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LÂMPADAS I – Porque as fluorescentes compactas ofuscam, mas não iluminam

5 de dezembro de 2012

Figura 1 – Espectrograma de emissão do sol, onde se vê que a parte mais intensa das emissões (em Watt/m²), entre as duas linhas pontilhadas, está na faixa de luz visível. Fonte: [1].

Figura 1 – Espectrograma de emissão do sol, onde se vê que a parte mais intensa das emissões (em Watt/m²), entre as duas linhas pontilhadas, está na faixa de luz visível. Fonte: [1].

Você já deve ter passado por esta situação. Compra alegremente uma lâmpada fluorescente compacta (LFC) no supermercado, pensando que irá substituir, com vantagens, a lâmpada incandescente da sala. Olha a embalagem, onde diz que a potência de 20 Watt da LFC é equivalente à que tem no lustre, de 100 W.

Chega em casa, troca a lâmpada e liga. Não dá nem para olhar para ela, de tão forte. E que luz branca! Daí, passado um tempo, você senta no sofá e olha ao redor. Parece que está tudo mais escuro. Mas como, se na cartela diz que a quantidade de luz emitida pelas duas é a mesma?

Ainda assim, a lâmpada nova é deixada no lustre, afinal é necessário economizar. Com o passar dos dias, você nota que a troca não foi tão vantajosa assim. Apesar da conta de luz ter diminuído um tantinho, há um certo desconforto para ler, os olhos cansam facilmente e as cores não são mais as mesmas – ficaram meio apagadas. E parece que os insetos adoram a lâmpada, pois agora vêm de bando.

Caro leitor ou leitora, isto é perfeitamente explicável – e esperado. Por seu lado, os fabricantes e vendedores, ao enaltecerem as qualidades das LFC’s, escondem para debaixo do tapete os seus problemas e, no final das contas, nos vendem gato por lebre.

Nos dizem que elas são vantajosas sob todos os aspectos, o que está longe da verdade. Elas tem suas qualidades, mas não são adequadas para todas as aplicações. Como qualquer produto, elas tem um nicho onde são muito melhores que suas concorrentes. Mas não representam uma quebra de paradigma, nem tem qualquer característica revolucionária como os LED’s.

Tentarei explicar porque as LFC’s apresentam este comportamento. E também porquê conseguem ser econômicas. Para isto, é necessário definir alguns conceitos que, no final das contas, poderão acrescentar algo de conhecimento a quem se dispuser a ler o texto.

Espectro de emissão

Quando se fala em espectro de emissão de lâmpadas, percebe-se que é uma característica pouco conhecida dos leigos. Simplificadamente, significa todo o conjunto das cores emitidas pela fonte de luz, dentro de certos limites.  No nosso caso, interessa a faixa de luz visível, ou o espectro de luz visível.

O sol emite uma ampla faixa de frequências e a luz visível é apenas uma parte dela. O gráfico da figura 1 exibe a distribuição espectral de energia da radiação solar. A luz visível está no trecho de maior intensidade, mais à esquerda, entre as linhas pontilhadas.

No espectrograma da figura 1 temos, no eixo vertical, uma medida chamada irradiação espectral (spectral irradiance) que é a quantidade de energia (em Watt) irradiada em 1 metro quadrado, numa frequência específica (cor). Por isto a unidade de medida da irradiação é W/m²/nm (Watt por metro quadrado por nanômetro).

Então, cada cor (ou comprimento de onda) deixará marcado um ponto no gráfico. Quanto maior a intensidade de emissão, mais alta será a posição do ponto.

Já o eixo horizontal é marcado em comprimentos de onda (wavelength) e os tais pontos ficarão distribuídos por toda sua extensão, fazendo com que a união deles forme aquela curva tipo montanha russa da figura 1. 

Uma curiosidade:  estima-se que a potência média irradiada pelo sol, em 1 metro quadrado da superfície terrestre, é de 1400 Watt.  Esta energia irradiada sobre todo planeta, por minuto, supera a queima da nossa produção anual de petróleo em 10 milhões de vezes… [2]

Comprimento de onda

As radiações de alta frequência, como a luz, são classificadas por comprimento de onda. Quanto maior a frequência, menor é o comprimento de onda. A luz visível vai desde 400 nm (violeta) até o vermelho, que mede 700 nm (nanômetros). Um nanômetro é igual a 1 milímetro dividido por 1 milhão.

