Ondas Hertzianas




As ondas eletromagnéticas são também denominadas ondas hertzianas e popularmente conhecidas como ondas de radiofrequência  As ondas hertzianas podem ser produzidas de  correntes elétricas  que oscilam rapidamente (ou seja, correntes elétricas de alta frequência) em um condutor (como uma antena).

As ondas de rádio foram inicialmente previstas pelo trabalho matemático feito em 1865 por James Clerk Maxwell.[2] Maxwell reportou propriedades ondulatórias da luz e similaridades em observações elétricas e magnéticas. Ele então propôs equações que descrevem as ondas de luz e de rádio como ondas de eletromagnetismo que viajam pelo espaço.

Em 1887, o alemão Heinrich Hertz demonstrou existência das ondas eletromagnéticas de Maxwell gerando  experimentalmente ondas de radio em seu laboratório. Posteriormente, muitas invenções foram criadas, fazendo uso das ondas de rádio, para transmitir informação pelo espaço. Tais ondas, que em 1887 foram chamadas de "ondas indutivas" ou "ondas aéreas" por Hertz, hoje são chamadas ondas hertzianas, em homenagem a ele.

Podemos definir as ondas como "Perturbação do meio caracterizada pelo transporte de energia e quantidade de movimento, sem o transporte de matéria." Também, podemos classificar as ondas conforme suas duas naturezas :

1- Ondas eletromagnéticas - produzidas pela vibração de cargas elétricas (não necessita de meio material  para se propagar).
2- Ondas mecânicas
- oscilações de um meio elástico, portanto necessitam de meio material para existir.

As características da onda são mostradas abaixo.

A diferença da parte mais baixa até a parte mais alta da onda é chamada de amplitude da onda. A parte mais alta da onda podemos chamar de crista ou pico da onda. A distancia entre duas cristas ou picos consecutivos é o que chamamos de comprimento da onda. Ao trajeto percorrido para realizar um comprimento de uma onda chamamos de ciclo. O numero de ciclos completados na unidade do tempo de um segundo chamamos de freqüência.

ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

A radiocomunicação também se faz através da propagação da energia pelas ondas, no caso pela onda eletromagnética. O que é uma onda eletromagnética ?

A onda eletromagnética compreende uma ampla variedade de ondas : ondas sonoras, ondas de calor, ondas luminosas, ondas Hertzianas ( conhecidas como ondas de radio freqüência e vulgarmente como ondas de radio ), ondas de raios X e diversas outras ondas.

Para entender o conceito, é importante conhecer um breve histórico do desenvolvimento da eletricidade e do magnetismo. Na primeira metade do século XIX era conhecido que fios transmitindo correntes elétricas produziam um campo de indução ao redor do fio, o qual é capaz de causar ações sobre curtas distancias. Também era conhecido que este campo de indução é um campo magnético, e este conhecimento formou a base para os motores elétricos. Em 1887, o físico alemão Heinrich Hertz demonstrou que sinais de radio são ondas eletromagnéticas, que nem a luz. Assim como o campo de indução, a onda eletromagnética é criada por uma corrente elétrica movendo em um condutos ( ex. fio de cobre ). Diferente do campo de indução entretanto, o campo irradiado sai do condutor e se propaga através do espaço como uma onda eletromagnética.

Como já demonstrado na analogia das ondas na água, existem duas propriedade relacionadas a todas as ondas que são muito importantes as ondas de radio também : freqüência ( f ) e comprimento de onda ( λ ). A freqüência é o numero de oscilações ( ou ciclos ) por unidade de tempo. Nas ondas de radio, a unidade de tempo utilizada é o segundo, logo, a freqüência é uma expressão do numero de ciclos por segundo ( cps ). Se o período de tempo necessário para a onda se deslocar do ponto A para o B é um segundo ( 1 s ), e existem dois ciclos completos neste espaço, então a freqüência da onda criada é 2 cps.

No inicio, as freqüência de radio ( assim como as freqüência de outras ondas elétricas e acústicas ) eram expressadas em cps, mas em honra ao físico Heirich Hertz, a unidade foi renomeada para Hertz ( Hz ) muitos anos atrás. Devido as unidades serem iguais ( 1 Hz = 1 cps ), a onda imaginária no nosso exemplo tem freqüência de 2 Hz.

