagem é retirada da oda trasportadora e traduzida de ovo um sial sooro por um altifalate. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 4 de 7

5 A figura seguite ilustra com mais detalhe este processo. Fig. 5 Esquema mais detalhado da modulação de frequêcia A modificação da frequêcia, que aqui está desproporcioada, é proporcioal à amplitude do sial. Uma oda trasportadora de rádio FM de cerca de 00 MHz está limitada à modelação de ± 0, MHz. Uma emissão ormal de rádio estéreo FM está compreedida, em termos de modelação, a ± 0,053MHz. A comuicação via rádio processa-se essecialmete sob a forma de rádio AM e rádio FM. A trasmissão de um sial, como um sial áudio moofóico, pode ser feita através da modulação de amplitude (AM) ou da modulação de frequêcia (FM). Existem duas categorias de siais: os aalógicos, que são fuções cotíuas de uma gradeza física, e os digitais, fuções discretas de uma gradeza física. Assim: Nos siais aalógicos a gradeza física aalisada varia de uma forma cotíua; Nos siais digitais a gradeza física aalisada assume uma série de sequêcias formadas por 0 e. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 5 de 7

6 .. Feómeos odulatórios Uma oda icidete, a superfície de separação etre dois meios, trasporta eergia. Parte dessa eergia é, ou poderá ser, absorvida, parte é trasmitida e parte é reflectida, de acordo com a Lei da Coservação de Eergia. Para represetar esquematicamete estes feómeos é usual recorrer ao raio de oda, uma liha imagiária que é perpedicular à frete de oda que defie a direcção de propagação desta. O feómeo de reflexão dá-se quado um feixe lumioso, ao icidir a superfície de separação etre dois meios, muda de direcção, cotiuado a propagar-se o mesmo meio. A figura seguite esquematiza a situação. Fig. 6 Esquema represetativo da reflexão regular Nesta represetação, N represeta a ormal o poto de icidêcia, i o raio icidete, r o raio reflectido, α o âgulo de icidêcia (âgulo feito pelo raio icidete com a ormal ao poto de icidêcia) e β o âgulo de reflexão (âgulo feito pelo raio reflectido com a ormal ao poto de icidêcia). O esquema aqui represetado respeita à reflexão regular uma vez que a superfície de separação etre os meios é plaa. As leis de Sell Descartes para a reflexão são: O raio icidete, o raio reflectido e a ormal o poto de icidêcia estão cotidos o mesmo plao; Os âgulos de icidêcia e reflexão são iguais. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 6 de 7

7 Se a superfície de separação fosse irregular a reflexão dir-se-ia difusa, i.e., ocorreria uma difusão, e os raios icidetes seriam reflectidos em várias direcções. Não esquecer que, devido ao facto do osso plaeta ter uma atmosfera os raios solares sofrem uma difusão devido à preseça das moléculas costituites da atmosfera. Quado um feixe lumioso passa, através de uma superfície de separação, de um meio material para outro, meios esses ditos ópticos, mas de refrigêcia diferete, a velocidade com que a luz se propaga varia, o que leva a uma mudaça a sua direcção de propagação. Este feómeo desiga-se por refracção. A figura seguite ilustra a mudaça de direcção de um feixe lumioso quado este abadoa um meio óptico, meos deso, i.e., meos refrigete, passado, através da superfície de separação, para um meio óptico, mais deso, i.e., mais refrigete. Fig. 7 Esquema represetativo da refracção da luz quado esta passa de um meio meos refrigete para outro mais refrigete Não existido absorção de radiação electromagética, parte desta é reflectida, verificado-se as leis supracitadas para a reflexão, e parte é trasmitida, i.e., sofre uma refracção, pois ocorre uma variação a direcção de propagação, equivalete a uma variação a velocidade de propagação da radiação. Nesta represetação, N represeta a ormal o poto de icidêcia, i o raio icidete, r o raio reflectido, α o âgulo de icidêcia (âgulo feito pelo raio icidete com a ormal ao poto de icidêcia), β o âgulo de reflexão (âgulo feito pelo raio Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 7 de 7

