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Medindo Luz – a candela e derivados

26 de agosto de 2019

Quando pensamos em medir a luz, a primeira coisa que nos vem à mente é, por incrível que pareça, a sua velocidade. Talvez o responsável por esse estranho ponto de vista seja o cinema, que nos apresenta filmes de ficção científica onde lidar com a velocidade da luz é coisa corriqueira.

É claro que a velocidade da luz é fundamental para a ciência, mas no dia a dia nos importa muito mais conhecer outras maneiras de medir a luz. São as grandezas e unidades fotométricas: a candela (cd) para medir a intensidade luminosa, o lúmen (lm) para medir o fluxo luminoso, e o lux (lx) para descrever o iluminamento.

A candela, símbolo cd, é uma das sete unidades de base do SI. É definida como a Intensidade luminosa, numa direção dada, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de frequência 540 x 1012 hertz e cuja intensidade energética naquela direção é 1/683 watt por esterradiano (Unidade de Base ratificada pela 16ª CGPM – 1979) .

Bom, não é à toa que a candela não é muito popular. Essa definição é um pouco obscura. Vamos esclarecer melhor:

Foram muitas as tentativas para definir a intensidade luminosa. Por fim, os cientistas resolveram usar como referência para a candela, a sensibilidade do olho humano. Depois de uma série de experiências com muitas pessoas, concluiu-se que:

A intensidade luminosa que proporciona a melhor visão diurna ao olho humano (visão fotópica) está situada, dentro do espectro de luz visível, no comprimento de onda de 555 nm (nanometros), o que equivale à radiação monocromática de frequência 540 x 1012 hertz (citada na definição de candela), e que corresponde à luz de cor amarelo-esverdeada do espectro.

E que a intensidade de energia que melhor sensibiliza o olho humano nessa faixa é de 1/683 W. O watt é unidade de medir quantidade de energia, e o esterradiano é medida de ângulo sólido, que no caso pode ser representado por um “cone” de luz. A candela junta esses dois aspectos.

 

Uma vez definida a candela, podemos definir o lúmem, que é o fluxo luminoso emitido por uma fonte puntiforme e invariável de 1 candela, de mesmo valor em todas as direções, no interior de um ângulo sólido de 1 esterradiano. O poste de iluminação na ilustração dá uma ideia do lúmen.

A partir da definição de lúmen, definimos o lux, que é o Iluminamento de uma superfície plana de um metro quadrado de área, sobre a qual incide perpendicularmente um fluxo luminoso de 1 lúmen, uniformemente distribuído. Ou seja, iluminamento é a relação entre a quantidade de fluxo luminoso que incide sobre uma superfície, e a área dessa superfície. Para medir o iluminamento de um ambiente usa-se o luxímetro.

No dia a dia, porém, o que mais usamos (ou deveríamos usar) é o fluxo luminoso, pois o lúmen é a unidade ideal para avaliar quanto uma lâmpada pode iluminar. Acontece que antigamente, quando só existiam lâmpadas incandescentes,  a referência era o watt, que como vimos é unidade de medir quantidade de energia, e não luz. As pessoas habituaram-se a relacionar a energia gasta por uma lâmpada com a sua capacidade de iluminar. Mas essa relação mudou com a chegada das lâmpadas fluorescentes e LED. Por isso, hoje em dia, é obrigatório constar a quantidade de lúmens nas embalagens das lâmpadas.

Dia Mundial da Fotografia – 19 de agosto

19 de agosto de 2019

O Dia Mundial da Fotografia é comemorado em 19 de agosto. Nessa data do ano de 1839, a Academia de Ciências da França tornou de domínio público o processo fotográfico desenvolvido por Niépce e Daguerre. Mas não vamos contar a história da fotografia aqui. Vamos abordar o tema sob o aspecto metrológico, pois este é, sempre, o ponto de vista privilegiado pelo Almanaque.

A palavra fotografia significa, literalmente, “desenhar com luz”. Fotografia, portanto, é a arte de registrar imagens capturando a luz que os objetos iluminados refletem, ou os luminosos emitem.

