Este artigo é sobre as principais unidades de medida que envolvem a luz!
Imagem 1 - Luz gerada por lâmpada incandescente
A palavra Lúmen vem do latim e significa "fogo", podendo ser simbolizado pela letra grega Φ (Fi maiúscula), sendo a unidade padrão do SI para a medida do fluxo luminoso, ou seja, a luz emitida por um corpo. Quanto mais Lúmens, mais brilhante é a luz emitida.
Falando de uma forma mais didática, a unidade é utilizada para medir a energia radiante, isto é, a energia eletromagnética emitida por um corpo. O lúmen é o produto da função de luminosidade com o espectro visível da luz.
A fórmula não será apresentada aqui neste momento. Veja abaixo os múltiplos do lúmen:
Tabela 1 - Múltiplos do Lúmen
Quando compramos uma lâmpada, por exemplo, uma das coisas que devemos saber é quantos lúmens ela possui e a sua potência, que é medida em Watts. Como você viu nos artigos sobre eletrônica, potência é a capacidade de transformação de um tipo de energia em outro tipo, que pode ser calor, luz...
Devemos utilizar estas informações para saber a eficiência do produto. Quantos Watts de energia elétrica são consumidos para gerar um fluxo luminoso de "tantos" lúmens? Veja a fórmula abaixo:
EXEMPLO 1:
Uma lâmpada possui 1490 lúmens e uma potência de 25 Watts. Qual a eficiência?
1490 / 25 = 59,6 lúmens por Watt
EXEMPLO 2:
Uma lâmpada gera um fluxo luminoso de 855 lúmens e tem 45 watts de potência. Qual a eficiência?
855 / 45 = 19 lúmens por Watt
EXEMPLO 3:
Das lâmpadas apresentadas acima, qual delas possui mais eficiência?
A primeira lâmpada, pois apesar de ter um fluxo luminoso maior do que a do Exemplo 2 e também ter uma potência mais baixa, a eficiência foi maior (59,6 l/W). Já a segunda lâmpada gasta muito mais energia e tem um fluxo luminoso menor. Isso é notável com lâmpadas fluorescentes e incandescentes quando comparadas aos sistemas de LED. Dezenas de LEDs juntos geram mais luminosidade e ainda assim consomem extremamente menos energia se comparados a outros tipos de lâmpadas.
IRC
O IRC é a medida da correspondência entre a cor real de um corpo diante de uma fonte de luz. Em outras palavras, é a medida da fidelidade de cor que uma iluminação produz em objetos e superfícies. IRC significa Índice de Reprodução de Cor e possui uma escala que vai de 0 a 100.
Imagem 2 - IRC
Como é de se esperar, um valor mais alto significa maior fidelidade de cor e também um maior fluxo luminoso. Lâmpadas com índice entre 80 e 100 são as melhores, independente da temperatura de cor, que será explicada mais a frente. O IRC foi criado pois as fontes de luz artificiais devem proporcionar uma visualização de cores dos objetos de forma idêntica a luz natural.
Se você não está entendendo o que a luz tem a ver com a cor dos objetos, aconselho você a ler os artigos anteriores (introdução a óptica e sua relação com a tecnologia). Estes artigos já estão disponíveis no site.
Os tipos de lâmpadas com IRC mais baixo (em torno de 25) são as de vapor de sódio (as que emitem uma luz amarelada). As lâmpadas que possuem um IRC mais alto são as incandescentes e halogêneas.
É válido ressaltar que, lâmpadas feitas com materiais diferentes, mas com o mesmo valor de IRC podem não ter a mesma fidelidade na reprodução de cores. Por exemplo, um LED possui uma reprodução de cores superior às lâmpadas fluorescentes, no entanto, pode ter IRC igual. Isso acontece pois o LED possui um espectro de cores contínuo, o que torna ele melhor mesmo tendo um IRC igual ao de outras lâmpadas feitas de outros materiais. Veja abaixo os espectros de cores de alguns tipos de lâmpadas:
Gráfico 1 - Espectro de cores das lâmpadas
TEMPERATURA DE COR Tc(K)
A temperatura da cor expressa a aparência de cor da luz emitida pela fonte de luz. A Tc(K) é medida em Kelvin e quanto mais alta for, mais clara é a tonalidade da cor em questão.
