Como funciona o rádio

As “ondas de rádio” transmitem músicas, conversas, fotos e dados através do ar, de maneira invisível, geralmente por milhões de quilômetros. Embora as ondas de rádio sejam invisíveis e completamente indetectáveis pelos humanos, elas mudaram totalmente a sociedade.

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Não importa se estamos falando sobre um telefone celular, um monitor de bebê, um telefone sem fio ou qualquer das outras milhares de tecnologias sem fio: todas elas usam ondas de rádio para comunicar.Radares e fornos de microondas também dependem de ondas de rádio.Satélites de comunicação e navegação seriam impossíveis sem as ondas de rádio, como também a aviação moderna. Um avião depende de uma dúzia de sistemas de rádio diferentes. A tendência atual em direção ao acesso à Internet sem fio é também usar o rádio. Isso significa muito mais conveniência no futuro.

O engraçado é que o rádio é uma tecnologia incrivelmente simples. Apenas com alguns componentes eletrônicos que custam, no máximo, um ou dois dólares, você pode construir transmissores e receptores de rádio. A história sobre como algo tão simples tornou-se uma tecnologia fundamental do mundo moderno é fascinante!

Neste artigo, vamos explorar a tecnologia do rádio para você poder entender completamente como ondas de rádio invisíveis tornam tantas coisas possíveis.

O rádio mais simples

O rádio pode ser extremamente simples. Por volta da virada do século, essa simplicidade possibilitou a quase todos os primeiros experimentos. Como ele é tão simples? Aqui está um exemplo:

pegue uma bateria nova de 9 volts e uma moeda
pegue um rádio AM e sintonize em uma área do dial (indicador de estações) em que você ouça um ruído
agora segure a bateria perto da antena e rapidamente ligue os dois terminais da bateria com a moeda (conectando-os por um instante)

você vai ouvir um estalo no rádio que é causado pela conexão e desconexão da moeda.

Ligando os terminais de uma bateria de 9 volts, você consegue criar ondas de rádio que um rádio AM consegue receber

Sua combinação de moeda com bateria é um transmissor de rádio. Ele não está transmitindo nada útil (somente ruído) e não vai transmitir muito longe (apenas uns poucos metros, porque não está otimizado para distâncias). Mas se você usar o ruído para enviar código Morse, de fato, conseguirá se comunicar por vários metros com este rudimentar dispositivo!

Um rádio (ligeiramente) mais elaborado

Se você quiser algo um pouco mais elaborado, use uma lixa de metal e dois pedaços de arame. Conecte uma ponta da lixa a um terminal da bateria de 9 volts. Conecte o outro pedaço de arame ao outro terminal da bateria e percorra, com a extremidade livre deste arame para cima e para baixo da lixa. Se fizer isso no escuro, você conseguirá ver pequenas faíscas de 9 volts correndo ao longo da lixa conforme a ponta do arame se conecta e se desconecta às arestas da lixa. Segure a lixa próxima a um rádio AM e você ouvirá muito ruído.

Nos primórdios do rádio, os transmissores eram chamados de indutores de faíscas e criavam uma corrente contínua de faíscas a voltagens muito mais altas (por exemplo, 20 mil volts). A alta voltagem criava grandes faíscas como as que você vê em uma vela de ignição e elas conseguiam transmitir a distâncias maiores. Hoje, um transmissor como esse é ilegal porque atravessa o espectro de radiofrequência inteiro, mas antigamente funcionava bem e era muito comum porque não havia muitas pessoas usando ondas de rádio.

Os fundamentos do rádio: as partes

Conforme foi visto na seção anterior, é incrivelmente fácil transmitir com ruído. Contudo, todos os rádios hoje usam ondas senoidais contínuas para transmitir informação (áudio, vídeo, dados). A razão pela qual hoje usamos ondas senoidais contínuas é porque há muitas pessoas e aparelhos diferentes que querem usar ondas de rádio ao mesmo tempo. Se houvesse como vê-las, você descobriria que há literalmente milhares de ondas de rádio diferentes (na forma de ondas senoidais) ao seu redor neste momento: transmissões de TV, transmissões de rádio AM e FM, rádios da polícia e dos bombeiros, transmissões de TV por satélite, conversas por celular, sinais de GPS e assim por diante. É incrível a quantidade de utilizações para as ondas de rádio atualmente. Cada sinal de rádio diferente, usa uma freqüência de onda senoidal diferente e é, dessa forma, que os sinais são todos separados.

Vamos abrir um parenteses, e ver como funcionam as ondas de rádio:

Frequências de rádio

Uma onda de rádio é uma onda eletromagnética propagada por uma antena. As ondas de rádio têm diferentes freqüências e, ao sintonizar um receptor de rádio em uma freqüência específica, é possível captar um sinal.