O comprimento de onda tem como símbolo a letra grega lambda (λ) e é o resultado da divisão da velocidade da onda (no meio pelo qual ela se propaga), pela sua frequência (λ = c/f). É a medida de tamanho entre dois picos de uma onda senoidal, conforme referência [3].

Deve-se atentar que a velocidade de propagação na fórmula mudará conforme o tipo de onda, pois a luz se propaga no vácuo a 300.000 km/s, enquanto que o som se propaga na atmosfera a 340 m/s (a 15º C). Uma ótima leitura sobre ondulatória é a referência [4].

Pode-se ter uma ideia do espectro eletromagnético na figura 2, extraída da referência [5]. A linha horizontal, que simboliza a faixa de radiações eletromagnéticas, começa nas frequências mais altas (raios cósmicos) e termina em baixíssimas frequências, como o som. Observe que a luz visível ocupa apenas um pequeno trecho desta faixa.

Figura 2 – Espectro eletromagnético, onde nota-se que o trecho de luz visível (o colorido na parte de cima) é uma pequena parte do restante. Fonte: [4].

Figura 2 – Espectro eletromagnético, onde nota-se que o trecho de luz visível (o colorido na parte de cima) é uma pequena parte do restante. Fonte: [5].

O trecho de cima da linha na figura 2, com fundo cinza, mostra a luz visível, ampliada e separada por cores. Na parte de baixo, é informado o tipo de onda (raios cósmicos, gama ou X, ultravioleta, espectro visível, infravermelho, micro-ondas, radar, UHV, VHF, ondas curtas, médias e longas e áudio). Mais abaixo, estão as escalas de comprimento de onda e de frequência.

Então, por exemplo, se pegarmos uma radiação de comprimento de onda de 650 nm, saberemos que ela pertence à faixa de luz visível, tem a cor laranja, e corresponde a uma frequência de 461 THz (terahertz).

É interessante notar que, conforme a frequência da onda emitida, muda nosso modo de percebê-las. Estamos imersos em ondas. A luz, por exemplo, entra pelos olhos e o som, pelos ouvidos. Mas cadas uma dessas faixas é só um pedacinho do espectro existente. Quantas outras frequências talvez estejamos recebendo por algum órgão ou glândula, quem sabe, e nem nos damos conta disso? Os cheiros, por exemplo, de quais frequências serão?

Temperatura de cor

A cor aparente emitida pelas fontes de luz é chamada de temperatura de cor e é medida em graus Kelvin. Ela é que indica o tipo iluminação ideal para cada tipo de ambiente, com base nos efeitos psicológicos que determinadas cores nos causam.

Também chamada de balanço de cores, a cor aparente é realmente isso: uma mistura de diversas emissões de cores, em proporções determinadas, que quando agrupadas podem parecer mais ou menos brancas.

Cores consideradas quentes tem maiores quantidades de emissão nos comprimentos de onda longos, que vem desde o vermelho e vão até o amarelo, e tendem a ser utilizadas em ambientes mais íntimos e aconchegantes. Cores frias vão do verde até o violeta (comprimentos de onda menores) e costumam ser aplicadas em locais de trabalho, inclusive hospitais, pois transmitem sensação de eficiência e limpeza, conforme a referência [6].

Uma temperatura de cor de 2700K é chamada de branco quente, 4000K é luz do dia, e 6500K é branca fria. Considera-se que a luz do dia verdadeira (sol) tem uma temperatura de cor entre 5400K e 5900 K. Este valor varia conforme o horário, inclusive além destes valores, pois a temperatura de cor na superfície terrestre tende a baixar no início e no final do dia, quando adquire tons mais avermelhados. Em dias nublados é o contrário, os tons ficam mais azulados.

Ao adquirir uma lâmpada, portanto, é importante saber sua temperatura de cor, pois conforme esta característica ela poderá ser inadequada para determinados ambientes. A figura 3 reproduz uma tabela da Philips, extraída da referência [6], que orienta a escolha das lâmpadas.

Figura 3 – Tabela de orientação para uso de lâmpadas. Fonte [5].

Figura 3 – Tabela de orientação para uso de lâmpadas. Fonte [6].