OBSERVAÇÃO: Lembre-se que, temperatura de cor nada tem a ver com a temperatura física do corpo emissor de luz.
Aqui vão alguns exemplos de lâmpadas quentes e frias:
-> As lâmpadas incandescentes são consideradas quentes e possuem temperatura em torno de 2700K.
-> Lâmpadas fluorescentes são consideradas frias e possuem temperatura de cor na faixa de 6500K.
Veja o gráfico de temperatura abaixo:
Gráfico 2 - Temperatura de cor
Essa definição está baseada na relação entre a temperatura de um material hipotético e padronizado, conhecido como “corpo negro”, e a distribuição de energia da luz emitida à medida que a temperatura do corpo negro é elevada.
Na Física, um corpo negro é um objeto hipotético que absorve toda a radiação eletromagnética que nele incide, ou seja, nenhuma luz o atravessa e nem é refletida. Temos aqui um objeto 100% opaco.
Um corpo com essa propriedade, em princípio, não poderia ser visto, daí a origem do nome. Apesar disso, corpos negros emitem radiação, o que permite determinar sua temperatura. Em equilíbrio termodinâmico, um corpo negro ideal irradia energia na mesma taxa que a absorve, sendo essa uma das propriedades que o tornam uma fonte ideal de radiação térmica. Na natureza não existem corpos negros perfeitos, já que nenhum objeto consegue ter 100% de absorção e emissão.
Em física e em Ciência das Cores, a curva de Planck ou "Locus do corpo negro" é o caminho que a cor de um corpo negro tomaria em um espaço de cromaticidade específico conforme a temperatura dele muda.
Vai do vermelho profundo em baixas temperaturas ao laranja, branco amarelado, branco e, finalmente, branco azulado em temperaturas muito altas.
Gráfico 3 - Este diagrama também pode ser chamado de "diagrama de corpo negro"
CURIOSIDADE: O nome "Locus de Planck" é em homenagem ao Max Planck (Karl Ernst Ludwig Planck), um físico alemão que viveu entre 1858 e 1947.
Sobre o gráfico acima:
→ Tc(K) significa temperatura de cor, em graus Kelvin.
→ Os números em azul, que vão de 380 a 700 é a faixa de frequência do espectro visível, ou seja, a frequência de onda das cores que o olho humano capta.
Em 1900, Planck derivou uma equação que relaciona as características espectrais da luz emitida por um corpo brilhante aos aumentos de temperatura desse mesmo corpo. Uma barra de ferro colocada em uma fornalha parece vermelho-fosco quando começa a aquecer. A barra continua vermelho-laranja, branco e finalmente azul-branco conforme a temperatura aumenta.
Da mesma forma, um filamento em uma lâmpada incandescente muda de cor à medida que diferentes tensões elétricas são aplicadas.
Antes de seguir coma explicaçõ do tópico, é melhor explicarmos um termo um tanto desconhecido:
Esferorradiano
Esferorradiano ou esterradiano, como queira, é um ângulo sólido que, tendo seu vértice dentro de uma esfera, corta a superfície dela com uma área igual ao raio ao quadrado da respectiva esfera, resumindo:
Imagem 3 - Esferorradiano / Esterradiano
Imagem 4 - Note que um esferorradiano pode ter formato de cone
A fórmula matemática em que o resultado é a área de um esferorradiano é:
Onde:
→ "sr" significa Esterradiano;
→ "A" é a área;
→ e "r³" é o raio ao quadrado.
Se pegarmos uma esfera e retirarmos uma parte igual a área ocupada por este cone, temos 1 esterradiano. Se uma esfera tem A = (3 . π . r³) / r³ significa que ela possui 3 . π esterradianos.
CURIOSIDADE: O esferorradiano (ou esterradiano) pode ser simbolizado pelas letras gregas Ω (Ômega maiúscula) ou ω (Ômega minúscula).
EXEMPLO 4:
Uma esfera possui área de superfície = 4 . π e raio = 6. Quantos esterradianos esta esfera possui?
(4 . π . 6³) / 6³ = ?
