03 PROPAGAÇÃO
ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE RÁDIO E DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NA AMAS
ANOMALIA MAGNÉTICA DO ATLÂNTICO SUL ARTIGO PRINCIPAL
Uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço ou através de um meio (líquido, sólido, gasoso, vácuo). A radiação eletromagnética se propaga através do vácuo, e as ondas existem, inclusive num meio cuja deformação é capaz de produzir forças de restauração, através das quais elas viajam, e podem transferir energia de um lugar para outro. Por exemplo, um imã oscilante, nenhuma massa transportada associada pode anular o efeito magnético, qualquer ponto particular oscila em volta de um ponto fixo.
Uma onda pode voltar para a direção de onde veio, se atingir um anteparo material, ou um meio reflexivo, dá-se o nome a este fenômeno ''reflexão''. Pode ocorrer também a mudança de direção da propagação em meios de diferentes densidades, chamada ''refração''. Já, no espalhamento das ondas, por exemplo, quando atravessam uma fenda de tamanho equivalente a seu comprimento, ocorre um fenômeno chamado ''difração''. Ao ocorrer a adição das amplitudes de duas ondas superpostas, temos a interferência. Ocorrendo a separação de uma onda em outras de diferentes freqüências, temos a ''dispersão''.
As ondas podem ser transversais, em que a vibração é perpendicular à direção de sua propagação, não podem ser polarizadas e podem oscilar em qualquer direção no plano perpendicular à direção de propagação. Já, nas longitudinais a vibração ocorre na mesma direção do movimento. As polarizadas, oscilam apenas numa direção perpendicular à linha de propagação, ora... ocorre então agora o termo “propagação”...afinal, o que é propagação de uma onda? O que é a melhora da propagação de uma onda? Ou quais são as condições de propagação? O que tem a ver a propagação de uma onda com a “propagação de rádio”? Não seria o termo mais adequado, condições de propagação?
(c)py5aal As ondas eletromagnéticas não precisam de atmosfera para se propagar, satélites artificiais podem transmitir sinais de rádio no vácuo. Mas quando uma onda de rádio se propaga na atmosfera da Terra, interage com os gases e moléculas, e seu caminho de propagação é alterado. Vários fatores afetam a interação, é possível dividir a atmosfera em várias categorias diferentes de acordo com seus respectivos efeitos em sinais de rádio.
(c)py5aal A atmosfera, que consiste em grande parte de gases de oxigênio (O2) e nitrogênio (N), é dividida em três zonas principais: troposfera, estratosfera e ionosfera. Os limites entre essas regiões não são muito bem definidos e mudam ao longo de um dia e sazonalmente.
A troposfera ocupa o espaço entre a superfície da Terra e uma altitude de 6 a 11 km . A temperatura do ar na varia com a altitude, tornando-se consideravelmente menor em maior altitude em comparação coma altitude. Por exemplo, para temperatura de superfície de + 10 ° C pode reduzir para -55 ° C em
as bordas superiores da troposfera. A estratosfera começa no limite superior da troposfera (6 a 11 km), e se estende até a ionosfera (≈50 km). A estratosfera é chamada de isoterma porque a temperatura nessa região é relativamente constante, apesar mudanças de atitude.
(c)py5aal A ionosfera começa a uma altitude de cerca de 50 km e estende-se até aproximadamente 300 km. É uma região de atmosfera muito fina. Raios cósmicos, radiação eletromagnética de vários tipos (incluindo luz ultravioleta do sol), e radiação de partículas atômicas do espaço (a maioria delas do Sol também), têm energia suficiente para retirar elétrons das moléculas de gás da atmosfera, ionizando-a. Esses elétrons libertos são chamados de íons negativos, enquanto que os elétrons perdidos são chamados de íons positivos. Porque a densidade do ar é tão baixa nessas altitudes, os íons podem percorrer longas distâncias antes de neutralizar por recombinação. A propagação de rádio em algumas bandas varia marcadamente entre dia e noite, porque o Sol mantém o nível de ionização alta durante o dia.
(c)py5aal Uma onda de rádio se origina quando uma partícula carregada (por exemplo, um elétron) se excita numa frequência situada na zona de radiofrequência (RF) do espectro eletromagnético. Outros tipos de emissões fora da gama de RF são os raios gamma, os raios X, os raios cósmicos, os raios infravermelhos, os raios ultravioleta e a luz visível. Quando a RF atua sobre um condutor elétrico (a antena), induz um movimento da carga elétrica (corrente elétrica) que pode ser transformada em portadora de informação. Define-se, desta forma, a propagação de radiofrequência ao conjunto de fenômenos físicos que conduzem as ondas de rádio com a mensagem do transmissor ao receptor. A propagação não é devida a um único fenômeno físico isolado, pois, vários modos são possíveis, ou seja, o ionosférico, o troposférico, as ondas de solo, etc.