No Brasil está se popularizando a LFC de 6500K, mais azulada, para uso doméstico. Esta temperatura de cor é a pior escolha para as fluorescentes compactas, pois é a que mais causa fadiga visual, além de ser indicada para outros ambientes, como os hospitais.

Na figura 4, foram reunidas várias cores aparentes das fontes de luz. Estão na mesma ordem dos gráficos mostrados no tópico seguinte: sol, vela (ou fogo), lâmpada incandescente 3000K, LFC 2700K e LFC 4000K.

Figura 4 – Aspecto da luz vista sobre um corpo negro, conforme o tipo de emissor. Fonte: Ioannis [6].

Figura 4 – Aspecto da luz vista sobre um corpo negro, conforme o tipo de emissor. Fonte: Ioannis [7].

Fontes de luz e a economia de energia

Todos os dispositivos emissores de luz tem como referência o sol, que é o padrão de luz branca. A luz visível emitida por nossa estrela é mostrada no espectrograma da figura 5, que corresponde, com mais detalhes, ao trecho entre pontilhados da figura 1. O espectro visível começa depois do ultravioleta, passa pelo violeta, azul, ciano, verde, amarelo, laranja, vermelho e termina quando surge o infravermelho.

Os gráficos da figura 5 e posteriores exibem a intensidade luminosa da seguinte forma: no eixo vertical, o nível mais alto de energia corresponde a 100% , daí as outras emissões serão um percentual relativo a este valor máximo. No eixo horizontal, continua a ser utilizado o comprimento de onda.

Os espectrogramas de fundo preto foram extraídos da página do matemático grego Ioannis Galidakis – referência [7]. A página dele, eventualmente, tem tido problemas para ser acessada – talvez até por ser muito referenciada, pois é um excelente trabalho a respeito da emissão de cor de vários elementos.

Ainda na figura 5, notam-se pequenas faixas de absorção (dentes em preto), causadas por elementos específicos na atmosfera – como alguns gases – que também estão identificados no gráfico.

Vamos comparar o sol com outras fontes de luz, como a emitida pela chama de uma vela (figura 6), cuja temperatura de cor é 1000 K. O fogo também apresenta o mesmo gráfico.

Agora, vejamos uma lâmpada incandescente, com filamento de tungstênio, halógena, e temperatura de cor 3000K (figura 7). As incandescentes comuns, não halógenas, diminuem a intensidade de emissão nos comprimentos de onda curtos (azul e verde), mas o espectro é semelhante.

Figura 5 – Espectrograma da luz solar visível, de modo mais detalhado. Fonte: [6].

Figura 5 – Espectrograma da luz solar visível, de modo mais detalhado. Fonte: [7].

Figura 6 – Espectrograma da luz de uma vela, que é idêntica à do fogo (1000 K). Fonte: Ioannis [6].

Figura 6 – Espectrograma da luz de uma vela, que é idêntica à do fogo (1000 K). Fonte: Ioannis [7].

Figura 7 – Espectrograma que mostra as emissões de uma lâmpada halógena incandescente (3000 K). Fonte: [6].

Figura 7 – Espectrograma que mostra as emissões de uma lâmpada halógena incandescente (3000 K). Fonte: [7].

Continuando a comparação, na figura 8 aparece o espectro de emissão uma lâmpada fluorescente, com camada trifósforo, típica de LFC’s, com temperatura de cor de 2700 K – branco quente). Na figura 9, é mostrado o espectrograma de outra LFC, de 4000K – luz do dia.  Infelizmente, na página do Ioannis não há uma medição de lâmpadas fluorescentes de 6500 K, que teriam ainda mais conteúdo de azul e verde.

Figura 8 – Espectrograma de emissão de LFC, com camada trifósforo e temperatura de cor de 2700 K – branco quente. Fonte: [6].

Figura 8 – Espectrograma de emissão de LFC, com camada trifósforo e temperatura de cor de 2700 K – branco quente. Fonte: [7].

Figura 9 – Espectrograma de emissão de uma LFC tipo luz do dia, com temperatura de cor de 4000K. Fonte: [6].

Figura 9 – Espectrograma de emissão de uma LFC tipo luz do dia, com temperatura de cor de 4000K. Fonte: [7].

As imagens acima ilustram características interessantes, mas pouco conhecidas. Por exemplo, o calor gerado nas lâmpadas incandescentes, como se pode deduzir do gráfico respectivo (figura 7), é causado simplesmente pela maior intensidade de emissão na região do vermelho e infravermelho.

