sábado, 10 de dezembro de 2011

Luz: lâmpadas incandescentes, fluorescentes e a LED (actualizado I)

[Este artigo complementa este outro].

Os melancias odeiam deixar ao critério do consumidor o que comprar, adoram mentir e, de entre a mentira, cultivam a meia-verdade.

As lâmpadas fluorescentes e de LED são ambientalmente desastrosas por serem infinitamente mais venenosas que as incandescentes e dão uma péssima luz. Umas e outras consomem menos energia mas aquilo que produzem é de má qualidade.

Luz boa é luz razoavelmente contínua (as fluorescentes já foram muito pulsadas mas são-no agora boas) as de LED são boas a este respeito porque mesmo sendo pulsadas nalguns casos são-no a uma frequência suficientemente alta.

Luz boa é luz cujo espectro permita a visualização de cores de forma tão aproximada como as veríamos com luz natural. Por luz natural podemos e devemos incluir a luz de fogo que connosco convive há muitos milhares de anos e, embora amarela, tem espectro razoavelmente contínuo embora muito fraco no azul.

A luz que entra nos nossos olhos é composta por ondas de rádio de frequências muito altas que compreendem a banda entre os 400 e os 800THz (1 TeraHertz= 1.000.000.000.000 ciclos por segundo). A luz é proveniente de fontes naturais ou artificiais. O Sol é a mais natural das fontes, o fogo será, porventura, a fonte seguinte mais natural.

Para que nós vejamos o que nos rodeia a luz terá que ser reflectida nos objectos e entrar nos nossos olhos.

Os nossos olhos não vêem por igual todas as frequências tendo células especializadas para 3 bandas de frequências (para além da visão nocturna monocromática).



A natureza determinou que cada uma das bandas a que cada tipo de células dos nossos olhos é sensível seja bastante larga não deixando zonas sem cobertura. Mais, o cérebro tem, como é de esperar, um papel fundamental no processo porque duas das bandas (verde e amarelo) são quase sobrepostas e é no cérebro que é criada a noção de vermelho. De tal forma a coisa funciona bem que é possível simular praticamente todas as cores recorrendo à soma (sobreposição) de luz verde vermelha e azul (tristimulus). Daí dizer-se que são estas as 3 cores primárias em termos de soma de luz.

O percurso da luz que nos chega aos olhos parte da fonte de luz, passa pelos objectos onde é reflectida e chega aos nossos olhos onde é detectada. Para que a cor dos objectos seja devidamente avaliada a fonte de luz deve conter a (quase) totalidade de frequências entre a mais alta e a mais baixa de acordo com a curva de emissão de um corpo negro a determinada temperatura.

É fundamental que se perceba como um corpo negro (negro para enfatizar que apenas gera luz e não reflecte) emite luz e emite sempre luz, porque a luz do Sol e do fogo emitem luz de acordo com este princípio.

Espectrograma simplificado da luz do Sol.
Qualquer corpo emite luz desde que, suponho, não se encontra à temperatura zero absoluto (0grK*). Qualquer corpo emite luz mas só a temperaturas de algumas centenas de graus essa luz se torna visível (rubro) porque só a essa temperatura começam a ser emitidas frequências apropriadas à nossa vista. A temperaturas mais baixas são emitidas frequências demasiado baixas e que os nossos olhos não detectam.

Quando um objecto chega ao rubro (metais, em geral), começa a emitir luz dentro do espectro (frequências) visível mas esta emissão é basicamente composta por frequências baixas, contendo poucas frequências àquilo a que chamamos verde e ainda menos para o azul.

 Espectrograma da luz de uma vela. nA risca amarela corresponde à emissão de sódio para adicionado efeitos de verificação de calibração. 

Muito importante é observar-se que muito embora (caso da vela) sejam predominantes frequências baixas, o espectro é completo não havendo ‘buracos’ ou falta de frequências (as riscas de absorção serão, comparativamente, diminutas).

À medida que a temperatura sobe a luz começa a ficar mais ‘clara’ ou seja, começa a conter mais frequências da banda do verde e do azul. Sempre espectros completos, sem falhas.

Espectrograma de um corpo negro a 1000GrK
Esp0ectrograma de um corpo gegro a 3000GrK.
Sensivelmente a temperatura de filamento de
uma lâmapada incandescente de boa qualidade.
As lâmpadas incandescentes trabalham a temperaturas tão altas quanto possível mas, infelizmente, a natureza não nos proporcionou materiais condutores de electricidade capazes de ficarem no estado sólido a temperaturas idênticas à da superfície do sol, nossa principal fonte de luz (6000GrK) e não parece fácil fabricar lâmpadas em que os elementos emissores de luz estejam no estado líquido ou gasoso e a essas temperaturas.

No caso das lâmpadas fluorescentes e de LED o processo de geração de luz não está relacionado à temperatura mas a outros fenómenos físicos pelos quais a luz emitida é-o numa única e estreita banda.

Espectrograma de alguns tipos de led (sobrepostos).

No caso do LED uma única e estreita banda é emitida mas variando as substâncias em que os LEDs são construídos consegue-se obter diferentes bandas. Construindo LEDs incorporando múltiplas junções é possível obter-se um espectro mais completo muito embora muito pouco uniforme.

O caso das fluorescentes é um terceiro caso. Constituídas por uma ampola dentro da qual é colocado um gás, tem ainda, fixado na parede interior da ampola, uma mistura de substâncias cujas moléculas quando excitadas com luz ultra-violeta emitem luz. O ultra-violeta é gerado excitando o gás com corrente eléctrica e a luz emitida pelas substâncias depositadas na parede interna da ampola corresponde à soma das bandas de emissão de cada um dos componentes dessa mistura. Um desses componentes é o mercúrio, substância substancialmente venenosa.

