As ondas de rádio são oscilações eletromagnéticas com frequências muito baixas, indo tipicamente de 3 kHz a 300 GHz, ou seja, são formadas por campos elétricos e magnéticos que oscilam de três mil vezes por segundo até 300 bilhões de vezes por segundo. É estranho associar uma quantidade que envolve bilhões a qualquer valor baixo, mas lembre-se que a luz visível oscila de 400 a 800 trilhões de vezes por segundo!
Como as ondas de rádio se propagam a uma velocidade específica, que vimos ser a velocidade da luz, podemos associar um comprimento de onda a cada frequência. Utilizando a conhecida fórmula de propagação de ondas:
[tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?c=\lambda f[/tex]
podemos calcular que as ondas de rádio possuem comprimento de onda que vai de 1 milímetro a 100 quilômetros. Uma comparação: a luz visível tem comprimento de onda típico de 400 a 800 nanômetros (1 nanômetro equivale a [tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?10^{-9}[/tex]metros), ou seja, o comprimento de onda do rádio é bem maior que o da onda visível (um experimento simples de medida do comprimento de onda de uma rádio FM pode ser encontrado aqui).
As ondas de rádio são classificadas em faixas de frequência, da seguinte forma:
- 300 – 3.000 Hz, “Voice Frequency”, ou VF.
- 3 – 30 kHz, “Very Low Frequency”, ou VLF.
- 30 – 300 kHz, “Low Frequency”, ou LF.
- 300 kHz – 3 MHz, “Medium Frequency” ou MF.
- 3 – 30 MHz, “High Frequency”, ou HF.
- 30 – 300 MHz, “Very High Frequency”, ou VHF.
- 300 MHz – 3 GHz, “Ultra High Frequency”, ou UHF.
- 3 – 30 GHz , “Super High Frequency”, ou SHF.
- 30 – 300 GHz, “Extra High Frequency”, ou EHF.
Alguma destas siglas soa familiar? Cabe aqui ressaltar que as últimas três faixas de frequência, apesar de estarem dentro da definição de onda de rádio, são também conhecidas como micro-ondas. É possível que, por causa disso, algumas definições para onda de rádio excluam estas três faixas.
O Sol é um grande emissor de ondas eletromagnéticas, e o seu pico de emissão, não por acaso, está na luz visível (o nosso olho foi otimizado pela evolução para captar a radiação solar nesta região de frequência). Mas isto não significa que não haja emissão em outras frequências, inclusive na de rádio. Fotos do Sol tiradas em várias faixas de frequência podem ser vistas aqui.
Existe um vasto campo da astronomia focado na detecção de ondas de rádio, a radioastronomia, cuja grande vantagem em relação à astronomia tradicional, que detecta luz visível, está no comportamento das ondas de rádio. Estas ondas atravessam a atmosfera praticamente sem interagir com o ar ou as nuvens, e portanto os telescópios de rádio funcionam igualmente de dia e de noite. A primeira descoberta de um objeto astrofísico emitindo ondas de rádio ocorreu por acaso, quando Karl Jansky, um engenheiro da empresa de telefonia Bell, investigava uma interferência nas transmissões de rádio em HF (frequência alta ou “High Frequency”) entre transatlânticos. Descobriu que existia uma forte fonte de rádio vinda do centro do Sistema Solar, da Constelação de Sagitário, a Sagittarius-A. Mas esta fonte não era visualizada na frequência da luz visível por causa da poeira interestelar, que absorvia toda a luz emitida.
A ênfase neste curso é em equipamentos elétricos e telecomunicações. Então por que estamos falando sobre astronomia? Bem, porque conhecer o uso de ondas de rádio em astronomia tem dois propósitos: primeiramente, é importante lembrar que a palavra “rádio” se refere a muito mais coisa do que aquele aparelhinho doméstico de mesmo nome. E em segundo lugar, para fixar o fato de que, se uma onda de rádio consegue atravessar toda a poeira cósmica do centro da galáxia, viajar anos-luz até nosso planeta, atravessar nossa atmosfera, e ser detectada, então não deve ser um problema muito grande criar uma onda de rádio com potência suficiente para que viaje alguns poucos quilômetros, atravesse paredes, e chegue a um receptor, trazendo todo tipo de informação.
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Como vimos, uma onda de rádio pode ser criada com um circuito eletrônico oscilante, onde a frequência de oscilação se encontra entre 3 kHz e 300 GHz. Normalmente, a criação da onda eletromagnética é amplificada, ligando-se o circuito a uma antena transmissora, cujo formato e tamanho dependem do uso que se faz das ondas de rádio. Uma vez que esta onda eletromagnética é criada, ela passa a se propagar com a velocidade da luz, praticamente em todas as direções. Ao detectarmos esta onda de rádio, podemos receber informações codificadas através dela. Uma explicação mais detalhada de um transmissor simples pode ser encontrada aqui.