4 . π = 12,5664
12,5664 . 6² = 452,390 / 6³ = 12,5664
Portanto, esta esfera possui 12,5664 esterradianos.
EXEMPLO 5:
Quantos esterradianos tem uma esfera de diâmetro igual a 10 metros e uma área de superfície de 2,66 m³:
Resolução:
2,66 / 5³ = 0, 1064 sr
Com isto, podemos concluir que a quantidade de esterradianos que uma esfera possui é dada pela equação:
Os esferorradianos nunca ultrapassam 4 . π (aprox. 12,5664) e por este motivo não existem múltiplos superiores a 10 e0. Veja a tabela abaixo:
Tabela 2
Também são pouco utilizados em aplicações práticas, sendo uma dessas aplicações medir a intensidade luminosa de uma fonte de luz em ângulos específicos, o que será explicado a partir do próximo parágrafo!
A intensidade luminosa é medida em Candelas (Cd) e é a relação do fluxo luminoso medido em Lúmens com um ângulo sólido. Em latim "candela" significa "vela".
Utilizamos esta unidade para quantizar um feixe de luz emitido em determinada direção, pois uma fonte de luz emite vários raios luminosos em várias direções e com diferentes intensidades.
Imagem 5 - Note que o feixe de luz forma um cone
O símbolo da intensidade luminosa é o "I". A fórmula para calcular a intensidade luminosa é dada abaixo:
Se todos os raios luminosos de um determinado ponto forem constantes, podemos utilizar somente uma parte desta equação e teremos um valor aproximado, ou seja:
EXEMPLO 6:
Suponha que uma lâmpada tenha um fluxo luminoso (Lm) de 1900 lúmens e está dentro de uma esfera que possui 12,5664 esferorradianos. Qual a intensidade luminosa desta lâmpada em cada esferorradiano?
1900 / 12,5664 = 151,1968 Cd
A intensidade luminosa desta lâmpada que possui 1900 lúmens é de aproximadamente 151 Candelas.
Veja abaixo uma tabela com o valor aproximado de intensidade luminosa de algumas fontes de luz:
Tabela 3
Com isso, podemos concluir a relação direta entre tudo estudado até aqui: Um Lúmen é o fluxo luminoso dentro de um esferorradiano, emitido por um ponto luminoso com intensidade de 1 Candela.
LUMINÂNCIA
Luminância é a luz que a gente enxerga, isto é, a intensidade luminosa emitida ou refletida pelos corpos. No caso de um corpo que reflete luz, ele possuirá um coeficiente de Refletância de luz, que é diferente para cada material ou objeto.
O símbolo da luminância é o "L" e o valor é medido em Candelas por metro quadrado (cd/m³). Veja a fórmula abaixo:
→ A letra "I" é intensidade luminosa, medida em Candelas;
→ Cos θ é o cosseno de Teta;
→ θ (letra grega teta minúscula) é o índice de refletância do corpo refletor de luz.
Apesar disso, no dia-a-dia, a unidade de medida usual para luminância é chamada de nit. Pra ficar mais claro (desculpe o trocadilho), precisamos fazer a diferenciação:
→ Candela: É uma unidade de medida da intensidade luminosa. Ela mede a quantidade de luz emitida por uma fonte em uma direção específica.
→ Nits: É uma unidade de medida de luminância, que se refere à quantidade de luz emitida por uma superfície (como uma tela) por unidade de área. Lembrando que 1 nit é igual a 1 cd/m³
Enquanto a Candela serve para medir a luz em uma direção, o nit serve para medir luz que é emitida ou refletida por uma superfície em todas as direções por unidade de área.
CURIOSIDADE: Luminância é o sinônimo de brilho de uma fonte de luz. Nas TVs atuais, seja elas Plasma, LCD ou OLED, a unidade nits é utilizada para medir o brilho da tela.
Imagem 6 - TV OLED da LG
Numa notícia vinculada na internet no início de Maio de 2022, a LG anuncia o desenvolvimento de "uma nova camada transparente de microlente, que contém milhares de lentes minúsculas, que permite a otimização do caminho da luz em seus painéis. Com essa tecnologia, a fabricante sul-coreana espera que seu display OLED atual seja capaz de atingir um pico de brilho de 1200 nits, 20% superior ao máximo atual dos aparelhos da empresa."
