ANÁLISE DA ILUMINAÇÃO POR DIFERENTES FONTES:UMA PROPOSTA DE ATIVIDADE EXPERIMENTAL

## ANÁLISE DA ILUMINAÇÃO POR DIFERENTES FONTES: UMA PROPOSTA DE ATIVIDADE EXPERIMENTAL

Sarah de Oliveira , Benvindo Carlos da Silva de Oliveira , Vitor Abath da Silva , 1 2 3 Frederico Alan de Oliveira Cruz 4

- 1 UFRRJ/Curso de Licenciatura em Física/PET Física, sarahdeoliveiramello@hotmail.com
- 2 UFRRJ/Curso de Licenciatura em Física/PET Física, benvindocarlos7@gmail.com
- 3 UFRRJ/Curso de Licenciatura em Física/PET Física, victorabath@hotmail.com
- 4 UFRRJ/Departamento de Física/PET Física, frederico@ufrrj.br

## Resumo

Para que um olho humano saudável possa ver os objetos, é fundamental a presença da luz que se caracteriza por ser uma onda eletromagnética que pode sofrer primárias ou secundárias. As chamadas fontes primárias, também denominadas de corpos luminosos, são aquelas que emitem luz diretamente a partir de si. Elas podem ser naturais e artificiais, sendo que atualmente entre as fontes artificiais utilizadas, de forma geral, destacam-se as lâmpadas que podem ser do tipo: incandescente, fluorescente, LED e halógenas. Apesar das diferenças na forma de emitir luz, essas lâmpadas são comercializadas com informações que em muitos casos não deixam claro para os seus consumidores os efeitos do seu uso, com relação à percepção luminosa das cores, em ambientes comerciais e residenciais. A sua aquisição é sempre baseada nas informações de consumo e não na possibilidade de produzir a iluminação que permita ao observador perceber as cores de forma conveniente ou a luz natural. Nesse trabalho, é apresentada uma proposta de análise da iluminação de diferentes superfícies coloridas por diferentes fontes, avaliando se a resposta da intensidade luminosa e da reprodução de cor é igual para cada uma delas. O resultado da atividade nos permitiu mostrar que a utilização do software Tracker® permite mostrar que existem diferenças marcantes na reprodução de cor, para as diferentes fontes utilizadas.

Palavras-chave : luz, cor, IRC

## Introdução

Para que seja possível ver os objetos que estão a nossa volta é fundamental a presença da luz, que se caracteriza por ser uma onda eletromagnética que pode sofrer reflexão, refração, difração, interferência e polarização e pode ser emitida por fontes: primárias ou secundárias (HALLIDAY & RESNICK, 1978).

As chamadas fontes primárias, também denominadas de corpos luminosos, são aquelas que emitem luz diretamente a partir de si, podendo ser naturais e artificiais. Entre as fontes artificiais podem destacar as lâmpadas, que são separadas em diferentes tipos como: incandescentes, descarga (fluorescente), LED e as halógenas.

No caso das lâmpadas incandescentes estas possuem, na maioria das vezes, um filamento de tungstênio que devido as suas características físicas quando percorrido por uma corrente elétrica se aquece e assim ilumina a região em torno dele. As lâmpadas ditas fluorescentes são constituídas de tubos de vidro contendo revestimento de silicatos ou tungstatos, onde uma descarga incandescente de

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23 a 27 de janeiro de 2017

mercúrio no interior desse invólucro gera uma luz ultravioleta e, após interagir com o revestimento, emite a radiação em forma de luz branca (CALLISTER, 2008).

- O funcionamento desse tipo de lâmpada é possível pelo fenômeno de luminescência que alguns materiais apresentam, sendo capazes de absorver energia e reemiti-lá em forma de luz visível. Se o tempo de reemissão for inferior a um segundo, esse fenômeno é denominado fluorescência e caso esse intervalo de tempo seja superior a um segundo, é dito que houve fosforescência (FORMOSINHO & VARANDAS, 1985).

No caso dos diodos emissores de luz (LED's), geralmente semicondutores de arseneto de gálio (GaAs) e fosfeto de índio (InP), são dispositivos que funcionam à base da eletroluminescência (conversão de energia elétrica em energia luminosa) (CALLISTER, 2008).

Apesar das diferenças na forma de emitir luz, essas lâmpadas são comercializadas com informações que em muitos casos não deixam claro para os seus consumidores os efeitos do seu uso em ambientes comerciais e residenciais. A sua aquisição sempre é baseada nas informações de consumo e não na possibilidade de apresentar as cores de forma conveniente ou no fluxo luminoso emitido por cada lâmpada, apesar dessas relações serem fundamentais para o consumidor (Tabela 01).

Tabela 01: Apresentação do fluxo luminoso e da potência para três diferentes tipos lâmpadas (EDP, 2016).

