Óptica - Unidades de medida

Óptica - Unidades de medida

14/02/2018

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  Este artigo é sobre as principais unidades de medida que envolvem a luz!

  A palavra Lúmen vem do latim e significa "fogo" e pode ser simbolizado pela letra grega Φ (Fi maiúscula). Lúmen é 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, lúmen é utilizado 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 pois é utilizada mais por engenheiros e exige uma certa "afinidade" do leitor com a matemática. Veja abaixo os múltiplos do lúmen:

  Mas 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 consumido 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, apesar de ter um fluxo luminoso maior do que a do exemplo dois, e por 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 LEDs. 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.

  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 a lâmpadas fluorescentes mas, podem ter IRC igual. Isso acontece pois o LED possui um espectro de cores contínuo, o que torna ele melhor mesmo tendo um IRC igual a outras lâmpadas feitas de outros materiais. Veja abaixo os espectros de cores de alguns tipos de lâmpadas:

 

TEMPERATURA DE COR

  A temperatura de cor é medida em Kelvin e quanto mais alta for, mais clara é a tonalidade da cor. A temperatura de cor expressa a aparência da cor emitida pelo corpo. Lembre-se que, temperatura de cor não 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:

   A medida da temperatura de cor é, relacionar a cor da fonte de luz aquecida a determinada temperatura que é medida em graus Kelvin. Abaixo você vê o diagrama cromático de Plank, um estudioso na área da física. Este diagrama também pode ser chamado de "diagrama de corpo negro".

  Sobre o gráfico ao lado:

  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.

 

   Esferorradiano ou esterradiano, como queira, é um ângulo sólido que, tendo sua vértice dentro de uma esfera, corta a superfície dela com uma área igual ao raio ao quadrado da respectiva esfera, resumindo:

 

   A fórmula matemática em que o resultado é a a área de um esferorradiano é:

   "sr" significa Esterradiano, "A" é a área e "r²" 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 . r²) / r² significa que ela possui  3 . π esterradianos.

  Obs.: 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 . 6²) / 6² = ?

4 . π = 12,5664

12,5664 . 6² = 452,390 / 6² = 12,5664

Portanto, esta esfera possui 12,5664 esterradianos.

 

EXEMPLO 5:

Quantos esterradianos tem uma esfera de diâmentro igual a 10 metros e uma área de superfície de 2,66 m²:

 Resolução:

 2,66 / 5² = 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:

  Também são pouco utilizados em aplicações práticas, uma delas é medir a intensidade luminosa de uma fonte de luz, o que será explicado no tópico abaixo:

  A intensidade luminosa é medida em Candelas (Cd) e é a relação do fluxo luminoso medido em lúmens com o 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.

 O símbolo da intensidade luminosa é o "I". A fórmula para calcular a intensidade luminosa é dada abaixo:

  Achou difícil? 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:

 

LUMINÂNCIA

  Luminância é a luz que a gente enxerga, isto é, a luz refletida pelos corpos. O símbolo da luminância é o "L" e o valor é medido em Candelas por metro quadrado (cd/m²). A unidade de medida oficial para luminância é chamada de nits. 1 nits é igual a 1 cd/m². Veja a fórmula abaixo:

  > A letra "I" é intensidade luminosa em Candelas

 > Cos θ é o cosseno de Teta;

 > θ (letra grega teta minúscula) é o índice de refletância do corpo refletor de luz.

 

  Luminância é o sinônimo de brilho de uma fonte de luz. Nas TV's atuais, a unidade nits é utilizada para medir o brilho da tela.

  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 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).

  Não só a refletância, mas sim a absortância e a transmitância também influenciam na quantidade de luz refletida e absorvida por um corpo.

 > Absortância: Razão entre o fluxo luminoso absorvido por um corpo e o fluxo que incide sobre ele. Cada corpo possui um valor de absortância. Não confundir com absortividade;

 > Absortividade: É a razão entre fluxo luminoso absorvido por um material e o fluxo que incide sobre ele. Na absortividade, o índice é de cada material que compõe um corpo. Assim como na absortância, cada corpo possui um valor de absortividade que depende de suas características físicas;

 > Transmitância: 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 que depende de suas características físicas;

 > Refletância: É a razão entre a luz que é absorvida por um corpo e a luz que é refletida por ele. Cada corpo possui um valor de refletância que depende de suas características físicas.

   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 explicado abaixo:

 

ILUMINÂNCIA

  Iluminância é a luz emitida por um corpo e representa 1 lúmen por m². O Lux é a unidade de medida para iliuminância. Veja abaixo a tabela com os múltiplos do lux:

  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 m².

 

EXEMPLO 7:

  Uma lâmpada com 1750 lúmens é colocada num local fechado com 10 m². Qual é a iluminância deste ambiente?

1750 / 10 = 175 lux

A iluminância deste ambiente é de 175 lux.

 

  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 antigas, 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 que, pode 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 mas, 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.

 

  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 incandescentes (ainda utilizados) e os mais novos e populares LEDs (Light Emitting Diode - Diodo Emissor de Luz).

  Futuramente, um artigo sobre o funcionamento das lâmpadas incandescentes será lançado no Hardware Central! Aguarde!

 

  Gostou da explicação? Achou que falta alguma coisa? Ficou com dúvidas? Comente ou mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com

  Se você achou útil, é só curtir e compartilhar, assim você ajuda mais pessoas interessadas em estudar!

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: 30 de Março de 2018.

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