Radio Galena - conceito a pratica, Manuais, Projetos, Pesquisas de Eletromagnetismo

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UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO

PROJETO INTEGRADOR DE ELETROMAGNETISMO

Projeto “Rádio Galena” Phylipe Fraga São Paulo - SP Junho de 2020

SUMÁRIO

OBJETIVO

Este projeto tem como objetivo, estudar e montar um rádio galena para captar sinais eletromagnéticos gerados por um transmissor de rádio comercial em ondas médias (ondas de rádio na faixa de 530 kHz e 1700kHz utilizadas para radiodifusão sonora). Para tal, deverá ser realizado um estudo teórico sobre os principais princípios de funcionamento do radio galena, sendo eles ondas eletromagnéticas, indução eletromagnética, campo elétrico/magnético/corrente, modulação de ondas, propriedades do Germânio e Galena, retificação em semicondutores, indutores e capacitores, Filtros elétricos e piezoeletricidade.

1. INTRODUÇÃO

1.1. História O início das diversas pesquisas na área de transmissão e recepção de sinal se deve à comprovação teórica da existência de ondas eletromagnéticas e sua propagação realizada por James Clerk Maxwell em 1863 [1]. Segundo indica as pesquisas realizadas para este trabalho, em 1887, Rudolph Hertz [2] construiu o primeiro aparelho semelhante ao rádio que conhecemos. Este aparelho era capaz de fazer com que as faíscas carregadas eletricamente se deslocassem entre 2 pontos, sendo assim conhecidas posteriormente como ondas hertzianas. Este experimento confirmou a teoria de Maxwell formulada em 1863 [3]. Apesar de inovador, os rádios da época permitiam apenas a transmissão de códigos e sinais [4], como havia potencial neste tipo de transmissão, diversos pesquisadores em diferentes partes do mundo iniciaram os estudos para transmitir a voz humana por meio das ondas hertzianas. Em 1896, Guglielmo Marconi conseguiu demonstrar a transmissão das informações sem a utilização de fios entre telégrafos [5]. Enquanto isso, em Nova York, Nicola Tesla iniciou a apresentação de trabalhos e estudos sobre emissões de informações através de ondas eletromagnéticas assim como Marconi. Apenas em 1906 surgiu o primeiro equipamento de transmissão que utilizada um mineral chamado galena como semicondutor. Este detector de cristal foi patenteado por um Coronel do Exército norte-americano chamado Henry Harrison Chase Dunwoody [7]. A invenção de Dunwoody consistia em um equipamento onde um fragmento de galena (sulfeto de chumbo natural) se ligava a uma antena e todo som produzido era captado pela antena e podia ser ouvido através de alto-falantes de alta impedância, sem a necessidade de nenhuma fonte externa de energia. A função da galena neste circuito é separar a frequência da parte da modulação. Fazendo chegar aos alto-falantes apenas a informação transmitida. Com o aumento na transmissão de informação através das ondas eletromagnéticas, houve a necessidade de sintonizar frequências especificas e acrescentou-

A obtenção do chumbo é obtida a partir de depósitos de grandes quantidades em ambientes de origem magmáticas hidrotermal formadas pela consolidação de resíduos de magma. A galena é densa, tem dureza 2.5, cristaliza no sistema cúbico e apresenta-se geralmente em cristais de forma cúbica. Ela é considerada um semicondutor natural, utilizada como precursora dos diodos e dos transmissores, sendo o minério primário de chumbo utilizado na fabricação de baterias de chumbo-ácido e também utilizada amplamente para confecção de folhas de chumbo (podendo conter prata em seu conteúdo). Galena é um semicondutor com uma pequena banda de cerca de 0,4eV, utilizada nos primeiros sistemas de comunicação sem fio. “O cristal de galena foi utilizado com um alfinete de segurança ou fio cortante similar, que era conhecido como o "bigode de gato". Fazendo tais conjuntos sem fio era um hobby casa popular na Grã-Bretanha e outros países europeus durante os anos 1930” [8]. 1.3. Ondas Eletromagnéticas Conforme já citamos, Maxwell foi um dos primeiros a demonstrar teoricamente a existência de ondas eletromagnéticas e posteriormente Hertz conseguiu provar através das ondas hertzianas. Maxwell verificou que um campo elétrico variável podia gerar um campo magnético. Imagine duas placas paralelas sendo carregadas progressivamente. Embora Maxwell tenha estabelecido quatro equações para descrever os fenômenos eletromagnéticos, podemos ter uma noção de sua teoria baseados em duas conclusões:  Um campo elétrico variável no tempo produz um campo magnético.  Um campo magnético variável no tempo produz um campo elétrico.