No caso da cor percebida por um observador, ela é altamente influenciada por uma medida de correspondência da cor real de um objeto ou superfície diante de uma fonte de luz, denominado índice de reprodução de cor (IRC). Esse valor, que varia de 0 a 100, é o que permite identificar a cor do que está sendo observado é similar àquela quando o objeto é iluminado pela luz do Sol.

Em algumas profissões, como arquitetura e artes plásticas, é fundamental perceber as cores corretamente ou o mais próximo possível da luz natural, sendo assim a escolha das lâmpadas é um passo importante para que a iluminação desejada seja o mais eficiente possível (LUMIDEC, 2015; LUZ, 2015).

As diferentes lâmpadas apresentam diferentes IRCs, as incandescentes possuem IRC igual a 100, isto é, a reprodução de cor de um objeto iluminado por elas é igual a da luz natural. No caso das lâmpadas de LED esse índice é de 70, enquanto as fluorescentes podem variar de 60 a 90 (LUZ, 2015).

Mesmo sendo um parâmetro importante ele sequer é citado dentro das disciplinas de física básica, sejam teóricas ou experimentais, que abordam temas de

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óptica. Em função disso, nesse trabalho apresentamos uma proposta de abordagem experimental para apresentar os efeitos da iluminação de duas superfícies coloridas por três diferentes fontes de luz, para os alunos que pretendem buscar a carreira de licenciado em física, arquitetura e artes plásticas, por exemplo, possam compreender os efeitos das percepções de cores produzidos por diferentes fontes luminosas sobre os materiais.

## Metodologia

O primeiro passo a ser realizado em nossa proposta foi selecionar as lâmpadas que seriam as fontes de iluminação, assim foram escolhidas três lâmpadas: uma fluorescente, uma LED e outra incandescente. A escolha foi baseada nas informações apresentadas aos consumidores e que informavam que a incandescente era de 60 W e as outras duas possuíam consumo equivalente.

Como cada lâmpada possui um formato distinto, foi fundamental que pudéssemos ter um feixe de luz similar para cada uma delas. A caixa teve como objetivo uniformizar a fonte luminosa com o orifício funcionando de forma similar a uma lanterna, deixando a área de iluminação a mais parecida possível quando forem trocadas as lâmpadas. Sem essa caixa haveria pontos de iluminação diferentes, pois como as lâmpadas possuem formatos distintos elas podem emitir luz em direções diferentes e assim comprometer o estudo.

A caixa foi construída com uma placa de fibra de madeira, conhecido como compensado, onde no seu interior foi colocado em uma das extremidades um suporte para a ligação de uma lâmpada e na outra extremidade existia um pequeno orifício circular.

Essa caixa foi colocada de forma que o orifício presente nela ficasse a uma distância de 25 cm de um anteparo, onde foi disposta uma superfície colorida de cartolina, que é se caracteriza por ser uma estrutura intermediária entre o papel e o papelão.

Figura 01: Representação esquemática do experimento proposto (Acervo do autor).

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Uma vez iluminada à superfície colorida, esta foi fotografada com um telefone móvel, que dispõem de câmera fotográfica e que possui acesso a rede mundial de computadores ( smartphone ).

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As imagens das superfícies iluminadas foram posteriormente analisadas com o programa Tracker®, que realiza análise de vídeos/imagens e muito utilizado como ferramenta para o ensino de Física (BROWN, 2016), para verificar se a cor e a intensidade luminosa são as mesmas.

Nesse programa a análise foi realizada escolhendo-se a opção 'Perfil de Linha', dentro do comando 'Novo' da barra de tarefas, que permite inserir uma linha que realizará a análise da reprodução de cor (RGB) e do brilho na região iluminada.

Figura 02 : Comando utilizado para a análise da cor e do brilho.

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## Resultados e discussão

Na realização da atividade foram escolhidas duas folhas de cartolina, uma com cor azul e outra de cor vermelha, para que pudéssemos fazer uma comparação das respostas obtidas. A escolha dessas cores foi realizada de forma aleatória, visto que a análise dos parâmetros de interesse pode ser realizada com qualquer superfície colorida.

Inicialmente fizemos a iluminação da cartolina de cor vermelha, onde foi possível visualmente perceber a diferença entre as tonalidades apresentadas, bem como a intensidade da iluminação. Esse resultado visual já indica que existem diferenças marcantes nos parâmetros de interesse, para cada uma das lâmpadas utilizadas.

Figura 03 : Fotos tiradas da folha de cor vermelha ao ser iluminada pelas três lâmpadas.

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Apesar da caixa limitar a saída do feixe de luz as regiões iluminadas são relativamente distintas, no entanto isso não influenciou na análise realizada. Isso ocorre, pois as regiões de pico não sofreram interferência dessa dispersão e assim a análise não é influenciada.

Com o comando 'Perfil de Linha' que fornece os parâmetros, RGB e brilho percebido, foi possível perceber que as quantidades medidas para cada uma das regiões mostra que a lâmpada incandescente sempre apresenta maiores valores para todas as cores, como pode ser visto na Figura 04, bem como o brilho percebido.