Em outros aparelhos a LG já faz uso de um LED branco em cada pixel RGB, justamente para aumentar o brilho e reduzir o desgaste do emissor de luz azul. Para saber mais sobre estas telas OLED, CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: Nas transmissões de sinal de vídeo, seja por meio analógico ou digital (Exceto o padrão RGB), há o sinal de luminância (Y - Greyscale) e o sinal de crominância (C - Colour). Luminância representa o sinal em preto e branco, crominância representa as informações de cor que serão aplicadas sobre o sinal de luminância. Desta forma foram criados dois padrões:
→ YCbCr: Este é um padrão digital onde: "Y" é a informação de luminância, "Cb" é a diferença entre azul e a luminância (B-Y) e "Cr" é a diferença entre vermelho e a luminância (R-Y). Utilizado nas interfaces DVI-D e HDMI, por exemplo.
→ YPbPr: Este é um padrão analógico onde: "Y" é a informação de luminância, "Pb" é a diferença entre azul e a luminância (B-Y) e "Pr" é a diferença entre vermelho e a luminância (R-Y). Utilizado no sinal de TV analógico e nas interfaces vídeo componente e S-Vídeo, por exemplo.
Em ambos os padrões, YCbPr e YPbPr, a cor verde do sistema RGB (Red / Green / Blue) é obtida somando os valores de R e B. O resultado desta soma é subtraído do valor de Y. Veja a fórmula abaixo:
Se você leu o primeiro artigo sobre óptica, viu que a luz quando incide em um material é parte refletida e parte absorvida, bem como pode ser transmitida por ele, e isso depende das características físicas do corpo refletor de luz e da própria luz que incide (tamanho do feixe e intensidade luminosa).
Mas o que seria essa absorbância e a transmitância? Continue lendo...
A Absortância (ou absorbância) é a razão entre o fluxo luminoso absorvido por um corpo e o fluxo que incide sobre ele. É aqui que entra a questão de um material ser totalmente opaco (admitir a cor preta por dissipar praticamente toda a luz incidente) ou ser reflexivo (fazer uma absorção seletiva e refletir uma cor diferente de preto).
A absorbância é inversamente proporcional ao valor da refletância. Se para medir a refletância nos utilizamos da luminância (nits), para medir a absortância utilizamos a opacidade.
A opacidade, simbolizada genericamente pela letra "K", é a unidade de medida para a absorbância de luz. No entanto, no geral, utilizamos a luminância, sendo a opacidade dedicada mais ao 'uso industrial', por assim dizer.
Cada corpo possui um valor de absortância, que é referido como "Coeficiente de Absorção de Luz", medido por K (m-1), isto é, "opacidade metro recíproco".
Para fins de curiosidade e entendimento do assunto, observe abaixo uma janela do software do equipamento NAPRO NA-9000T, um opacímetro utilizado na inspeção veicular para aferir a quantidade de fumaça emitida por motores ciclo Diesel:
Imagem 7 - Note o campo "Coeficiente de Absorção de Luz"
A emissão de poluentes nos atuais motores Diesel é comparável a dos motores de ciclo Otto com catalisador. A característica dos motores Diesel é que sob carga, na aceleração, se forma fumaça. Trata-se de um aerossol de partículas normalmente inferiores a 300 nanômetros, que se formam em complexas reações químicas em caso de queima incompleta.
Através de uma sonda de captação conectada ao escapamento do veículo, a fumaça é levada até a câmara de medição (cubeta) do equipamento. A câmara de medição é atravessada por um facho de luz, gerada por um emissor, cuja 'potência luminosa' é medida por um receptor. Quando o gás de escape contiver fumaça, a radiação luminosa será enfraquecida por dispersão e absorção de luz por estas partículas, que são opacas. Observe o desenho abaixo:
Imagem 8 - Desenho genérico explicando o funcionamento de um sensor de fumaça com base no fenômeno da absorção de luz
CURIOSIDADE: Na imagem abaixo, temos a sonda (cubeta) utilizada no opacímetro Alta Nova Smoke Check 2000, juntamente com suas instruções de limpeza, entregando sua simplicidade de construção e fragilidade:
Imagem 9 - Como é a sonda de um opacímetro
Essa variação da intensidade luminosa que atinge o receptor é utilizada para o cálculo do valor de opacidade. Obviamente que, se a fumaça for branca (o que indica um vazamento interno de líquido de arrefecimento) ou for azul (o que indica a queima de óleo lubrificante) pode gerar uma reflexão de parte da luz ao invés de absorção total como ocorre na fumaça preta.
