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Telecomunicações

ALTO-FALANTES, MICROFONES E TELEFONES

A linguagem oral é, desde muito tempo, uma das principais formas de comunicação utilizadas pelo homem. Para transmitir a linguagem oral e os sons da voz à distância foram desenvolvidos dois aparelhos: os alto-falantes e os microfones. Esses aparelhos estão presentes e são essenciais ao funcionamento do rádio, da televisão e dos telefones.

Para entender a importância dos alto-falantes e dos microfones, vamos considerar o exemplo de um telefone de brinquedo que não utiliza esses aparelhos. Tal brinquedo, ilustrado na figura 5, é constituído apenas por um barbante esticado com as extremidades amarradas a dois copos plásticos. Nesse brinquedo, o barbante é capaz de transmitir as vibrações produzidas pelo ar que sai da boca do falante até a orelha do ouvinte. Nesse brinquedo, as vibrações transmitidas através do barbante são amortecidas e absorvidas aos poucos ao longo do próprio barbante. Assim, o telefone de brinquedo torna-se ineficiente do ponto de vista da comunicação à distância.

Figura 5- A figura mostra duas pessoas utilizando um telefone de brinquedo para se comunica.
No fascículo “Os sons e a Poluição Sonora”, o funcionamento desse “telefone” é discutido com mais cuidado

DA DESCOBERTA DE OERESTED À INVENÇÃO DO ALTO-FALANTE

Durante muito tempo os fenômenos magnéticos foram estudados sem que se suspeitasse da existência de qualquer ligação entre eles e os fenômenos elétricos. Porém, em 1820, ao fazer uma observação casual durante a preparação de uma aula na Universidade de Copenhague, Hans Christian Oersted (1777-1851) descobriu uma relação “surpreendente” entre a eletricidade e o magnetismo: um fio percorrido por corrente elétrica gerava, em torno de si, um campo magnético. As figuras 7 (a) e (b) abaixo reproduzem a observação feita por Oersted.

Figura 7 a e b: fechando-se o circuito através da chave C, as cargas elétricas do fio condutor passam a se mover sob a ação da “voltagem” estabelecida no circuito pela bateria. Quase no mesmo instante, a agulha da bússola assume nova posição, perpendicular ao fio condutor. O movimento da bússola acusa a presença de um campo magnético criado pela corrente elétrica.

A observação de Oerested deu início a toda uma série de estudos e investigações sobre as relações entre a eletricidade e o magnetismo, bem como permitiu uma série de aplicações práticas para o campo magnético produzido por correntes elétricas. Uma dessas aplicações é a bobina. A bobina é um elemento obtido a partir do enrolamento de um fio condutor. A intensidade do campo magnético produzido ao redor do fio retilíneo utilizado na experiência de Oerested é pequena. O fio enrolado na forma de bobina permite a intensificação desse campo magnético.

Figura 8- Na foto acima, vemos um fio de cobre enrolado em torno de um núcleo de ferro
e ligado a uma pilha. Nessas condições, o campo magnético criado pela passagem de corrente
é mais intenso do que em um fio retilíneo. Esse campo é capaz de deslocar pequenos objetos
de ferro e a agulha de uma bússola.

FAÇA VOCÊ MESMO:
Se você dispuser de um alto-falante, pilhas, fios de cobre e uma bússola, poderá acompanhar o texto que se segue realizando experiências interessantes. Peça a ajuda do seu professor para isso.

Uma bobina percorrida por uma corrente elétrica comporta-se da mesma maneira que um ímã de barra com dois pólos magnéticos, norte (N) e sul (S), orientados ao longo de um eixo imaginário (vide figura 9-a). Outro fato importante que permite a utilização das bobinas na estrutura dos alto-falantes é o seguinte: A inversão da corrente elétrica que circula em uma bobina inverte também o sentido do campo magnético que ela produz (veja as figuras 9-a e 9-b)

A figura 10 mostra esquematicamente a estrutura de um alto-falante. Esse aparelho consiste, basicamente, em uma bobina presa a um diafragma. Além de estar presa ao diafragma, a bobina é constantemente submetida ao campo magnético produzido por um ímã permanente. Sem ser percorrida por uma corrente elétrica, a bobina de cobre não interage com o imã permanente. Essa situação muda quando estabelecemos uma corrente elétrica no interior da bobina. Nessas condições, a bobina irá comportar-se como um imã que poderá ser atraído ou repelido pelo imã permanente que existe na estrutura do alto-falante.

Figura 10: Estrutura de um alto-falante constituído por um diafragma, uma bobina e um ímã permanente.