Para capturar a luz é preciso uma câmera fotográfica. A câmera é constituída, basicamente, por uma caixa escura dotada de um orifício por onde a luz entra, cuja abertura é controlada por um diafragma. Além disso, um obturador controla o tempo de exposição da película; uma objetiva contém as lentes; e uma película impregnada com emulsão de sais de prata sensível à luz (filme) registra a imagem.

Hoje as câmeras fotográficas digitais são extremamente sofisticadas, possuem objetivas complexas e utilizam sensores (CCD – Charge Coupled Device), em lugar do filme, para registrar a imagem. Contudo o diafragma, o obturador e a sensibilidade do filme (ou do sensor) ainda são os elementos fundamentais para fotografar.

Desenho esquemático de câmera fotográfica.

 

O diafragma

O diafragma é o dispositivo que regula o tamanho da abertura do orifício por onde a luz entra na câmera. Quanto maior a abertura, mais luz. Toda câmera, antiga ou moderna (inclusive de celular) tem diafragma. As várias aberturas possíveis são dadas pela escala de números F ou F-Stop (veja abaixo). O número F resulta da relação entre a área de abertura do diafragma e a distância focal da lente. Quanto menor o número F, maior a abertura. Área e distância: começamos a falar em metrologia.

O obturador

O obturador é responsável pelo tempo de exposição da película, ou do sensor, à luz. Em geral funciona como uma “cortina” que fica à frente do filme ou do sensor. O obturador deixa a luz passar por um tempo que pode ser controlado. Os fotógrafos chamam a isso de “velocidade de obturador”. Há câmeras cujo obturador permite regulagem de, por exemplo, 1/1000 s (um milésimo de segundo) até B (bulb) onde o obturador permanece aberto o tempo que o fotógrafo desejar. Medição de tempo é metrologia.

A sensibilidade do filme ou do sensor (ISO)

O filme convencional é classificado de acordo com o tamanho dos cristais de prata (brometo e iodeto) presentes na emulsão. Esses cristais tornam-se escuros quando expostos à luz. Quanto maior a exposição, mais intensamente escuros eles ficam. Por isso, quanto maior é o tamanho do cristal, mais sensível  é o filme. Cristais grandes possibilitam fotos com pouca luz, mas em contrapartida não permitem grandes ampliações, pois tendem a “granular” a foto. Os cristais pequenos, ao contrário, permitem melhor definição da imagem, mas precisam de mais luz.

A escala ISO/DIN (ou apenas ISO) possibilita a escolha do filme conforme a necessidade do fotógrafo. Os filmes rápidos (de alta sensibilidade à luz) são melhores para fotos em movimento (fotojornalismo, esportes etc.), enquanto os filmes lentos, de baixa sensibilidade, são os preferidos para cenas paradas (fotos de objeto, publicidade etc.). A escala ISO também vale para câmeras digitais. Nesse caso, a opção por um ISO maior na câmera faz com que o sensor capte mais luz, mas também mais “ruído” (o equivalente digital de “granulação”), enquanto uma escolha de ISO menor faz com que o sensor capte menos luz e pouco “ruído”.

E, finalmente, esses conceitos todos convergem para a mais pertinente medição realizada pela câmera: a medição da luz!

A quantidade de luz que chega até o filme (ou o sensor) é medida pelo fotômetro interno da câmera, que em geral opera pelo sistema “TTL” (through the lens). Ele mede a luz refletida pelos objetos que passa através das lentes da objetiva, e a relaciona com os parâmetros da câmera. Um indicador mostra a exposição ideal para aquela quantidade de luz. O ponto zero indica que a foto sairá bem iluminada. Se o ponteiro estiver à esquerda, a foto sairá subexposta (pouca luz), enquanto se o ponteiro estiver à direita a foto sairá superexposta (muita luz).