Este é um exemplo simples de onde a absorbância possui 'mais valor' que a refletância.
Para começar a estudar a unidade Lux, você deve ter em mente que existem dois termos parecidos: luminância (que foi visto no tópico sobre Candela) e iluminância, que será explicada abaixo. Mas qual a diferença entre os dois?
→ A luminância é a intensidade luminosa emitida por uma fonte de luz, ou a luz refletida por uma superfície e que atinge os nossos olhos;
→ A iluminância representa a quantidade de luz que atinge uma superfície. Um Lux também é igual a uma Candela por metro quadrado (cd/m³). Basicamente, lux indica o "brilho" percebido na superfície que está recebendo a luz.
Então, enquanto a Candela está relacionada à emissão de luz pela fonte, o lux está relacionado à quantidade de luz que atinge e ilumina uma área específica.
Quando adentramos nesta unidade de medida também nos deparamos com a Transmitância, que é a razão entre a luz que incide em um corpo e a luz que é refratada por ele. Cada corpo possui um valor de transmitância.
O para-brisa de um carro é um bom exemplo de material com transmitância predominante, e absorbância e refletância bastante reduzidos, tornando-o transparente. A legislação brasileira exige que o para-brisa tenha, no mínimo, 70% de transparência para vidros incolores e 75% de transparência para vidros coloridos ou degradê, e este valor inclui na conta os famosos "insufilmes".
Imagem 10 - Sempre há a inscrição do valor mínimo de transparência nos vidros automotivos
Traduzindo em miúdos, num vidro incolor, no máximo 30% da luz incidente pode ser refletida ou absorvida por ele, o restante deve atravessa-lo.
A maneira de mensurar o quão transmissivo é o vidro se faz com um luxímetro, que mede a iluminância. Mas o que seria iluminância?
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ILUMINÂNCIA
Iluminância é a quantidade de luz que atinge uma superfície por metro quadrado. É uma forma de entender o brilho da luz que incide sobre uma área específica, tornando-a uma medida de intensidade luminosa, isto é, a quantidade de Lúmens por m³, sendo o Lux é a unidade de medida oficial.
Isso significa que o Lux mede a quantidade de luz (fluxo luminoso, em Lúmens) que atinge uma área específica. Então, para resumir e diferenciar:
→ Lúmen (lm): Quantidade total de luz emitida por uma fonte em todas as direções;
→ Lux (lx): Quantidade de luz que atinge uma superfície de um metro quadrado, ou seja, lúmen por metro quadrado.
Essas duas unidades ajudam a entender tanto a emissão total de luz quanto a intensidade da luz sobre uma superfície específica.
Veja abaixo a tabela com os múltiplos do Lux:
Tabela 4
Para calcular o Lux devemos utilizar a fórmula:
Para calcular o Lux, devemos ter o fluxo luminoso (Lm) e a área (A) que este fluxo luminoso deve abranger, em m³.
EXEMPLO 7:
Uma lâmpada com 1750 lúmens é colocada num local fechado com 10 m³. Qual é a iluminância deste ambiente?
1750 / 10 = 175 lux
A iluminância deste ambiente é de 175 lux.
CURIOSIDADE: Se um luxímetro pode ser utilizado para ver o quão transmissivo é um vidro, então ele pode ser utilizado para saber a iluminância de um farol. E é exatamente isto que um luxímetro faz quando embutido num regloscópio, equipamento utilizado para verificação do alinhamento dos faróis de veículos.