Às fontes de luz do tipo LED ou fluorescentes (como ainda outras do mesmo tipo) chamam-se fontes de espectro interrompido. Às fontes de luz emitida por aquecimento de uma substância (normalmente tungsténio) chamam-se fontes de espectro contínuo.

Quando se avalia um espectro de emissão há que ter em atenção a largura do filtro. Para se poder medir a intensidade por frequência há que usar filtros e quanto mais finos forem melhor permitem determinar as características da fonte de luz. Filtros finos estão ao alcance de poucos e muita propaganda é feita exibindo espectrogramas gerados a partir de filtros largos.

Os espectrogramas podem ser de dois tipos: de emissão e de absorção. Quando uma substância é apropriadamente excitada ela emite luz numa ou mais estreitíssimas bandas e quando luz de espectro contínuo atravessa vapores dessas substâncias as mesmas estreitíssimas bandas são removidas à luz de espectro contínuo tornando-o descontínua. As descontinuidades daqui resultantes são pouco significativas porque (caso do sol) as bandas removidas são aos milhares, elas são tão finas que não comprometem, digamos, a continuidade geral.

As riscas de emissão de diferentes átomos e moléculas são de tal forma finas e intrínsecas a cada substância que são usadas em astronomia para determinação da composição química de corpos distantes.

Aproveitemos o espectro de emissão de uma lâmpada de mercúrio como ferramenta para explicar um pouco por redução ao absurdo, o problema das fontes de luz de espectro interrompido.

 Espectrograma de emissão do mercúrio.
Imaginemos que luz proveniente de uma fonte de mercúrio ionizado era reflectida numa superfície vermelha (vermelho ‘forte’) superfície que apenas reflectiria uma estreita banda correspondente, digamos, aos 600nm. Neste caso a superfície seria vista como negra porque ela apenas reflectiria a banda dos 600nm e a fonte de luz de mercúrio não contém energia nessa banda. Digamos que essa superfície seria visualizada como sendo preta (ausência de qualquer luz). E este o fenómeno que implica que para se visualizar correctamente uma dada cor o espectro de luz que incide sobre ela deve ser contínuo ou as diferentes intensidades relativas entre as várias zonas desse espectro falsearão a cor que será por nas mal identificada.

Qualquer pessoa está ao corrente relativamente à dificuldade em escolher roupa em estabelecimentos comerciais e à tendência que se tem em procurar a luz do Sol para ‘ver bem’. Esta percepção de que não se está a ver bem decorre da maior dificuldade que o nosso cérebro encontra em resolver a ‘matemática’ que resulta de um espectro desequilibrado. Essa dificuldade não é necessariamente algo consciente mas, consciente ou inconscientemente, as pessoas procuram melhor luz.

Trabalhar, especialmente envolvendo cor, em iluminação fluorescente é extremamente cansativo porque o ‘processador de cor’ do cérebro tem uma tarefa difícil para adivinhar aquilo que pela matemática dele são observações incongruentes. As várias cores que lá chegam estão ‘esquisitas’ em particular aquelas que ele conhece (memória).

Não é por acaso que apenas alguns tipos de fluorescentes são aprovadas para espaços escolares.

Não é também por acaso que o comércio da joalharia adora lâmpadas LED. A sua luz é tão segmentada que provoca o aparecimento de franjas coloridas por todo o lado tornando apetecível a aquisição do produto. Estou em crer que quem trabalha na actividade desconhece o fenómeno, mas não desconhece que as vendas sobem com o novo ‘design’ de iluminação. A concorrência encarrega-se de fazer circular a ‘informação’.

Espectrograma de uma dada lâmpada fluorescente (varia consoante o tipo)


Espectrograma extremamente detalhado da luz do Sol.


Espectrogramas de variados elementos incluindo de corpos negros a diferentes temperaturas:

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Um outro tipo de ´lâmpada' fabricada pela VU1 Corporation surgiu há pouco tempo, o tubo de electrões ESL:


[Não disponho ainda de informação espectral fiável. O único gráfico que conheço é este mas desconfio não corresponder à verdade.]

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* Existe uma temperatura mínima abaixo da qual não é possível haver mais ‘frio’. Essa temperatura é −273.15grC ou zero absoluto. Numa outra escala de medição de temperatura, a escala Kelvin, 0GrK corresponde a −273.15grC, 273.15GrK corresponde a 0grC, 1000grK corresponde a 726.85grC. Para converter grC em grK basta somar 273.15, para converter grK em grC basta subtrair 273.15.

3 comentários:

Freire de Andrade disse...

Gostei imenso da lição. Vou guardar para ler com calma. É um assunto que me interessa, mas apenas por curiosidade científica.

RioD'oiro disse...

Caro Freire de Andrade,

Ainda estou de volta (procurando) dos espectrogramas dos led's porque me parece que há muita história mal contada.

De qualquer forma, se detectar alguma imprecisão ou precisar de ajuda relativamente a algo, avise.

Amauri Alves da Silva disse...

Ando muito preocupado com o tipo de luz que uso, não só pelos espectros e o que isto afetaria no meu cérebro, mas também na questão de economia. Tenho lido bastante, e estou chegando à conclusão de que usar as tais lâmpadas "econômicas" é uma bobagem, pois economiza-se pouco no ambiente domiciliar, uma vez que os fabricantes dizem que é necessário deixar tal lâmpada econômica acesa por horas para que ela não se desgaste e queime. Seria, como dizemos no Brasil, trocar seis por meia dúzia, economicamente falando, mas sofrendo uma perda substancial na qualidade da iluminação. Ótimo artigo. Vou continuar lendo teu blog.