Ondas eletromagnéticas são emitidas quando ocorre a aceleração e desaceleração por partículas eletricamente carregas, esta oscilação cria o chamado campo magnético que por sua vez cria os campos elétricos. Essa interação é responsável pelo surgimento das ondas eletromagnéticas e sua propagação. Existe uma perpendicularidade entre os campos elétricos e campos magnéticos na direção de propagação de uma onda eletromagnética [14]. Toda onda eletromagnética “carrega” consigo energia, esta energia que faz com que seja possível o funcionamento deste rádio sem nenhuma fonte de alimentação externa. A onda eletromagnética é constituída basicamente por duas características: a frequência e o comprimento de onda. A frequência é o número de oscilações produzidas pelos campos elétricos e magnéticos durante 1 segundo. O comprimento de onda é a distância entre os valores iguais e sucessivos em um padrão de onda representado pela letra lambda (λ). [10]). [10] Figura 3 – Representação onda eletromagnética Fonte: http://spiff.rit.edu/classes/ast613/lectures/radio_ii/radio_ii.html Outro ponto importante a ser levado em consideração, é que as ondas eletromagnéticas apresentam polarização. Essa característica se refere a orientação física do campo eletromagnético da radiação emitida. Se uma antena for colocada na vertical, seu campo elétrico também será na vertical, se a antena emissora estiver na horizontal a polarização da onda será também vertical.

Fonte: https://wiki.sj.ifsc.edu.br/index.php/Modula%C3%A7%C3%A3o_AM_-_t %C3%A9cnico A amplitude modulada resulta em três frequências separadas sendo transmitidas: a frequência da portadora original, uma banda lateral inferior ( LSB - lower side band ) abaixo da frequência da portadora, e uma banda lateral superior ( USB - upper side band ) acima da frequência da portadora. As bandas laterais são "imagens espelhadas" de cada uma e contém a mesma mensagem. Figura 6 – Modulação AM – LSB x Portadora x USB Fonte: http://ackf006eletronica.blogspot.com/2013/03/aula-4modulacao-am.html 1.5. Piezoeletricidade A origem da palavra “Piezoeletricidade” vem do grego “ piezo ” que significa pressão, Pierre Curie em 1880, descobriu através de pesquisas realizadas no laboratório de Física da universidade de Sobornne (Paris), que em certos tipos de cristais, uma corrente elétrica surgia quando eram submetidos a pressão.

Ele também verificou que as faces desses cristais vibravam ao submeter uma diferença de potencial, posteriormente esses cristais seriam utilizados em microfones e toca- discos. Para a aplicação dos cristais piezoelétricos, eles necessitam possuir uma característica básica, não podem possuir centro de simetria, sendo essa propriedade física originária da anisotropia do cristal, isto é, a resposta do material a um estimulo externo não é igual em todas as direções. Ao ser tensionado, o material piezoelétrico passa a apresentar uma polarização elétrica ou uma mudança de polarização se houver uma polarização espontânea não nula. Ao exercer uma pressão no material sua estrutura reticular pode ser deformada, levando a uma separação dos centros gravitacionais de cargas positivas e negativas das moléculas gerando pequenos dipolos (figura 7b).As cargas internas do polo são mutuamente canceladas e a distribuição das cargas ligadas aparecem na superfície do material (figura 7c), ou seja, o material está polarizado. Esta polarização gera um campo elétrico e pode ser usada para transformar a energia mecânica (deformação do material) em energia elétrica (Arnau A, 2008). Figura 7 - Modelo molecular simples para explicar o efeito piezoelétrico: a) molécula sem deformação; b) molécula sujeita a uma força; e c) efeito de polarização na superfície do material. Fonte: https://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_sem1_2007/ GeovannaL_Cotta_RF1.pdf

Pela bibliografia estudada para execução deste trabalho, a mais recomendada antena para este tipo de rádio é um fio longo esticado com suas extremidades presas conforme figura abaixo. Figura 9 – Esquema de montagem da antena Fonte: http://eletronicarioca.blogspot.com/2019/03/circuito-esquema-radio-galena.html A medida do comprimento da antena pode variar de 10 a 40 metros. Podemos utilizar outros tipos de antena dependendo da aplicação, as mais comuns que encontramos são as Yagi - Uda, Dipolo Meia Onda, Dipolo Dobrado, Antenas Omnidirecionais, Antena plano Terra (Marconi), entre outras [11]. Uma outra possibilidade de utilização no projeto é a antena Dipolo Básica, que é constituída por basicamente por duas hastes condutoras, onde o comprimento físico das hastes é igual ao comprimento de onda. (porem precisamos verificar a funcionalidade dela no rádio galena para assegurar que consiga recepcionar toda a faixa de frequência proposta no projeto. As ondas de frequência mais baixas têm um longo alcance quando se propagam no espaço livre, devido sua facilidade de difração através de obstáculos. Elas também possuem uma grande penetração nos meios, como água, terra, etc. Uma onda eletromagnética propagando no espaço livre viaja com a velocidade da luz, que é dada por c = 3.10^8 m/s. Para uma onda se propagando no meio que não é o espaço livre, esta velocidade de propagação da onda é menor do que c. O comprimento de onda no espaço livre é dado por:

Através da formula, conseguimos calcular o comprimento de onda da frequência mínima e máxima da faixa de utilização AM λminmin = 3 x 10 8 530 x 10 3 →^ λminmin =^566 metros λminmax = 3 x 10 8 1700 x 10 3 →^ λminmin =176,4^ metros A antena de transmissão de rádio AM, normalmente é uma Antena Plano terra monopolo e trabalha na frequência de 535 KHz a 1.7 MHz, com o comprimento de onda igual a λ). [10]/4. Elas possuem uma grande mastro, onde normalmente essa estrutura é a própria antena [12]. Utilizando a antena plano terra, teremos: Antena = λmin 4

= 44 metros Como é difícil encontrar um espaço de 44 metros para montar a antena, iremos utilizar um dipolo de 1/8 de comprimento de onda, desta forma teremos: Antena = λmin 8

=22,05 metros 2.2. Sintonizador O sintonizador do rádio galena é constituído por dois componentes eletrônicos: Uma bobina e um capacitor que atuam como um circuito ressonante. Esses dois componentes

afim de confirmar o valor dentro do especificado, caso contrario poderá haver problemas na sintonia das frequências no range especificado. O capacitor variável “C” deverá ser adquirido dentro das especificações dos cálculos realizados (17pF até 180pF). 2.3. Demodulador O retificador tem um papel importante no circuito, ele deixa passar apenas a parte positiva do sinal da onda de rádio, outro papel do retificador é deixar passar somente os sinais com a amplitude acima de um certo valor de tensão. No radio galena, a galena era utilizada como retificador/demodulador, podemos utilizar um diodo de galena ou germânio para esta função. As características construtivas do diodo de galena e do diodo de germânio são similares ao modelo feito com o cristal de galena (são os mais indicados devido às suas menores queda de tensão de retificação), desta forma podemos reproduzir o rádio galena e demodular a onda eletromagnética modulada em AM extraindo somente a informação que será ouvida pelos alto-falantes eliminando a portadora do sinal (utilizada somente para transmissão da informação). o capacitor recebe a energia proveniente de ondas eletromagnéticas e a armazena em seu campo elétrico, ao passo que quando o capacitor descarrega esta energia irá para o campo magnético do indutor, isso acontece na frequência de ressonância. Se no processo de carga e descarga dos elementos não ocorressem dissipações, este processo de troca de energia aconteceria em um intervalo de tempo infinito, resultando em um sinal senoidal cuja frequência dependeria apenas dos valores do capacitor e do indutor. No entanto, no que concerne à vida real, nos elementos de circuitos existem perdas e, por esse motivo, a resistência que absorve energia oscila de maneira amortecida.

Figura 10 – Amortecimento circuito RLC x tempo Fonte: https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/index.php/AULA_14_-Circuitos_2-_Engenharia 2.4. Filtro passa baixa O filtro passa baixa para este circuito se resume a um capacitor cerâmico de 20nF, cuja finalidade é eliminar a alta frequência utilizada no transporte do sinal de alta frequência, que agora não interessa mais. Desta forma, fica no circuito apenas o sinal de baixa frequência que corresponde aos sons que desejamos ouvir. Figura 11 – Circuito filtro passa-baixa Fonte: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e7/Low_pass_filter.png De acordo com [12], para sinais alternados, o capacitor apresenta uma resistência, chamada de reatância capacitiva (Xc). E ela é dada pela seguinte fórmula:

mesmo material daqueles acendedores de gás, onde um gatilho gera uma tensão mecânica sobre um cristal (normalmente de bário, ou de Cristal de Rochelle. Esse fone pode ser construído a partir de um “buzzer” de um aparelho (micro-ondas por exemplo e um tubo plástico colado com cola quente). Figura 12 – Buzzer piezoeletrico Fonte:https://portuguese.alibaba.com/product-detail/piezo-buzzer-manufacturer-22mm-5v-80db- piezoelectric-transducer-for-microwave-oven-60382956038.html

3. CONCLUSÃO

Infelizmente não foi possível realizar o trabalho de montagem do radio galena durante a realização deste trabalho porem com os estudos teóricos realizados tivemos uma ideia de como seria voltar aos primeiros anos do rádio e analisar como os primeiros receptores que existiram funcionavam. Naquela época, início do século XX, não existiam válvulas, transistores e muito menos circuitos integrados. Esse projeto, apesar de parecer muito simples, mostra uma excelente correlação entre os conceitos de física, que utilizamos principalmente conceitos de ressonância e eletromagnetismo, para funcionamento de um rádio que não depende de uma fonte de energia aparente, mas que, na verdade, se utiliza da energia das próprias ondas eletromagnéticas moduladas em AM. Baseado em todo o estudo teórico realizado, pudermos verificar que os circuitos eletrônicos dependem de outros conceitos como Física e Química neste projeto. Física que nos mostra através de Maxwell que as ondas eletromagnéticas carregam energia e a informação a ser transmitida e que podem ser recepcionadas através de um circuito LC ressonando na frequência desejada. Temos os conceitos de química no que tange a formação do cristal galena e a estrutura do cristal que permite utilizar como um demodulador de ondas eletromagnéticas removendo a portadora e deixando passar somente a informação, no caso, a voz do locutor.