Figura 04 : Nos gráficos a, b e c podemos ver os picos dos valores de tom dos componentes de cor para as lâmpadas incandescente (a), LED (b) e fluorescente (c) para o vermelho, verde e azul, respectivamente. A figura d mostra o brilho percebido.

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O brilho percebido, que também pode ser entendido como a quantidade de luz percebida pelo olho humano, tem como unidade de medida o lumen. Segundo a Tabela 01, uma lâmpada incandescente padrão de 60 watts, uma fluorescente de 14 W e uma LED de 9 watts deve produzir a mesma quantidade de lumens, no entanto o resultado mostrado na figura 04(d) demonstra uma pequena discrepância desses valores.

Esse resultado mostra que em muitos casos, apesar de terem tabelas de equivalência para os efeitos de iluminação, no caso da cor vermelha, isso pode não ocorre de forma conveniente.

Repetindo o procedimento no caso da cartolina azul, as fotos capturadas nos mostram novamente certa discrepância entre as regiões iluminadas (Figura 04),

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apresentando novamente diferenças entre as tonalidades e os brilhos percebidos em cada caso.

Figura 04: Fotos tiradas da folha de cor azul.

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Quando analisados quais os valores de tom dos componentes de cor vermelho, verde e azul (RGB) são capturados pela câmera na folha azul pelas lâmpadas incandescente, LED e fluorescente, respectivamente, temos novamente que elas apenas confirmam o que é percebido a olho nu (Figura 05). Além das cores temos que o brilho percebido para o azul é sensivelmente distinto entre as lâmpadas utilizadas, além de ser mostrar que o brilho da lâmpada incandescente é praticamente o mesmo para a cor azul e vermelha.

Figura 05 . Nos gráficos a, b e c podemos ver os picos dos valores de tom dos componentes de cor para as lâmpadas incandescente (a), LED (b) e fluorescente (c) para o azul, o verde e o vermelho, respectivamente, e a figura d mostra o brilho percebido.

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Analisando os picos da Figura 05 percebemos que a reprodução do azul pela lâmpada LED, se comparada às outras duas, possui quantidades razoavelmente menores de verde e praticamente nenhum vermelho. Algo interessante a ser tratado nessa analise são os altos valores de tom dos componentes de cores para o verde em ambas as folhas. Isso se deve ao fato de a folha de papel não ser completamente fosca, refletindo os diferentes comprimentos de onda.

Em ambos os casos fica claro que as cores e intensidades percebidas são diferentes para cada uma das lâmpadas, mostrando que a informação sobre a potência trazida nas caixas não tem relação com reprodução de cor ou mesmo com o brilho que será percebido pelo observador.

Em suma, as informações quanto à vida útil de lâmpadas e sua 'potência' não satisfazem as expectativas que a sociedade moderna possui e são esses os dados transmitidos aos consumidores que não sabem estar comprando também boa parte dos limitantes de sua experiência sensorial acerca das cores em seus ambientes cotidianos.

## Conclusões

Consideramos que os procedimentos mostrados nesse trabalho podem contribuir de forma significativa com a formação dos futuros profissionais das diferentes áreas, pois apresenta de forma simples que a visualização de certo tom de cor está diretamente ligada ao tipo de fonte utilizada para iluminar os objetos. Uma vez que os custos financeiros e de montagem dessa proposta são relativamente pequenos, quando comparados com outras práticas de laboratório, ela pode ser facilmente aplicada como proposta nas diferentes realidades universitárias existentes.

## Agradecimentos

Gostaríamos de agradecer ao professor Francisco Antônio Lopes Laudares, Coordenador do Laboratório de Instrumentação para o Ensino de Física, da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, por fornecer a estrutura necessária para a confecção da caixa utilizada no experimento.

## Financiamento

- O presente trabalho foi realizado com recursos do Fundo Nacional de Desenvolvimento da Educação e com apoio do Programa de Educação Tutorial PET, do MEC - Ministério da Educação - Brasil.

## Referências

BROWN, Douglas. Tracker: Video analysis and modeling tool . Disponível em: &lt;http://physlets.org/tracker/&gt;. Acesso em 26 ago. 2016.

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CALLISTER, JR., W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução . Rio de Janeiro: LTC, 2008.

EDP. Como escolher a lâmpada LED mais adequada , 2016. Disponível em: &lt;https://goo.gl/8zXxWd&gt;, Acesso em: 18 out. 2016.

FORMOSINHO, Sebastião J.; VARANDAS, Antônio S. Estrutura e Reactividade Molecular . Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, 1985.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert. Física 4 . 4º Ed. Rio de Janeiro: LTC, 1978.

LUMIDEC. Informações técnicas . São José dos Pinhais: Lumicenter, 2015.

LUZ, J. M. Luminotécnica . Campinas: Universidade de Campinas, 2015.

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