A série de seis ilustrações que se segue mostra como o alto-falante é capaz de gerar vibrações no ar e como essas vibrações podem ser transmitidas até as nossas orelhas. Na figura, o ar é representado por “pontinhos”. “Pontinhos” muito próximos uns dos outros correspondem a ar comprimido ou com pressão acima do normal. Regiões quase sem “pontinhos” correspondem a ar rarefeito ou com pressão abaixo do normal. Como sabemos, nossos tímpanos podem vibrar quando são atingidos sucessivamente por ar comprimido e ar rarefeito. Dizemos, então, que as vibrações produzidas no ar pelo alto-falante geram ondas sonoras que fazem vibrar nossos tímpanos. São as vibrações do tímpano que dão início ao processo de produção da sensação auditiva.

Figura 11- Produção de pulsos de ar comprimido e rarefeito pelo diafragma de um alto-falante, quando a bobina do alto-falante recebe um sinal elétrico alternado.

Ainda não há corrente elétrica circulando na bobina. Ela e o diafragma estão em repouso e nenhuma pertubação está sendo produzida no ar.
Uma corrente elétrica cresce rapidamente no interior da bobina. Ela sofre uma repulsão brusca pelo imã permanente. Produz-se ar comprimido à frente do diagrama.
A corrente elétrica na bobina diminui até tornar-se zero. A bobina volta à posição inicial. Enquanto isso, o ar comprimido produzido pelo primeiro movimento da bobina caminha em direção a uma orelha.
Uma corrente elétrica cresce rapidamente no interior da bobina, mas no sentido oposto àquela que percorreu a bobina no item b). A bobins é atraída pelo ímã. Produz-se ar rarefeito à frente do diafragma.
A corrente elétrica na bobina diminui até tornar-se zero. Novamente, a bobina volta à posição inicial. Por sua vez, o ar comprimido produzido pelo primeiro movimento da bobina avança no rumo da orelha.
Mais uma vez, a corrente elétrica cresce rapidamente no interior da bobina repetindo o que havia acontecido no item b). A bobina é novamente repelida e o ciclo de vibração se reinicia.

Sabemos que para emitir sons um alto-falante precisa vibrar. O movimento de vibração ou oscilação do diafragma do alto-falante é provocado pela bobina, ou melhor, pela corrente elétrica que circula pela bobina. Quando essa corrente elétrica muda de sentido rapidamente, tanto a bobina quanto o diafragma oscilam rapidamente para frente e para trás.

DA DESCOBERTA DE FARADAY AO MICROFONE DE BOBINA MÓVEL

Como vimos, o funcionamento de um alto-falante baseia-se no fato de que uma bobina percorrida por uma corrente elétrica comporta-se como um ímã. O sentido da corrente elétrica na “bobina-ímã” pode fazer com que ela seja atraída ou repelida pelo ímã permanente localizado na base do aparelho (veja novamente a figura 10).

Desde a descoberta de Oerested de que a passagem de corrente elétrica por um fio produz um campo magnético, criou-se a expectativa de que o efeito inverso pudesse ser observado, isto é, de que um campo magnético agindo sobre fios ou outros materiais metálicos pudesse fazer surgir uma corrente elétrica. Em 1831, portanto 11 anos após a observação de Oerested, o brilhante físico e químico Michael Faraday estabeleceu quais eram as condições necessárias para se induzir corrente elétrica a partir do magnetismo. O funcionamento dos microfones de bobina móvel, como veremos a seguir, está baseado nesse fenômeno.

FAÇA VOCÊ MESMO:

Se você nunca fez nenhuma experiência envolvendo o princípio de indução de eletricidade a partir da variação de um campo magnético, esta é uma boa hora para fazê-lo. Para isso, consulte livros de Física ou o fascículo “Circuitos Elétricos Domésticos”

Os microfones são dispositivos utilizados para transformar a energia do som em energia elétrica. Existem vários modelos de microfones, entre os quais o microfone de carvão, o microfone de cristal, os microfones de fita, os de bobina móvel e o microfone de condensador de eletretos. Em todos eles existe uma membrana ou diafragma que se move sob o efeito das vibrações que os sons produzem no ar. Dentre todos os tipos de microfone existentes, vamos discutir aqui apenas a estrutura e o funcionamento do microfone de bobina móvel (veja figura 12).

Figura 12- Estrutura de um microfone de bobina móvel

Nossa escolha deve-se a dois motivos. Em primeiro lugar, porque o microfone de bobina móvel é estruturalmente semelhante ao alto-falante, sendo constituído pelos mesmos três elementos: bobina, diafragma e ímã permanente. Em segundo lugar, porque o princípio de funcionamento do microfone de bobina móvel está relacionado ao princípio de funcionamento dos emissores de rádio e televisão, pois também se baseia na indução de eletricidade a partir do magnetismo.