Nos Estados Unidos, a FCC (Federal Communications Commission) é o órgão regulador da radiodifusão. O órgão equivalente no Brasil é a ANATEL.

Ao ouvir uma estação de rádio, o locutor anuncia: “você está ouvindo a 91.5 FM WRKX Rock”. Isso quer dizer que você está ouvindo uma estação de rádio transmitida por um sinal FM na freqüência de 91.5 mega-hertz com as letras WRKX atribuídas pela FCC. Mega-hertz significa “milhões de ciclos por segundo”, então “91.5 mega-hertz significa que o transmissor da estação de rádio oscila numa freqüência de 91.500.000 ciclos por segundo. Sua rádio FM (frequência modulada) pode sintonizar esta frequência específica e receber o sinal de uma estação. Todos as estações FM transmitem em uma banda de frequência entre 88 e 108 mega-hertz. Esta banda do espectro eletromagnético é utilizada somente para transmissão de rádio FM.

Já a rádio AM é confinada em uma banda que vai de 535 a 1.700 quilohertz (quilo significa “milhares”, então seriam 535 mil até 1.700.000 ciclos por segundo). Se o locutor de uma rádio AM (amplitude modulada) diz: “esta é a AM 680 WPTF”, quer dizer que é uma estação de rádio transmitindo sinal AM em 680 quilohertz e com as letras WPTF atribuídas pela FCC.

As bandas de freqüência mais comuns são:

rádio AM – 535 quilohertz a 1.7 mega hertz
rádio de ondas curtas – 5.9 mega hertz a 26.1 mega-hertz
rádio CB – 26.96 mega-hertz a 27.41 mega-hertz
canais de TV – 54 a 88 mega-hertz do canal 2 até o 6
rádio FM – 88 mega-hertz a 108 mega-hertz
canais de TV – 174 a 220 mega-hertz do canal 7 até o 13

Um aspecto interessante das ondas de rádio é que cada tecnologia wireless tem a sua pequena faixa de banda disponível. Existem centenas delas. Por exemplo:

controle remoto de garagens, sistemas de alarmes, etc: em torno de 40 megahertz
telefones sem fios: 40 a 50 mega-hertz
babá eletrônica: 49 mega-hertz
aviões de controle remoto: em torno de 72 mega-hertz
carros de controle remoto: em torno de 75 megahertz
colares para localização de animais selvagens: 215 a 220 megahertz
estação espacial MIR: 145 megahertz e 437 megahertz
telefones celulares: 824 a 849 megahertz
novos telefones sem fios de 900 MHz: em torno de 900 megahertz.
radar de controle de tráfego aéreo: 960 a 1,215 megahertz
sistema de posicionamento global (GPS – Global Positioning System): 1,227 e 1,575 megahertz
comunicações de rádio no espaço: 2290 megahertz a 2300 megahertz

Por que a banda da rádio AM vai de 550 a 1.700 kilohertz enquanto a banda da rádio FM vai de 88 a 108 megahertz? Estas escolhas são aleatórias e estão relacionadas com a história.

A rádio AM é mais antiga do que a FM. As primeiras transmissões de rádio aconteceram em 1906 e a alocação de freqüências para a rádio AM ocorreu nos anos 20 (antes mesmo da fundação da FCC). Nesta época, as rádios e a capacidade dos equipamentos eletrônicos eram muito limitadas, por isso a rádio AM só captava baixas freqüências.

Os canais de TV praticamente não existiam até 1946, ano em que a FCC começou a estabelecer a banda de transmissão para as televisões. Em 1949, um milhão de pessoas tinham televisões e, em 1951, esse número aumentou para 10 milhões em toda a América.

A rádio FM foi inventada por um homem chamado Edwin Armstrong. O objetivo era transmitir música em alta fidelidade e sem a interferência de eletricidade estática. Ele construiu a primeira estação em 1939, mas a rádio FM só se tornou popular na década de 60. Por isso, as frequências da rádio FM são mais altas.

Voltando ao Rádio

Qualquer estrutura de rádio tem duas peças:

o transmissor
o receptor

O transmissor obtém um tipo de mensagem (pode ser o som da voz de alguém, imagens para um aparelho de TV, dados para um modem de rádio ou o que quer que seja), a codifica em uma onda senoidal e a transmite por meio de ondas de rádio. O receptor recebe as ondas de rádio e decodifica a mensagem das ondas senoidais recebidas. Tanto o transmissor quanto o receptor usam antenas para irradiar e captar o sinal de rádio.