Sabemos que a velocidade da luz é muito alta, mas não custa nada fazer esta conta mais uma vez. Uma antena transmitindo ondas de rádio em Brasília, por exemplo, é detectada em São Paulo apenas 3 milésimos de segundo após partir da antena transmissora. É de fato uma forma muito eficiente de transmissão de informação!
Mas a energia carregada pela onda cai à medida que nos afastamos da antena transmissora. Portanto, esta transmissão deve ser feita com boa potência. Tipicamente, rádios comerciais trabalham com potência de ~100 kW, e rádios comunitárias não podem exceder 25 W de potência. O alcance típico de uma antena transmissora depende de uma série de fatores, além da potência da antena. As ondas de rádio, como a luz, sentem os fenômenos de difração, reflexão e refração. E estes efeitos dependem da frequência da onda. Por exemplo: a difração de uma onda ocorre mais intensamente para frequências baixas ou comprimentos de oscilação altos. Assim, estas ondas podem, por difração, acompanhar a curvatura da Terra e chegar a um alcance maior. As ondas de frequências mais altas, por outro lado, tendem a seguir em linha reta, não acompanhando a curvatura da Terra, o que compromete o seu alcance.
Novamente, como quando falamos de motores elétricos, estamos lidando aqui com uma tecnologia que teve desenvolvimento exponencial nos detalhes técnicos, nos últimos cem anos. É impossível apresentar aqui todos estes detalhes. Sendo assim, nos limitaremos a expor os princípios básicos de funcionamento.
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O primeiro uso de ondas de rádio baseava-se na sua simples detecção ou não. De um lado, um emissor de ondas de rádio podia ser ligado ou desligado, enquanto um detector localizado a certa distância percebia tais mudanças. Um código associado a um padrão liga-desliga, conhecido por ambas as partes, era usado para passar informações. A esta tecnologia foi dado o nome de telégrafo sem fio.
Mas é claro que apenas detectar ou não ondas de rádio, produzidas por antenas transmissoras, não explica como podemos sintonizar um rádio e escutar uma música. Existe muito mais informação, codificada de alguma forma, nas ondas eletromagnéticas que recebemos em transmissões atuais de rádio. As duas formas tradicionais de enviar estas informações são:
- Mantendo-se uma frequência característica, modifica-se a intensidade dos campos eletromagnéticos. Ou, usando termos técnicos, modula-se a amplitude da onda. Com isso, temos uma onda de rádio com Amplitude Modulada, ou AM.
- Em torno de uma frequência característica, na qual são feitas pequenas modificações, cria-se uma onda de rádio com Frequência Modulada, ou FM.
Novamente, o transmissor traduz a informação, que se deseja enviar, em uma modulação de amplitude ou de frequência impressa na onda. O receptor, ao detectar esta onda modulada, pode traduzir a informação de volta, transformando o sinal da onda eletromagnética em música ou imagem. Novamente encontra-se aqui uma explicação mais completa destes mecanismos.
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Uma informação simples, que pode ser enviada por ondas eletromagnéticas, é um som produzido por uma única frequência. Investigue qual a frequência característica da voz humana, e assinale a alternativa correta, que melhor descreve a transmissão radiofônica comercial.
a) Como a frequência característica da voz humana é bem menor que as frequências de rádio, pode-se modular uma onda de rádio (amplitude ou frequência) com a frequência da voz humana, sem interferir nas características de propagação da onda eletromagnética. Em um comprimento de oscilação da informação a ser transmitida, cabem em torno de 200 oscilações de uma rádio FM que sintoniza a 100 MHz.
b) Como o comprimento de oscilação de uma onda eletromagnética, com frequência característica da voz humana, é bem menor que os comprimentos de oscilação das ondas de rádio, pode-se modular uma onda de rádio (amplitude ou frequência) com o comprimento de oscilação da voz humana, sem interferir nas características de propagação da onda eletromagnética. Em um período de oscilação de uma rádio FM que sintoniza a 100 MHz, cabem em torno de 200 períodos de oscilações da informação a ser transmitida.
c) Como o comprimento de oscilação das ondas sonoras é da mesma ordem de grandeza do comprimento de oscilação de uma onda de rádio (em torno de um metro), podemos reproduzir as características de uma onda sonora com uma onda de rádio (mas que viaja a uma velocidade muito maior que a velocidade do som).
d) Como as frequências da voz humana são similares às das ondas de rádio de mais baixa frequência, podemos reproduzir as características de uma onda sonora com uma onda de rádio (mas que viaja a uma velocidade muito maior que a velocidade do som).