(c)py5aal No nosso caso, quanto radioamadores, sempre nos referimos à propagação abrindo ou fechando, ora, a utilização do termo, é claro, subentende-se sobre as condições de tal, e não o fenômeno propriamente dito. Portanto, quando diz-se coloquialmente propagação de rádio, que seja entendido o termo no sentido "radioamadorístico", e não científico, para ficar mais palatável ao leigo. Assim, retornando às ondas, em primeiro lugar, pode-se conceituar a onda de radiofreqüência (RF), como uma forma de radiação eletromagnética que possui algumas propriedades que permitem sua “propagação” num meio, seja material, seja vácuo. Para efeito de estudo, e segundo características físicas sobre as propriedades de propagação, o espectro de RF foi dividido em regiões:
ELF - Extremely Low Frequency - Freqüências Extra Baixas- 3,0 Hz - 30 Hz
SLF - Super Low Frequency - Freqüências Super Baixas- 30 Hz - 300 Hz
ULF-Ultra Low Frequency-Freqüências Ultra Baixas- 300Hz - 3,0kHz
VLF-Very Low Frequency-Freqüências Muito Baixas- 3,0kHz-30kHz
LF-Low Frequency-Freqüências Baixas- 30kHz-300kHz
MF-Medium Frequency - Freqüências Médias- 300 kHz - 3,0 MHz
HF-High Frequency - Freqüências Altas- 3,0 MHz - 30 MHz
VHF - Very High Frequency - Freqüências Muito Altas- 30 MHz - 300 MHz
UHF - Ultra High Frequency - Freqüências Ultra Altas- 300 MHz - 3,0 GHz
SHF - Super High Frequency - Freqüências Super Altas- 3,0 GHz - 30 GHz
EHF - Extremely High Frequency -Freqüências Extra Altas- 30 GHz - 300 GHz
(c)py5aal O fenômeno da radiopropagação na Terra, é afetado por mudanças de ionização na atmosfera superior, devido principalmente ao Sol. Este propicia condições variáveis da ionização da alta atmosfera, ou ionosfera, além de influir na quantidade de elétrons livres no meio como um todo. O "trajeto" da RF é uma consequência direta de fatores como a quantidade e intensidade das "chamas solares", tempestades geomagnéticas, alterações das camadas ionosféricas, e eventos de ejeção de massa coronal. As ondas de rádio com diferentes freqüências se propagam de maneiras diversas. A interação da RF com as regiões ionosféricas torna mais complexa a previsão e análise do fenômeno que tem uma forte ligação com o clima espacial. As perturbações súbitas que são causadas pelo Sol geram alterações significativas principalmente quando os raios-X associados a uma labareda solar ionizam a camada D.
(c)py5aal Assim ocorre um aumento da absorção de sinais de RF em praticamente todos os comprimentos de onda no hemisfério iluminado, à este fenômeno, os radioamadores associam o "fechamento" de propagação. Contudo, nem sempre ocorre o fechamento, mas em alguns casos a alteração da altitude e densidade das camadas mais acima (E e F... não é necessário citar F1, F2... E Esporádica...) ocasionam a alteração da altitude ou condições da refração da RF propagada no meio, isto é, acontece a "abertura" de propagação para direções diferentes, ou, não se devem confundir os fenômenos do "fechamento" por absorção com o de alteração do ângulo de reflexão por variações da ionização em diferentes camadas.
Figura 2: Acima, podem ser observados sinais de rádio divididos em duas componentes (normal - vermelho e anômalo - verde), ao propagar pela ionosfera.Os sinais foram transmitidos em diferentes ângulos de elevação, transmissor à esquerda. O receptor está indicado por um triângulo na base a 16.000 km de distância. A reflexão, refração e inclinação do sinal de RF é mostrada inclusive pelo aparecimento da dutificação intercamadas iônicas. Fonte: ESA.
(c)py5aal 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.
(c)py5aal 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".
ABAIXO SE ENCONTRA O RESUMO DE AULA DE LABORATÓRIO EM QUE É DEMONSTRADO O FENÔMENO DA PROPAGAÇÃO DE PULSOS ELETROMAGNÉTICOS
(c)py5aal 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.
(c)py5aal 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 3.
Fig3
(c)py5aal 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 4.
Fig 4
(c)py5aal 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 5.
Fig. 5.
(c)py5aal 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.
(c)py5aal 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. 6
(c)py5aal 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.
(c)py5aal 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
(c)py5aal 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
(c)py5aal 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.
(c)py5aal 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.
(c)py5aal 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.