Devido as freqüências de radio serem altas, a freqüência é geralmente expressa em kilohertz ( kHz - 1000s de Hz ) e megahertz ( MHz - 1.000.000s de Hz ). Logo, a freqüência de uma estação operando no meio da banda de radiodifusão AM pode ser expressa como 1.000.000 Hz, ou 1000 kHz ou 1 MHz, todos equivalentes entre si.

Os dials ( mostradores de freqüência dos receptores ) fabricados nos Eua são normalmente calibrados em kHz ou MHz. Na Europa e em algumas outras partes do mundo, por outro lado, não é raro encontrar dials calibrados em metros, a unidade do comprimento de onda, assim como a freqüência.

O comprimento de onda de qualquer onda é a distancia entre os picos da forma de onda. Podemos também medir a mesma distancia entre sucessivos picos negativos ( inferiores ), ou entre duas características similares em ondas sucessivas. Em radio, o comprimento de onda do sinal é expresso em metros. O comprimento de onda é proporcional ao inverso da freqüência. O comprimento de onda de qualquer onda é relacionado a freqüência logo : fλ = v , onde f é a freqüência em Hz, λ é o comprimento de onda em metros, e v é a velocidade da propagação em metros por segundo ( m/s ). Devido às ondas de radio propagaram a velocidade da luz ( o que é naturalmente também uma onda eletromagnética ) - aproximadamente 300.000.000 m/s tanto no espaço livre e na atmosfera - a letra minúscula c é usada para representar a velocidade ( ao invés de v ). Assim, podemos reescrever esta expressão na forma :

fHz = c / λmetros  = 300.000.000 / λmetros

Podemos simplificar e abreviar utilizando as unidades kHz e MHz :

FkHz = 300.000 / λmetros

fMHz = 300 / λmetros

Utilizando as expressões acima, podemos calcular o comprimento de onda para diversas freqüências diferentes como exemplo : 100 kHz, 1 MHz ( na banda de Ondas Medias ), 10 MHz ( já nas Ondas Curtas ), e 1000 MHz ( faixa de microondas ).  São respectivamente 3000 m ( 100 kHz ), 300 m ( 1 MHz ), 30 m ( 10 MHz ) e 0.3 m, ou 30 cm ( 1000 MHz ).

Você pode ver a partir destes números o porque de 1 MHz estar dentro do que chamados de faixa de ondas médias, 10 MHz está dentro da faixa de ondas curtas e 1000 MHz está dentro das microondas ( onda "muito pequena" ).

Abaixo está representado o espectro de Radio Freqüência que compreende de 30 kHz até 300 GigaHertz conforme normatizado pelo ITU - International Telecommunications Union.

N° da Banda

Símbolo

Intervalo de Frequencia (limite inferior exclusivo,limite superior inclusivo)

Subdivisão métrica correspondente

Abreviações métricas para as bandas

3

ULF

       300 - 3000 kHz

Hectokilometrica

B.hkm

4

VLF

       3 - 30 kHz

Myriametrica

B.Mam

5

LF

       30 - 300 kHz

Kilometrica

B.km

6

MF

       300 - 3000 kHz

Hectometrica

B.hm

7

HF

       3 - 30 MHz

Decametrica

B.dam

8

VHF

       30 - 300 MHz

Metrica

B.m

9

UHF

       300 - 3000 MHz

Decimetrica

B.dm

10

SHF

       3 - 30 GHz

Centimetrica

B.cm

11

EHF

       30 - 300 GHz

Millimetrica

B.mm

12

 

       300 - 3000 GHz

Decimillimetrica

B.dmm

13

 

       3 - 30 THz

Centimillimetrica

B.cmm

14

 

       30 - 300 THz

Micrometrica

B.mm

15

 

       300 - 3000 THz

Decimicrometrica

B.dmm

Unidades :

k: kilo (103), M: mega (106), G: giga (109), T: tera (1012);
 m
: micro (10–6), m: milli (10–3), c: centi (10–2), d: deci (10–1);
da: deca (10), h: hecto (10
2), Ma: myria (104).

Na tabela abaixo estão representadas as faixas de freqüência de rádio e suas denominações.