8 reflectido com a ormal ao poto de icidêcia), R o raio refractado, ou refracto, e γ o âgulo de refracção (âgulo feito pelo raio refracto com a ormal ao poto de icidêcia). Se o meio é mais deso que o meio, a radiação electromagética propaga-se, o meio, com meor velocidade com que se propaga o meio e daí o desvio a direcção de propagação aproximado o raio refracto da ormal ao poto de icidêcia. Se o meio fosse meos deso, ou seja, meos refrigete, que o meio, a situação seria a ilustrada pela figura seguite. Fig. 8 Esquema represetativo da refracção da luz quado esta passa de um meio mais refrigete para outro meos refrigete Aqui, o meio, a velocidade de propagação da radiação electromagética seria maior que a correspodete para o meio e o desvio a direcção de propagação afasta o raio refracto da ormal ao poto de icidêcia. Em qualquer dos casos, as leis de Sell Descartes para a refracção são: O raio icidete, o raio refracto e a ormal ao poto de icidêcia estão cotidos o mesmo plao; se α = k, com k = seγ Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 8 de 7

9 Assim, temos se α = seγ de refracção do meio, ou seja,, em que é o ídice de refracção do meio e o ídice seγ = seα. O quociete de refracção do meio relativamete ao meio, i.e.,,. dá-os o ídice Para um meio geérico, o ídice de refracção é calculado como o quociete etre a velocidade da radiação electromagética o vazio, c, i.e., 8 3,0 0 m / s, e a velocidade da mesma radiação o meio, v, tal que: Logo, a expressão c = v seγ = seα pode vir expressa como: c v seγ = c v v seα v seα = seγ em que v é a velocidade de propagação o meio e v a velocidade de propagação o meio. De salietar que, como a velocidade de propagação da luz o ar é praticamete igual à velocidade de propagação da luz o vazio, o ídice de refracção do ar é, 00. se α Se cosiderarmos o meio como o ar, temos = seγ, dado que =, 00. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 9 de 7

10 Numa situação experimetal, recorredo a um feixe laser e a um prisma de vidro, ou acrílico, acotece algo semelhate ao esquematizado a figura seguite. Fig. 9 Esquema represetativo da refracção da luz quado esta passa de um meio meos refrigete, como o ar, para outro mais refrigete, como o vidro ou o acrílico, emergido posteriormete de ovo para o meio meos refrigete, o ar de ovo Verifica-se que parte do feixe é reflectido e parte é trasmitido através do prisma. Como o prisma é mais deso que o ar o feixe refractado aproxima-se da ormal ao poto de icidêcia, ocorre uma dimiuição da velocidade detro do prisma. Quado o feixe emerge do prisma, passado de ovo para o ar, meio meos deso que o prisma, o feixe é desviado ovamete, afastado-se da ormal ao poto de icidêcia, pois a velocidade passa a ser maior outra vez, tal que os feixes emergete e icidete são paralelos. Vamos agora cosiderar a situação em que um feixe lumioso passa, através da superfície de separação, de um meio mais deso, mais refrigete, para um meio meos deso, meos refrigete. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 0 de 7

11 A figura seguite ilustra a situação referida. Fig. 0 Esquema represetativo da situação de determiação do âgulo crítico para um meio óptico Como iterpretar este esquema? É simples. Um feixe lumioso icidete i, proveiete de um meio óptico, passa através da superfície de separação para um meio óptico, meos deso, i.e., meos refrigete. Parte do feixe é reflectido, r, e parte é trasmitido, sofredo refracção, R. Para a situação a cheio, α, β e γ são os âgulos de icidêcia, reflexão e refracção, respectivamete, tal que, de acordo com as leis de Sell - Descartes, α = β e α p γ. Se aumetar o âgulo de icidêcia (aumeta o âgulo de reflexão, pois são iguais), aumeta também o âgulo de refracção, até que, uma situação limite, a tracejado, o âgulo de refracção é igual a 90 º. Nesta situação limite, ao âgulo de icidêcia chamamos âgulo limite, ou âgulo crítico, e represetamo-lo por θ c. Para um âgulo de icidêcia superior ao âgulo crítico o feixe icidete é totalmete reflectido, ão ocorredo refracção, e a este feómeo chamamos reflexão total. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia de 7