Além disso, as lâmpadas incandescentes são as únicas que tem emissão semelhante à da luz solar, pois emitem numa ampla faixa de comprimentos de onda.

Quantos já tiveram a sensação de que a luz forte das fluorescentes e led’s ainda assim parecem não iluminar bem? Ofuscam, mas não iluminam. Mesmo quando os fabricantes informam potência equivalente, e às vezes até maior que as incandescentes.

É que falta a emissão de vários comprimentos de onda.

Por isso as fluorescentes são eficientes, pois gastam energia só em algumas frequências.

É por isso também que não conseguem reproduzir com fidelidade todas as cores, apesar de parecerem (para os nossos olhos) emitir luz branca – ver referência [8]. As fluorescentes e os led’s, em 2012, emitem uma mistura bem planejada de alguns comprimentos de onda, que fazem parecer uma perfeita luz branca ou amarelada.

Mas o espectro de emissão delas está cheio de buracos… Na referência [9] tem um artigo muito interessante, que mostra isso visualmente. Se você tiver um prisma triangular de 60º, poderá fazer o mesmo experimento, que na prática é um espectroscópio rudimentar. É uma excelente forma de entender a composição das cores e como as lâmpadas funcionam.

Como se pode notar, nossos olhos são facilmente iludidos já que, apesar de enxergarmos o branco das fluorescentes, o que vemos na verdade é uma mistura de diversas emissões isoladas, que não conseguem abranger todas as cores com a mesma intensidade.

Referências

[1] Wikimedia – espectro de emissão da luz solar – http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Solar_Spectrum.png

[2] UFRGS – o Sol – http://astro.if.ufrgs.br/esol/esol.htm

[3] Alunos on-line – Comprimento de onda – http://www.alunosonline.com.br/fisica/frequencia-comprimento-onda.html

[4] Exatas – Ondulatória, com muitas animações – http://www.exatas.net/ondulatoria.htm

[5] Wikipedia – espectro de emissão da luz visível – http://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_vis%C3%ADvel

[6] Philips – iluminação de ambientes – http://www.lighting.philips.com.br/pwc_li/br_pt/lightcommunity/assets/broch_optibin_3.pdf

[7] Ioannis Galidakis (Grécia) – Virtual Composer 2000 – http://ioannis.virtualcomposer2000.com/spectroscope/elements.html

[8] Wikipedia – Lâmpadas fluorescentes – características – http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescent_lamp

[9] Wikipedia – Indice de renderização das cores – http://en.wikipedia.org/wiki/Color_rendering_index

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  1. Ricardo Costa
    30 de junho de 2015 às 10:54

    Os espectros apresentados nas figuras representam apenas parte das cores emitidas pela lâmpada. O pó branco da lâmpadas (fosforo) tem por finalidade absorver a luz discreta emitida pela lâmpada e depois reemitir num espectro contínuo de radiação visível.

    • 30 de junho de 2015 às 22:41

      Ricardo, os espectros emitidos pelas fluorescentes não são contínuos, os gráficos mostrados são exatamente o que os aparelhos de medição enxergam, do lado de fora das lâmpadas, como qualquer pessoa. Nossos olhos é que são iludidos pela mistura de cores cuidadosamente planejada.

      O pó de fósforo, hoje em dia, é composto por três tipos, cada um responde por uma cor (vermelho, verde, azul), do mesmo modo que os antigos tubos de TV em cores.
      Atualmente as fluorescentes são cobertas internamente com o chamado trifósforo, que é o composto resultante da mistura dos fósforos RGB.

      A emissão interna da lâmpada fluorescente é formada por um fluxo de plasma, com tênue brilho esbranquiçado, que é composto por RAIOS ULTRAVIOLETA C, os mais perigosos. Leia meu artigo sobre o funcionamento e conserto de reatores de lâmpadas fluorescentes, neste link: https://dicasdozebio.com/2013/10/10/1358/
      Lá eu explico como é que as lâmpadas e os reatores funcionam, além de dar uma repassada por diversos tipos de fluorescentes, inclusive aquelas germicidas, que não tem a camada de fósforo.

  1. 8 de março de 2015 às 00:27
  2. 15 de janeiro de 2014 às 17:44
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