Para enxergarmos melhor a semelhança estrutural entre um microfone de bobina móvel e um alto-falante, transformamos o esquema de um microfone mostrado na figura 12 no esquema mais didático da figura 13. Os textos que acompanham a figura 13 descrevem o funcionamento do microfone de bobina móvel. As ilustrações e os textos da figura 14 (veja a próxima página) descrevem esse funcionamento “passo a passo”. .

Figura 13: Microfone “rústico” de bobina móvel (alto-falante funcionamento “ao contrário")

Na figura 14, mostramos uma membrana que produz vibrações no ar. A membrana (linha grossa e curva à esquerda) produz, no seu entorno, ora regiões de ar comprimido, ora regiões de ar rarefeito. Assim como já havia acontecido na figura 11, o ar é representado na figura 14 através de “pontinhos”. Lembre-se que “pontinhos” muito próximos uns dos outros representam ar comprimido, enquanto regiões “sem pontinhos” correspondem a ar rarefeito. Note que as ilustrações procuram mostrar que tanto a chegada de ar comprimido quanto a chegada de ar rarefeito produzem movimentos no diafragma do microfone . À direita de cada ilustração da figura 14 podemos também notar a presença de gráficos que mostram o sinal elétrico que vai se formando na bobina do microfone.

Figura 14- Produção de sinais elétricos na bobina de um microfone quando o diagragma recebe pulsos de ar comprimido e rarefeito provenientes de uma onda sonora.

Nesse instante, o ar ainda não produziu movimento no diafragma. A bobina ainda encontra-se em repouso em relação ao imã. Não há variação no campo magnético que atua sobre a bobina. Não há indução de corrente.
Nesse instante, o ar comprimido empurra o diafragma. O movimento da bobina provoca um aumento no campo magnético que incide sobre ela. Há indução de corrente elétrica nos fios da bobina.
Após a passagem do ar comprimido, o ar no diafragma volta a apresentar pressão atmosférica normal. A bobina volta para a sua posição inicial e a variação do campo magnético torna-se cada vez mais lenta.
Ar rarefeito alcança o diafragma. Em relação à fig-14b, inverte-se também o sentido da variação do campo magnético que incide sobre a bobina. Isso, por sua vez, modifica o sentido da corrente induzida na bobina.
Após a passagem do ar rarefeito, o ar no diafragma volta a apresentar pressão atmosférica normal. A bobina volta para sua posição inicial e a variação do campo magnético torna-se cada vez mais lenta.
Novamente, ar comprimido empurra bruscamente o diafragma. O movimento da bobina provoca um aumento no campo magnético que incide sobre ela. Tudo acontece como já havia acontecido na fig-14b.

TELEFONE: A REUNIÃO DO MICROFONE E DO ALTO-FALANTE

O telefone é um aparelho concebido por Alexander Graham Bell e utilizado pela primeira vez em 1875. Nesse aparelho existe um microfone que transforma as ondas sonoras que alcançam seu diafragma em uma corrente elétrica de intensidade variada. É esta corrente que viaja através dos fios e alcança um alto-falante situado no aparelho receptor, próximo à orelha do ouvinte.

Os telefones podem ser divididos em quatro partes principais:

1º - um microfone que transforma as vibrações sonoras em sinais elétricos;
2º - uma fonte de energia que amplifica os sinais elétricos;
3º - fios para transmitir os sinais elétricos sob a forma de corrente elétrica;
4º - um alto-falante que transforma o sinal elétrico em sinal sonoro.

Figura 6- Esquema do circuito elétrico da telefonia convencional constituído por uma bateria ligada a um microfone e a um alto-falante.

PARA SABER MAIS: DOIS EXEMPLOS DE TRANSDUTORES

Além dos fios e da fonte de energia, os telefones são constituídos por dois transdutores: o alto-falante e o microfone. Os sinais elétricos enviados através de uma linha telefônica não nos dizem nada se não forem transformados em sons. O alto-falante é um transdutor porque converte os sinais elétricos em sinais sonoros. O microfone também é um transdutor, pois é ele que transforma originalmente os sinais sonoros em sinais elétricos.
De maneira geral, transdutores são dispositivos que convertem sinais elétricos em outros tipos de sinal (sonoro, térmico, luminoso, etc.) ou convertem um tipo qualquer de sinal em um sinal elétrico. Nos transdutores, as transformações de sinais implicam em transformações de energia. Os alto-falantes, por exemplo, convertem energia elétrica em energia sonora. Os microfones produzem o efeito contrário.