Exemplo de Indicador do fotômetro interno

Veja, abaixo, um resumo dos três parâmetros principiais da câmera fotográfica e os seus efeitos na foto.

foto-elements

clique para ampliar

Também é possível medir a luz com um fotômetro externo, que apresenta resultados em lux, unidade SI para medir a grandeza Iluminamento de uma superfície plana de um metro quadrado de área, sobre a qual incide perpendicularmente um fluxo luminoso de 1 lúmen uniformemente distribuído. A propósito, o lúmen, unidade SI para a grandeza fluxo luminoso, é definido em termos da grandeza de base do SI intensidade luminosa, cuja unidade SI é a candela. Mas vamos abordar as várias maneiras de medir a luz em outro post.

 

Medições fabulosas – A coruja, a pomba e a águia.

31 de março de 2017
coruja&aguia

Esta fábula pretende ser uma continuação de “A Coruja e a Águia”, de Esopo.

No passado a águia e a coruja haviam sido tão amigas que tinham feito um acordo para que nenhuma delas comesse os filhotes da outra.
O acordo, porém, não deu certo. Acontece que para poder identificar e poupar os filhos da coruja, a águia quis saber como eles eram, mas a coruja os descreveu com tantos predicados e mimos, que quando a águia encontrou um ninho com três monstrinhos dentro não imaginou que fossem os filhotes da amiga, e devorou todos eles.
A partir de então as duas aves tornaram-se inimigas, até uma pomba ter a luminosa ideia de promover a paz entre elas.
Reuniram-se as três no topo de um penhasco, e a pomba começou por mostrar como as duas beligerantes tinham muito em comum.
– Vocês são muito parecidas – disse a pomba – Não tem cabimento continuarem inimigas! Vejam, ambas são excelentes caçadoras, dominam os céus, não temem ninguém e nada escapa à sua visão aguçada.
– Não é bem assim – falou de má vontade a coruja – Eu tenho a melhor visão.
– Não parece – retrucou a águia – a julgar pelo modo como você vê os seus filhotes…
– É você que não consegue distinguir o belo do feio…
– Isso é passado – atalhou rapidamente a pomba – Não falemos mais nisso. Eu quis dizer que ambas têm visão excelente.
– Mas nós, as águias, enxergamos muito mais longe.
– E você esqueceu que eu enxergo à noite? – insistiu a coruja.
– Calma, calma! Você, Dona Coruja, sábia como é, ao menos escute a argumentação da sua amiga Dona Águia.
– Não somos mais amigas, mas se é o que você quer, vamos lá. Prossiga, Águia…
– Pois bem, eu consigo identificar um camundongo em movimento, na relva alta, mesmo quando estou voando a 4.000 metros de altura.
– Enxergar à luz do dia qualquer um enxerga – desdenhou a coruja – A sua vantagem é apenas quantitativa. Eu, ao contrário, consigo ver o mesmo camundongo a oitenta metros, numa noite sem lua, quando a intensidade luminosa e o fluxo luminoso estão reduzidos ao mínimo!
– Lá vem ela com cientificismos – reclamou a águia – Dá para traduzir?
– Com prazer! Intensidade luminosa é a concentração de luz, numa direção dada, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de frequência 540 x 10¹² hertz e cuja intensidade energética naquela direção é 1/683 watt por esterradiano. A unidade SI é a candela…
– Essa coruja só pode estar brincando!
– …enquanto fluxo luminoso é a radiação total emitida por uma fonte puntiforme e invariável de 1 candela, de mesmo valor em todas as direções, no interior de um ângulo sólido de 1 esterradiano. A unidade SI é o lúmen.
– Eu vou estraçalhar essa tratante!
– Calma, Dona Águia – interveio a pomba – Aposto que a Dona Coruja vai explicar isso melhor.
– Tudo bem – falou a coruja com ar superior – Podemos dizer que intensidade luminosa é a concentração de luz numa dada direção específica, irradiada por segundo, enquanto fluxo luminoso é a radiação emitida em todas as direções por uma fonte de luz, como numa lâmpada, por exemplo.
– Não sei porque perco o meu tempo com essa orelhuda – disse a águia – Somos de mundos diferentes. Em comum, mesmo, só temos o paladar.
– É verdade, completou a coruja – Ambas caçamos ratos, cobras, rãs, lagartos, às vezes até pombas…
– Às vezes até pombas – concordou a águia, com uma expressão estranha – às vezes até pombas…
Não é preciso dizer que a amizade entre a coruja e a águia foi restabelecida e selada com um jantar ao entardecer, no qual a pomba teve participação especial.