12 A figura seguite ilustra a situação de reflexão total, i.e., a ausêcia de refracção, ou seja, toda a radiação electromagética icidete, com um âgulo, relativamete à ormal ao poto de icidêcia, superior ao âgulo crítico, ou limite, para esse meio óptico. Fig. Esquema represetativo da situação de reflexão total O que é que isto implica? Se aplicarmos as leis de Sell Descartes para a refracção, temos seα = seγ Não esquecer que, agora, o feixe passa do meio que tem o ídice de refracção maior,, para o meio que tem o ídice de refracção meor,.. Assim, temos seα = seγ. Se quisermos determiar qual o âgulo crítico para um dado meio óptico, seγ = se90 º =, e se o meio for o ar =, 00, etão:,00 seθc =,00 seθc = θc = se,00 Paulo José Satos Carriço Portugal Págia de 7

13 O feómeo da reflexão total está a patete o fucioameto de um dos suportes mais eficazes a trasmissão de iformação a logas distâcias, obviamete recorredo à radiação electromagética, que é a fibra óptica, ivetada pelo físico idiao Narider Sigh Kampay. A fibra óptica é um filameto, de vidro ou de materiais poliméricos, com capacidade de trasmitir luz, i.e., radiação electromagética. Estes filametos têm diâmetros variáveis, depededo da aplicação, ido desde diâmetros ífimos, da ordem dos micrómetros (mais fios que um fio de cabelo) até vários milímetros, podedo ser agrupadas em cabos. O vidro é o mais utilizado porque absorve em meor escala a radiação electromagética. A trasmissão da luz pela fibra segue um mesmo pricípio, idepedetemete do material usado ou da aplicação: é laçado um feixe de luz uma extremidade da fibra, e pelas características ópticas do meio (fibra), esse feixe percorre a fibra através de cosecutivas reflexões. A fibra possui o míimo duas camadas: o úcleo e o revestimeto. No úcleo ocorre a trasmissão da luz propriamete dita, embora o revestimeto ão seja meos importate. A trasmissão da luz detro da fibra é possível graças a uma difereça de ídice de refracção etre o revestimeto e o úcleo, sedo que o úcleo possui sempre um ídice de refracção mais elevado, característica que aliada ao âgulo de icidêcia do feixe de luz, possibilita o feómeo da reflexão total. A radiação electromagética mais utilizada a trasmissão de iformação por fibra óptica é a radiação ifravermelha. A figura seguite ilustra o pricípio de fucioameto de uma fibra óptica, à base de vidro, e a qual os âgulos de icidêcia da radiação electromagética a superfície de separação etre os meios são superiores ao âgulo crítico para o meio que costitui o úcleo da fibra. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 3 de 7

14 Parte extera da fibra óptica, em vidro muito puro, com um ídice de refracção iferior ao ídice de refracção do material que costitui o úcleo Parte cetral da fibra óptica, em vidro eriquecido em fósforo e germâio, com um ídice de refracção muito elevado Luz reflectida totalmete, e sucessivamete, a superfície de separação etre os diferetes materiais dos compoetes da fibra óptica, devido à difereça etre os ídices de refracção correspodetes. Fig. Esquema represetativo do pricípio de fucioameto de uma fibra óptica Um outro feómeo caracteristicamete odulatório é o feómeo da difracção. A difracção é um feómeo o qual as odas cotoram obstáculos com dimesões da ordem de gradeza do comprimeto de oda das odas supracitadas. É também o feómeo que ocorre quado odas icidem um orifício de dimesões da mesma ordem de gradeza do comprimeto de oda das odas icidetes. Durate a difracção ão há alteração do comprimeto de oda das odas icidetes pois o meio de propagação é o mesmo. A figura seguite ilustra o feómeo da difracção de odas icidetes o orifício, ou feda, existete um ateparo, válido tato para uma oda electromagética como para uma oda mecâica. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 4 de 7

