miniatura|upright=1.0|Animação de uma antena dipolo de meia onda irradiando ondas de rádio e mostrando as linhas do campo elétrico. A antena no centro é formada por duas hastes metálicas verticais ligadas a um transmissor de rádio, não mostrado. O transmissor aplica uma corrente alternada às hastes, carregando-as alternadamente com carga elétrica positiva (+) e negativa (−). Laços de campo elétrico deixam a antena e se afastam à velocidade da luz. Esses laços são as ondas de rádio. A animação mostra o processo muito mais lentamente do que ele ocorre.
Ondas de rádio, antigamente chamadas de ondas hertzianas, são um tipo de radiação eletromagnética que ocupa a região de menores frequências e maiores comprimentos de onda do espectro eletromagnético. Os limites entre ondas de rádio, micro-ondas e a região de terahertz são convencionais e não correspondem a uma descontinuidade física do espectro. Muitas classificações usam cerca de 300 gigahertz (GHz), equivalente a um comprimento de onda de 1 mm, como limite superior aproximado da região de rádio. Os limites atribuídos às micro-ondas também variam. Uma definição ampla abrange aproximadamente 300 MHz a 300 GHz, enquanto em engenharia de micro-ondas é comum usar cerca de 1 GHz como limite inferior. Como todas as ondas eletromagnéticas, as ondas de rádio no vácuo propagam-se à velocidade da luz e, na atmosfera terrestre, a uma velocidade ligeiramente menor. Elas são geradas por partículas carregadas submetidas a aceleração, como ocorre em correntes elétricas que variam com o tempo. Ondas de rádio naturais são emitidas por relâmpagos e por objetos astronômicos, e fazem parte da radiação de corpo negro emitida por objetos com temperatura acima do zero absoluto.
Ondas de rádio são produzidas artificialmente por um dispositivo eletrônico chamado transmissor, ligado a uma antena que irradia as ondas. Elas são recebidas por outra antena ligada a um radiorreceptor, que processa o sinal recebido. As ondas de rádio são usadas em tecnologias de radiocomunicação fixa e móvel, radiodifusão, radar, sistemas de radionavegação, satélites de comunicação, redes de computadores sem fio e outras aplicações. Diferentes frequências têm diferentes características de propagação na atmosfera terrestre. Ondas longas podem sofrer difração em torno de obstáculos, como montanhas, e acompanhar o contorno da Terra, na forma de ondas de superfície. Ondas mais curtas podem ser refratadas pela ionosfera e retornar à Terra além do horizonte, como ondas ionosféricas. Comprimentos de onda muito menores sofrem menos difração e muitas aplicações dependem da propagação em linha de visada, cujo alcance terrestre fica limitado principalmente pelo horizonte de rádio.
Para evitar interferência eletromagnética entre diferentes usuários, a geração artificial e o uso de ondas de rádio são regulados por lei e coordenados internacionalmente pela União Internacional de Telecomunicações (UIT). Para os fins de seus Regulamentos de Rádio, a UIT define ondas de rádio como "ondas eletromagnéticas de frequências arbitrariamente inferiores a 3.000 GHz, propagadas no espaço sem guia artificial". Essa definição regulatória inclui frequências acima do limite de 300 GHz usado em outras classificações do espectro. O espectro de rádio é dividido em faixas com base na frequência, destinadas a usos diferentes.
direita|300px|miniatura|Diagrama dos campos elétricos (E) e magnéticos (H) de ondas de rádio emitidas por uma antena monopolo transmissora, indicada pela pequena linha vertical escura no centro. Na região de onda propagante, os campos E e H são perpendiculares entre si e à direção de propagação.
Descoberta e uso
A existência de ondas eletromagnéticas propagando-se pelo espaço foi prevista pela teoria do eletromagnetismo de James Clerk Maxwell. Seu artigo A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field foi recebido pela Royal Society em 27 de outubro de 1864 e lido em 8 de dezembro daquele ano. O trabalho completo foi publicado em 1865. Sua teoria matemática, expressa pelas equações de Maxwell, previa que campos elétricos e magnéticos variáveis poderiam propagar-se pelo espaço na forma de ondas eletromagnéticas. Maxwell relacionou a luz a essas ondas.