Imagem 11 - Um regloscópio com luxímetro integrado. Note a presença do display LCD logo acima da etiqueta "Lux"
Neste ponto, a função da lente e do refletor do farol é distribuir a luz gerada pela lâmpada, ou seja:
-> Se o farol foi projetado pra operar com lâmpadas incandescentes (halógenas), sua lente e refletor será otimizada pra isso;
-> Se o farol foi projetado pra operar com lâmpadas fluorescesntes (xenon), sua lente e refletor será otimizada pra isso;
-> Se o farol foi projetado pra operar com lâmpadas LED (diodos semicondutores), sua lente e refletor será otimizada pra isso.
Observe a imagem:
Imagem 12 - Farol de um Scania R420 datado da virada do século. Perceba os padrões de ranhuras da lente de vidro sodo-cálcico, feitas para distribuir a luz gerada por ineficientes lâmpadas halógenas
O problema do xenon instalado posteriormente é justamente a geração de um feixe de luz mais forte e não muito bem distrubuído pela lente, aumentando a quantidade de lúmens por metro quadrado de maneira a ofuscar a visão de quem vem na direção contrária, e fugindo das especificações originais homologadas pelo fabricante.
LUMINESCÊNCIA e INCANDESCÊNCIA
A luz emitida por um corpo pode ser gerada a partir de um processo de luminescência. Lâmpadas fluorescentes, TVs de plasma, o backlight de TVs LCD, televisores CRT e os populares LEDs são exemplos de aparelhos que utilizam a luminescência para emitir luz visível. Este fenômeno em dispositivos eletrônicos, também pode ser chamado de eletroluminescência por utilizar energia elétrica ou raios ultravioleta para emitirem fótons de luz. Existem dois tipos de luminescência: a fluorescente e a fosforescente. Veja a explicação sobre os dois tipos abaixo:
→ Fluorescente: É caracterizada por necessitar de uma fonte de energia, podendo ser um feixe de elétrons ou radiação ultravioleta, por exemplo. Quando a fonte de energia acaba, a emissão de luz acaba imediatamente. A duração após o corte de fornecimento de energia não passa de 10 nanossegundos. É desta forma que lâmpadas fluorescentes, TVs de plasma, o backlight de TVs LCD antigas, televisores CRT e os LEDs funcionam. Este fenômeno possui o nome "fluorescente" pois foi observado num material conhecido com fluorita.
→ Fosforescente: É caracterizada por necessitar de uma fonte de energia, assim como a fluorescente, porém, ao acabar o fornecimento de energia, o material fosforescente continua emitindo luz por algumas frações de segundo ou até mesmo dias. O material utilizado é o Fósforo, por isso o nome "fosforescência". Equipamentos e objetos que brilham no escuro, como por exemplo relógios de pulso com ponteiros brilhantes e pulseirinhas de festa são fosforescentes.
É valido lembrar que os equipamentos fluorescentes também utilizam Fósforo para emitir luz visível.
Já a eletroluminescência (abreviado por "EL") é um fenômeno opto-elétrico que ocorre quando uma corrente elétrica ou um forte campo elétrico atravessa um material e ele emite fótons de luz. Este fenômeno é observado em LEDs.
A luz também pode ser emitida por um processo de Incandescência. Incandescência é transformar energia elétrica em luz e calor através do efeito Joule. Parte da energia que passa por um filamento dentro do dispositivo é dissipada em forma de calor e parte é irradiada dentro do espectro visível. Um excelente exemplo disso são as lâmpadas incandescentes. A primeira lâmpada incandescente comercial foi criada por Thomas Edison e atualmente está em obsolescência por causa dos dispositivos fluorescentes (ainda utilizados) e os mais novos e populares LEDs (Light Emitting Diode - Diodo Emissor de Luz), que por sua vez são chamados de "eletroluminescentes".
Para saber mais sobre lâmpadas incandescentes, CLIQUE AQUI!
Para saber mais sobre lâmpadas fluorescentes, comece CLICANDO AQUI!
Para saber mais sobre LEDs, CLIQUE AQUI!
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CRÉDITOS e REFERÊNCIAS
Texto e desenhos: Leonardo Ritter
Referências: Itaim Iluminação; Lumicenter; Newline; Ilunatto Iluminação; Portal São Francisco; Mundo Educação; Wikipedia(apenas artigos com fontes verificadas!); Clube do Hardware.
Última atualização: 03 de Novembro de 2024.