Os fundamentos do rádio: exemplos da vida real

Uma babá eletrônica é um dos exemplos mais simples da tecnologia de rádio. Há um transmissor que fica no quarto do bebê e um receptor que os pais usam para escutá-lo. Aqui estão algumas das características importantes de uma babá eletrônica.

modulação: amplitude modulada (AM)
faixa de freqüência: 49 MHz
número de freqüências: 1 ou 2
potência do transmissor: 0,25 watts

(Não se preocupe se termos como “modulação” e “freqüência” não fizerem sentido agora, já, já, falaremos deles.)

O telefone celular também é um rádio e um aparelho muito mais sofisticado. O aparelho celular contém tanto um transmissor quanto um receptor, podendo usar ambos simultaneamente. O celular pode entender centenas de freqüências diferentes e pode mudar automaticamente entre as freqüências. Aqui estão algumas das características importantes de um telefone celular analógico típico:

modulação: freqüência modulada (FM)
faixa de freqüência: 800 MHz
número de freqüências: 1664 (832 por provedor, dois provedores por área)
potência do transmissor: 3 watts

Um telefone celular comum contém tanto um transmissor quanto um receptor e ambos operam simultaneamente em freqüências diferentes. O telefone celular se comunica com uma torre de celular e consegue transmitir a uma distância de 3 a 5 km.

Transmissores simples

Você pode ter uma idéia de como um transmissor de rádio funciona começando com uma bateria e um pedaço de fio elétrico. Com relação a eletroímãs, entendemos que a bateria envia eletricidade (uma corrente de elétrons) através de um fio elétrico se você conectá-lo entre os terminais dela. Os elétrons em movimento criam um campo magnético ao redor do fio. Esse campo é forte o suficiente para afetar uma bússola.

Digamos que você pegue um outro fio elétrico e o coloque paralelo ao fio da bateria, mas a uns 5 cm de distância. Se conectar um voltímetro muito sensível a este outro fio, vai acontecer o seguinte: toda vez que conectar ou desconectar o primeiro fio da bateria, vai sentir uma voltagem e uma corrente muito pequena no segundo fio. Qualquer campo magnético mutante pode induzir um campo elétrico em um condutor: este é o princípio básico por trás de qualquer gerador elétrico. Então:

a bateria cria fluxo de elétrons no primeiro fio
os elétrons em movimento criam um campo magnético ao redor do fio
o campo magnético estende-se até o segundo fio
os elétrons começam a fluir no segundo fio toda vez que o campo magnético no primeiro fio muda.

Uma coisa importante para notar é que os elétrons fluem no segundo fio somente quando você conecta ou desconecta a bateria. O campo magnético não faz com que os elétrons fluam no fio a menos que o campo magnético esteja variando. Conectar e desconectar a bateria muda o campo magnético (conectar a bateria ao fio cria o campo magnético, enquanto desconectá-la anula o campo). Os elétrons fluem no segundo fio nesses dois momentos.

Transmissores simples: faça o seu

Para criar um transmissor de rádio simples, você precisa criar uma corrente elétrica que mude com rapidez em um fio. Você pode fazer isso conectando e desconectando a bateria bem rápido, assim:

Quando você conecta a bateria, a voltagem no fio é de 1,5 volts e quando a desconecta, a voltagem é de zero volt. Conectando e desconectando a bateria bem rápido, você cria uma onda quadrada que oscila entre 0 e 1,5 volts.

Uma maneira melhor é criar uma corrente elétrica que varie continuamente no fio. A forma mais simples (e mais fácil) de onda que varia continuamente é a onda senoidal, como mostrado abaixo:

Uma onda senoidal oscila facilmente entre 10 volts e -10 volts

Criando uma onda senoidal e fazendo-a percorrer através do fio, você cria um transmissor de rádio simples. É extremamente fácil criar uma onda senoidal com apenas alguns componentes eletrônicos: um capacitor e um indutor podem criar uma onda senoidal e alguns transistores podem amplificar a onda em um sinal poderoso. Enviando esse sinal para uma antena, você pode transmitir a onda senoidal para o espaço.

Freqüência

Uma característica da onda senoidal é a freqüência. A freqüência de uma onda senoidal é o número de vezes que ela oscila para cima e para baixo por segundo. Quando você ouve uma transmissão de rádio AM, o rádio está sintonizado em uma onda senoidal com uma freqüência de cerca de 1 milhão de ciclos por segundo (ciclos por segundo também são conhecidos como hertz). Por exemplo, 680 no dial AM significa 680 mil ciclos por segundo. Sinais de rádio FM operando na faixa de 100 milhões de hertz. 101,5 no dial FM significa um transmissor que gera uma onda senoidal a 101.500.000 ciclos por segundo.