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 t1 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 t4 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 t10 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 bobina-capacitor 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 torna-se 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 2 Microtransmissor transistorizado

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 40a 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 de material Q1 - BC548 ou equivalente - transistor de uso geral L1 - descrita acima CV - descrito acima C1 - 22 nF - capacitor cerâmico C2 - 100 nF - capacitor cerâmico R1 - 10k, 1/8W - resistor (marrom, preto, laranja) S1 - Manipulador ou interruptor de pressão B1 - 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 4 Transmissor e Receptor Mínimos

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 5 Galena - versão 2

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 45a 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 80a 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 usar um capacitor variável, uso um Resistor variável de 1k5; - Mudei o valor do capacitor, de 78 pF para 150 pF; - Em vez 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: