PROPAGAÇÃO DE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS EM RF
Os prognósticos, ou previsões do comportamento da propagação de rádio em todas as faixas, inclusive a de radioamadores, não é uma ''ciência'' precisa, pois depende de fatores dos mais diversos. Destes o principal, é a atividade solar, que ''modula'' as condições iônicas da alta atmosfera, e, por consequência faz ocorrer importantes variações nas condições de propagação de radiofrequência, em todas as faixas. Muito do que se lê, e se ouve é puro ''achismo'', sem base científica, pois, para haver discussão inteligente sobre propagação de rádio, há que se entender como se desloca no espaço uma onda eletromagnética. Mas, o campo de pesquisas acerca da propagação de ondas é aberto. Quando se diz que que para o estudo da propagação se deve cobrir ''tudo'', nada mais é do que uma generalização infantil, pois, existem maiores e menores modulantes deste fenômeno.
Os interferentes dependem, inclusive, do comprimento de e, no caso da propagação, via ionosfera, esta é modulada pelas condições solares principalmente. Não se pode esquecer no entanto que os meteoritos também alteram as condições de propagação na ionosfera. A propagação no caso do HF tem oscilações numa ampla faixa, que abrange desde os 160 metros até os 6 metros aproximadamente, já considerada VHFL, ou VHF baixo.
Quanto à atividade solar, na medida em que as condições de ejeção de massa coronal oscilam e aumentam, com o seu avanço, a propagação oscila também, e consequentemente a absorção da RF na atmosfera, inclua-se nesta assertiva a ionosfera, ocorre o mesmo. Quando se diz absorção, se deve levar em conta que, em caso de forte atividade solar, ocorre forte ionização nas camadas C e D da ionosfera, e a C é muito negligenciada nos ''prognósticos de amadores", justamente porque desconhecem a sua existência. Além do que, a negligência conceitual acerca da propagação inclui o fenômeno propriamente dito, em que "entendidos" empiricamente "explicam" nas chamadas "rodadas técnicas de radioamadorismo".
Pretendo neste espaço analisar inicialmente e comprovar experimentalmente o fenômeno da propagação de rádio, abordando-o desdo o princípio quando Maxwell postulou o fenômeno.
Não vou abordar aqui todo o processo, vou partir de que o leitor já tenha alguma base do eletromagnetismo, aprendido no Ensino Fundamental.
Quando uma carga elétrica oscila, a energia se propaga e tem forma sinusoidal, esta recebe o nome de onda eletromagnética. Tal oscilação pode ser produzida de diversas formas: pelo movimento de um condutor dentro de um campo magnético, por um oscilador eletrônico conectado a uma bobina ou antena, pela vibração mecânica de materiais ferromagnéticos que induzem corrente alternada num condutor enrolado em torno de si, pelo fenômeno piezoelétrico, que é a vibração aplicada em certos cristais (Quartzo) que produzem tensão alternada entre duas placas em faces opostas ao movimento mecânico, etc. A propagação de uma onda num plano vertical, referenciada numa linha base horizontal, chamada linha zero, sempre terá uma parte acima e outra abaixo do plano. A linha zero, no
caso, considera-se como tempo-distância, pois, dá noção ao afastamento no tempo e no espaço da onda eletromagnética, com relação à fonte emissora. Aos pontos mais altos da curva sinusoidal denomina-se picos, e são convencionados positivos, os mais baixos vales, negativos. Ao pico positivo, convenciona-se direção positiva, o negativo a direção oposta. A parte mais alta da onda convenciona-se crista, na direção positiva, e a cavada, na direção considerada negativa. A parte frontal, no sentido do deslocamento, bordo anterior, a de trás, bordo posterior, conforme a figura 1.
Fig1
Na medida em que uma onda eletromagnética se propaga no espaço, esta sofre uma atenuação, que é a diminuição da sua intensidade com a distância, o campo varia inversamente com o quadrado da distância, ou seja, quanto mais distante do emissor, mais fraco é o campo eletromagnético, e esta redução é logarítmica, como mostrado na figura 2.
Fig 2
Baseado neste fenômeno Maxwell estabeleceu algumas leis básicas do eletromagnetismo, ou seja descobriu as correlações do fenômeno da propagação e outros a partir das Leis de Faraday, Coulomb e Ampère, dentre outras, dando assim origem à teoria da eletricidade. Michael Faraday já havia afirmado que era possível produzir um campo a partir de um campo magnético variável, conforme ilustra a figura 3.
Fig. 3.
Maxwell provou também que um campo elétrico variável pode gerar um campo magnético e que a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética, no vácuo, é dada pela expressão (1), e além disso que a atenuação da onda eletromagnética também pode ser facilmente comprovada e que é possível, à partir de um ''emissor'' e de um ''receptor'', verificar redução da intensidade de uma onda com a distância até concluir que tal redução não implica necessariamente em atenuação, mas aumento da área demarcada numa esfera se propagando e aumentando seu raio a partir da origem.
Facilmente se pode provar tal conceito se montando um pequeno circuito em que é possível demonstrar o fenômeno (figura 4) usando a placa de som do computador e o mesmo como "osciloscópio".
Fig. 4
O circuito bastante simples, trata de um oscilador básico, composto por C1, C2, D1, D2, que é uma fonte dobradora de tensão, e C3, C4, R1, R2, DIAC1 , SCR1 e L1, que formam um oscilador de relaxação em que L1 é bobina Tesla-núcleo de FeSi ( Figura 5.1).
Fig. 5: 1-Bobina de Tesla L1; 2- Bobina núcleo a ar L2; 3-Espiras paralelas; 4- Espiras perpendiculares;
5-Montagem do circuito e bobina de Tesla no interior do gabinete; 6-Imagem do pulso no Osciloscópio.
Os pulsos (Fig 4) de C4, DIAC1 e R2, aplicados no SCR1, fazem-no disparar, descarregando C3 no primário de L1. No secundário aparecem pulsos MAT, (Muito Alta Tensão) que se propagam como PEM (Pulsos Eletromagnéticos). Pois o núcleo de L1 gera o campo eletromagnético, e este se propaga à semelhança de um ''sistema irradiante''. Uma segunda bobina, L2 com núcleo a ar (Figura 5.2), disposta paralelamente (Figura 5.3), ou perpendicularmente (Figura 5.4) é acoplada ao computador, funciona como ''receptora'' e tem induzido em si o PEM de L1, que é registrado (Figura 5.6) no osciloscópio virtual. O registro do sinal ocorre porque a placa de som de um PCmuito velho, capta a variação de tensão induzida pelo pulso emitido de L1 na bobina L2, a placa de som amplifica e digitaliza o sinal. O Programa (Software Livre) PC-Oscilloscope V-2.51 processa o sinal digitalizado e converte em imagem gráfica, além de fornecer dados numéricos no eixo X em milisegundos e no eixo Y como unidades de sinal (Figura 6). A tensão em milivolts pode ser obtida a partir de uma calibração com um multiteste, contudo, somente índices de ordem numérica ordinária interessam pois são unidades de diferença de potencial.
Fig. 6
A variação numérica do eixo y e a variação da distância de L2 foram inseridos na Tabela 1. Os dados coletados a partir do procedimento de variação de distância, conforme sugere a figura 5.6, foram inseridos numa planilha Open Document, e a partir desta foi gerado um gráfico (Gráfico 1) que demonstrou uma variação de intensidade de campo com a distância.
Tab1
O circuito oscilador que gerou os pulsos de muito alta tensão, emitiu, através da bobina L1, um forte pulso eletromagnético (PEM), que induziu na bobina L2, uma força eletromotriz, que por sua vez, foi lida pela placa de som Sound-Blaster 16 do computador. Este, por sua vez digitalizou o sinal, que lido pelo osciloscópio virtual, foi convertido em dados numéricos. Estes possibilitaram a construção de uma tabela onde as d.d.p. dos PEMs e relacionadas com a distância. A partir da tabela, foi construído um gráfico que demonstrou que a Lei do inverso do quadrado da distância é válida, ou, diminuição da intensidade de campo sugere uma forma exponencial (Gráfico 1). É claro que necessitaria que a fonte emissora fosse puntual, para configurar uma esfera de energia se propagando. O problema foi facilmente resolvido usando um pulso eletromagnético de duração muito curta, que de certa forma simulou uma onda se propagando esfericamente. Trabalhos futuros poderão ser elaborados a partir deste e poderão demonstrar com maior precisão, tanto quantitativamente quanto qualitativamente a validade de outras leis do Eletromagnetismo e da Física Moderna.
O experimento foi feito em laboratório de Física para o ensino médio pelos meus alunos. O efeito colateral observado foi que que o uso de sucata (lixo tecnológico) seja computadores antigos e com sistemas operacionais obsoletos (Windows 98) e programas de leitura ''ultrapassados'' serve para o ensino do eletromagnetismo e da física moderna para o ensino médio e superior. O sistema operacional, por estar trabalhando sem nenhum tipo de conexão ou programas desnecessários, se mostrou extremamente rápido eficiente e estável. O programa Oscilloscope V- 2.51 (Super obsoleto) escrito para o Windows 3.11, um dos primeiros S.O. da Microsoft, rodou com extrema rapidez e confiabilidade, o que veio a comprovar que muitas máquinas que são ''sucateadas'', podem perfeitamente servir para o ensino em laboratório.
A conclusão que se chega é que a propagação das ondas eletromagnéticas independem de frequência e ocorre seguindo a lei do inverso do quadrado da distância, e que este deve ser o ponto de partida para qualquer investigação acerca da propagação de rádio, seja em meios físicos compostos, seja no vácuo.