Onda Freqüência Faixa Em português
Som 15 kHz Ultra Som até 20 kHz  
VLF 30 kHz Very Low Frequency Freqüência Muito Baixa
LF 300 kHz Low Frequency Baixa Freqüência ( Ondas Londas )
MF 3 MHz Medium Frequency Media Freqüência ( Ondas Médias )
HF 30 MHz High Frequency Alta Freqüência ( Ondas Curtas )
VHF 300 MHz Very Figh Frequency Muito Alta Freqüência
UHF 3 GHz Ultra High Frequency Ultra Alta Freqüência
SHF 30 GHz Super High Frequency Super Alta Freqüência
EHF 300 GHz Extremely High Frequency Extremamente Alta Freqüência
Infra Vermelho      
Luz visível      
Ultra Violeta      
Raios X      
Raios Gama      

A diferença entre um tipo de onda e outro está no comprimento ( e na freqüência ) que esta onda apresenta, ambas resultantes do meio em que ela se propaga e da fonte que a gerou. Todavia, para nossa finalidade de transmissão e recepção de ondas de radio, o que mais nos interessa no espectro das ondas eletromagnéticas são as ondas Hertzianas.

CAMPO ELETROMAGNÉTICO - BREVE VISÃO

Para se ter uma compreensão clara das interações dos campos elétricos e magnéticos que compõem as ondas "eletromagnéticas", seria necessário analisar com profundidade as famosas equações da luz de Maxwell. Porém, apenas para ilustrar como as ondas são formadas, é importante mostrar que as ondas de radio apresentam freqüência muito menor que a da luz, infravermelho, ultra violeta e etc. A onda eletromagnética consiste de dois campos oscilantes mutuamente perpendiculares, viajando junto em fase. Um dos campos é um campo elétrico e o outro é o campo magnético.

E - Campo Elétrico
H - Campo Magnético

INTENSIDADE DA ONDA DE RADIO

A onda de rádio é atenuada ( reduzida em potencia aparente ) conforme se propaga do transmissor até o receptor. Mesmo que em freqüências muito altas de microondas, existem perdas adicionais como resultado do conteúdo de oxigênio e vapor de água existente no ar. Em outras freqüências outras perdas existem. As ondas de radio de todas as freqüências sofrem perdas devida a lei do quadrado inverso. Vamos dar uma olhada neste fenômeno.

O vetor campo elétrico se desvanece em proporção direta a distancia percorrida. O campo E é medido em termos de Volts por metro ( V/m ), ou em subunidade milivolt por metro ( mV/m ) ou microvolt por metro ( uV/m ). Isto significa, se um campo E  de 10 V/m cruza seu corpo da cabeça aos pés, e você mede 2 metros de altura, então uma tensão elétrica é gerada de ( 2m ) x ( 10 V/m ), ou 20 Volts. A redução do campo E é linearmente relacionada a distancia ( ex. se a distancia dobra a tensão do campo E cai a metade ). Logo, um campo E de 100 mV/m medido a 1 kilometro do transmissor será 50 mV/m em 2 kilometros.

A energia em qualquer sistema elétrico é relacionada a tensão ( voltagem ) através da relação :

P = E2 / R

onde

    P é a energia em Watts ( W )
    R é a resistência em Ohms ( Ω  )
    E é o potencial elétrico em Volts ( V )

No caso de onda de radio, o termo R é substituído pela impedância ( Z ) do espaço livre, que é da ordem de 377 Ohms. Se a intensidade do campo E é, por exemplo, 10 V/m, então a densidade de energia do sinal é :

 P = ( 10 V/m )2 / 377 = 0.265 W/m2 = 26.5 mW/m2

A densidade de energia, medida em Watts por metro quadrado, ou as subunidades ( ex. mW/cm2 ), se atenuam com o quadrado da distancia. Este fenômeno  pode ser demonstrado graficamente.

Aqui, você pode ver uma lâmpada emitindo um feixe de luz que ilumina uma superfície (A), a uma distancia (L), com determinada intensidade. Em outra superfície (B), que é 2 vezes a distancia da fonte (2L), a mesma quantidade de energia é distribuída sobre a área (B) que é o dobro do tamanho da área (A). Assim, a intensidade da energia cai conforme a equação 1/d2 , onde d é a distancia. Isto é chamado a lei do quadrado inverso.

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