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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.