15 Ateparo com um orifício, ou feda, de tamaho da mesma ordem de gradeza do comprimeto de oda da radiação electromagética icidete Radiação electromagética difractada (fretes de oda circulares) Radiação electromagética icidete (fretes de oda plaa) Fig. 3 Esquema represetativo do feómeo de difracção O que se pode cocluir? Como para existir difracção as dimesões da feda ou do obstáculo, o qual uma oda icide, têm de ser de igual ordem de gradeza do comprimeto de oda da oda icidete: o som e as odas electromagéticas de grade comprimeto de oda (odas de rádio) cotoram com facilidade obstáculos de grades dimesões, propagado-se em todas as direcções; as odas electromagéticas de pequeo comprimeto de oda (odas de TV em UHF, ou microodas, ou outras de maior frequêcia) praticamete ão sofrem difracção, o que ão implica que ão sofram reflexão e/ou refracção por parte da atmosfera terrestre. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 5 de 7

16 ..3 Badas de radiofrequêcia As odas electromagéticas, das mais diversas frequêcias, ao atravessarem a atmosfera terrestre podem sofrer reflexão, refracção, difracção ou absorção. Na tabela seguite estão discrimiadas as badas de frequêcia mais utilizadas as comuicações. Bada de frequêcias Utilização ELF (Extra Low Frequecy) Comuicação com submarios. Frequêcia extrabaixa (30 Hz 3 khz) VLF (Very Low Frequecy) Navegação e military. Frequêcia muito baixa (3 khz 30 khz) LF (Low Frequecy) Navegação e estações de rádio. Frequêcia baixa (30 khz 300 khz) Odas logas MF (Medium Frequecy) Estações de rádio acioais. Frequêcia média (300 khz 3 MHz) Odas médias HF (High Frequecy) Estações de rádio e radiotelefoe. Frequêcia alta (3 MHz 30 MHz) Odas curtas VHF (Very High Frequecy) Frequêcia muito alta (30 MHz 300 MHz) Estações de rádio em FM e estações de televisão. UHF (Ultra High Frequecy) Estações de televisão, telefoes Frequêcia ultra alta (300 MHz 3 GHz) celulares e cotrolo aéreo por radar. SHF (Super High Frequecy) Frequêcia super alta (3 GHz 30 GHz) Telefoes celulares, radar, satélites de comuicação e GPS. Microodas EHF (Extra High Frequecy) Estações espaciais. Frequêcia extra alta (30 GHz 300 GHz) Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 6 de 7

17 As odas rádio de baixas frequêcias, grades comprimetos de oda, as odas médias e logas, são as que melhor se difractam a atmosfera, cotorado facilmete obstáculos de grades dimesões, e acompaham a curvatura terrestre, até algus milhares de km, porque são pouco absorvidas pelo ar e são reflectidas pela estratosfera. As odas rádio de elevadas frequêcias, pequeos comprimetos de oda, as odas curtas, sofrem múltiplas reflexões a ioosfera e a superfície terrestre, propagado-se também a grades distâcias. As odas electromagéticas com frequêcia extra alta, como são as microodas, são pouco absorvidas e/ou reflectidas a atmosfera e, como praticamete ão sofrem difracção, propagam-se em liha recta. Como podem atravessar a ioosfera são utilizadas as comuicações via satélite. Claro que esta ão é a úica razão. Porque a iformação a trasmitir é mesmo muito elevada a largura de bada tem de ser elevada, o que implica odas portadoras de elevada frequêcia. (ota: ão estamos o cotexto de ioização de átomos ou remoção electróica!) A trasmissão de iformação também pode ser efectuada com recurso a radiação ifravermelha, a qual também ão sofre difracção, como é o caso da utilização dos remotos dos mais diversos electrodomésticos, o que praticamete ão levata problemas dado que os utilizadores estão ormalmete em liha recta com os ditos, e para além disso este tipo de radiação é facilmete reflectida por tectos e paredes. Paulo José Satos Carriço Portugal Págia 7 de 7