Em 1887, o físico alemão Heinrich Hertz comprovou experimentalmente as ondas eletromagnéticas de Maxwell ao gerar em laboratório ondas de frequência menor que a da luz, isto é, ondas de rádio. Ele mostrou que elas apresentavam propriedades ondulatórias também observadas na luz, como ondas estacionárias, refração, difração e polarização. O inventor italiano Guglielmo Marconi desenvolveu os primeiros transmissores e receptores de rádio práticos por volta de 1894–1895. Recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1909 por seu trabalho com o rádio. A radiocomunicação começou a ter uso comercial por volta de 1900. O termo moderno "onda de rádio" substituiu gradualmente o nome "onda hertziana" no início do século XX.
Em 1932, o engenheiro de rádio Karl Guthe Jansky, dos Bell Labs, registrou um sinal recorrente em aproximadamente 20,5 MHz enquanto investigava fontes de interferência em comunicações de ondas curtas. Em 1933, publicou sua conclusão de que parte desse sinal tinha origem extraterrestre e vinha da direção da região central da Via Láctea. Essas observações deram origem à radioastronomia.
Geração e recepção miniatura|upright=1.5|Diagrama animado de uma antena dipolo de meia onda recebendo uma onda de rádio. A antena consiste em duas hastes metálicas ligadas a um receptor R. O campo elétrico (E, setas verdes) da onda incidente faz os elétrons das hastes oscilarem e carrega as extremidades alternadamente com carga positiva (+) e negativa (−). Como o comprimento da antena é metade do comprimento de onda, o campo oscilante induz ondas estacionárias de tensão (V, em vermelho) e corrente nas hastes. As correntes oscilantes, indicadas pelas setas pretas, percorrem a linha de transmissão e o receptor, indicado pela resistência R.
Ondas de rádio são irradiadas por partículas carregadas quando elas são aceleradas. As fontes naturais incluem o ruído de rádio produzido por relâmpagos e por outros processos naturais na atmosfera terrestre, além de fontes de rádio astronômicas no espaço, como o Sol, galáxias e nebulosas. Objetos com temperatura acima do zero absoluto emitem um espectro de radiação térmica que pode incluir frequências de rádio.
Ondas de rádio são produzidas artificialmente por correntes elétricas variáveis no tempo. Em transmissores comuns, elétrons oscilam em um condutor metálico de formato apropriado chamado antena. Um dispositivo eletrônico chamado transmissor de rádio aplica à antena uma corrente ou tensão de radiofrequência, e parte da energia eletromagnética é irradiada para o espaço. As ondas são recebidas por outra antena ligada a um radiorreceptor. O campo elétrico da onda incidente exerce força sobre as cargas do condutor e produz uma tensão e uma corrente oscilantes que podem ser processadas pelo receptor.
Na descrição quântica, o campo eletromagnético é quantizado, e sua energia pode ser expressa em termos de fótons. Cada fóton de frequência tem energia . Um campo gerado por uma corrente clássica monocromática ideal é descrito na teoria quântica por um estado coerente, que se aproxima do comportamento de um campo eletromagnético clássico. Essa descrição é mais precisa do que atribuir uma fase individual idêntica a cada fóton. A energia de cada quantum é pequena nas radiofrequências. Ela é de aproximadamente 2,0 × 10−22 J a 300 GHz e 6,6 × 10−28 J a 1 MHz. Sinais de rádio macroscópicos correspondem, por isso, a números muito grandes de quanta, e sua geração, propagação e recepção são normalmente tratadas pelo eletromagnetismo clássico. A quantização torna-se necessária em situações nas quais os estados quânticos do campo são relevantes, entre elas processos de emissão e absorção em um maser.
Fontes naturais e ruído Um radiorreceptor também capta emissões que não fazem parte do sinal desejado. O ruído de rádio natural pode ter origem na atmosfera e na superfície terrestre, em fontes extraterrestres e em descargas atmosféricas. Há ainda ruído produzido por equipamentos elétricos e eletrônicos construídos pelo ser humano. A intensidade relativa dessas componentes depende da frequência, do local e das condições de recepção.
As emissões extraterrestres são estudadas pela radioastronomia. Uma linha espectral usada nessa área é a linha do hidrogênio neutro em aproximadamente 1.420,406 MHz, correspondente a um comprimento de onda de cerca de 21 cm. Ela resulta de uma transição hiperfina do estado fundamental do hidrogênio e é usada para estudar o gás atômico no espaço interestelar.
Propriedades Ondas de rádio no vácuo propagam-se à velocidade da luz . Em um meio material, a velocidade de fase, a atenuação e outras propriedades da propagação dependem da frequência e das propriedades eletromagnéticas do meio, como permissividade, permeabilidade magnética e condutividade. O índice de refração do ar é próximo de 1, de modo que na atmosfera terrestre a velocidade das ondas de rádio é muito próxima de .
O comprimento de onda é a distância entre dois pontos equivalentes consecutivos de uma onda periódica, como dois máximos do campo elétrico. No vácuo, ele é inversamente proporcional à frequência :
onde
Uma onda de 1 Hz tem, no vácuo, comprimento de onda de 299.792.458 m. Uma onda de rádio de 1 megahertz, no meio da faixa de AM, tem comprimento de onda de aproximadamente 299,79 m.
Faixas de frequência A União Internacional de Telecomunicações utiliza uma nomenclatura de bandas cuja frequência aumenta por fatores de dez. A recomendação UIT-R V.431-9 contém as bandas de 300 Hz em diante e estende a nomenclatura às faixas inferiores. Os limites inferiores das faixas da tabela são exclusivos e os limites superiores são inclusivos.
+ Bandas nomeadas pela UIT dentro da faixa tratada como ondas de rádio Número da banda Sigla Designação Frequência Comprimento de onda aproximado 0 TLF Frequência tremendamente baixa 0,3–3 Hz 1.000.000–100.000 km 1 ELF Frequência extremamente baixa 3–30 Hz 100.000–10.000 km 2 SLF Frequência superbaixa 30–300 Hz 10.000–1.000 km 3 ULF Frequência ultrabaixa 300–3.000 Hz 1.000–100 km 4 VLF Frequência muito baixa 3–30 kHz 100–10 km 5 LF Frequência baixa 30–300 kHz 10–1 km 6 MF Frequência média 300–3.000 kHz 1.000–100 m 7 HF Frequência alta 3–30 MHz 100–10 m 8 VHF Frequência muito alta 30–300 MHz 10–1 m 9 UHF Frequência ultra-alta 300–3.000 MHz 1 m–10 cm 10 SHF Frequência super alta 3–30 GHz 10–1 cm 11 EHF Frequência extremamente alta 30–300 GHz 1 cm–1 mm 12 THF Frequência tremendamente alta 300–3.000 GHz 1–0,1 mm
A UIT também atribui números de banda a frequências ainda menores e a faixas acima de 3.000 GHz. A definição de "onda de rádio" dos Regulamentos de Rádio termina arbitrariamente abaixo de 3.000 GHz, de modo que as bandas superiores da nomenclatura de telecomunicações não são ondas de rádio nessa definição.
Polarização Como outras ondas eletromagnéticas transversais, uma onda de rádio em propagação pode ter uma propriedade chamada polarização, determinada pelo comportamento do vetor de campo elétrico no plano perpendicular à direção de propagação. Em uma onda linearmente polarizada, o campo elétrico oscila ao longo de uma direção fixa. Em uma onda polarizada horizontalmente, essa direção é horizontal. Em uma onda polarizada verticalmente, ela é vertical. Em uma onda circularmente polarizada, a direção do campo elétrico gira uma vez por ciclo. As convenções da UIT distinguem polarização circular direita e esquerda pelo sentido de rotação observado em um plano normal à direção de propagação, olhando-se no sentido da propagação.