Moral da história: Se você tiver a brilhante ideia de conciliar rapinantes, certifique-se de não estar no cardápio deles.

As 7 unidades de base do SI (atualizadas conforme a 26ª CGPM)

2 de fevereiro de 2010

Sistema Internacional de Unidades – SI dá conta de uma grande variedade grandezas físicas, que são as propriedades mensuráveis dos corpos. Apresentamos aqui as 7 (sete) unidades de base do SI, usadas para definir as outras unidades. Para ver o sistema completo com todas as unidades, múltiplos e submúltiplos, e as regras para grafia dos símbolos, clique aqui.

Algumas das definições a seguir não são muito fáceis de compreender, sobretudo para quem não é do ramo das ciências exatas. Por isso, cada uma delas tem um link para uma explicação mais detalhada e em linguagem mais acessível (pelo menos assim esperamos…).

O metro, unidade de medir comprimento.  O metro é o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo, durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo. (Unidade de Base ratificada pela 17ª CGPM – 1983) A partir dele são definidos os conceitos para área, volume, velocidade etc. Símbolo: m

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

O quilograma ou kilograma (*), unidade de medir massa, é definido tomando-se o valor numérico fixo da constante de Plank h como sendo 6,626 070 15 x 10-34 quando expresso na unidade J s (joule segundo), a qual é igual a kg m2 s-1 quando o metro e o segundo são definidos em termos de c (constante da velocidade da luz) e ∆νCs (valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: kg

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

 O segundo, unidade de medir tempo, é a duração de  9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133. (Unidade de Base ratificada pela 13ª CGPM – 1967.). A partir dessa definição foram obtidas outras unidades, como a velocidade, a aceleração e, mesmo, o próprio metro. Símbolo: s

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

O kelvin (*), unidade de medir temperatura termodinâmica, é definido tomando-se o valor numérico fixo da constante de Bolstzmann k como sendo 1,380 649 x 10-23 quando expresso na unidade J K-1, a qual é igual a kg m2 s-2 K-1 onde o kilograma, o metro e o segundo são definidos em termos de h (constante de Plank), c (constante da velocidade da luz) e ∆νCs (valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: K

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

A candela é a unidade para medir intensidade luminosa. É a Intensidade luminosa, numa direção dada, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de freqüência 540 x 1012 hertz e cuja intensidade energética naquela direção é 1/683 watt por esterradiano. (Unidade de Base ratificada pela 16ª CGPM – 1979). Símbolo: cd

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

O mol (*) é a unidade de medir quantidade de matéria. Um mol contém exatamente 6,022 140 76 x 1023 entidades elementares. Este número é o valor numérico fixo da constante de Avogadro, NA, quando expresso na unidade mol-1, chamada de número de Avogadro. (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: mol

A grandeza “quantidade de matéria” de um sistema é a medida de um número especificado de entidades elementares, que pode ser um átomo, uma molécula, um íon, um elétron ou qualquer outra partícula ou grupo especificado de partículas.

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

O ampere (*) é a unidade de medir corrente elétrica. É definido tomando-se o valor numérico fixo da carga elementar e como sendo 1,602 176 634 x 10-19 quando expressa unidade C (coulomb, unidade de carga elétrica), a qual é igual  a A s, onde o segundo é definido em termos de ∆νCs (valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: A

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

*Importante: No dia 20 de maio de 2019 entraram em vigor as novas definições do  quilograma, do ampere, do kelvin e do mol. A decisão foi tomada na 26ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) em 16 de novembro de 2018.