O que são lúmenes, lux, nits e candelas?

Na nossa vida quotidiana, a luz está sempre presente - desde as lâmpadas das nossas casas aos ecrãs dos nossos telemóveis, desde a luz do sol ao ar livre às luzes de néon à noite. Está à nossa volta sob inúmeras formas. Para descrever as propriedades da luz, são indispensáveis certas unidades físicas especializadas, sendo os lúmens, lux, nits e candelas quatro das mais cruciais. Embora aparentemente abstractas, estas unidades estão intrinsecamente ligadas à nossa perceção da luz e às suas aplicações práticas. Desde a seleção de lâmpadas de brilho adequado à conceção de efeitos de visualização para ecrãs, e mesmo em áreas especializadas como a fotografia e a engenharia de iluminação, estas unidades desempenham um papel indispensável.

No entanto, muitas pessoas consideram frequentemente estes quatro conceitos confusos, tendo dificuldade em distinguir claramente os respectivos significados e aplicações. Por conseguinte, clarificar os conceitos destas quatro unidades e definir as propriedades ópticas que descrevem é de grande importância para compreendermos e utilizarmos melhor a luz.

1. O lúmen é uma unidade de medida da luz, semelhante ao watt, mas a sua medição tem em conta a sensibilidade do olho humano. Ao examinar as especificações de uma fonte de luz, os lúmenes medem a saída total da fonte de luz, independentemente da direção em que a luz é emitida.

2. Lux designa o número de lúmenes recebidos por metro quadrado. Na linguagem quotidiana, podemos referir-nos a ele como ‘iluminância’, embora na profissão de ótico seja designado por ‘iluminância’. Indica a quantidade de luz que incide sobre uma determinada superfície.

3. Nit é o número de lúmenes por metro quadrado por esterradiano, que podemos designar por ‘brilho’ em termos quotidianos, embora na indústria seja designado por ‘luminância’. Se uma iluminação de 1 lux incidir sobre uma superfície reflectora difusa ideal, produz uma luminância de 1 nit.

4. Uma candela é o número de lúmenes por esterradiano. É utilizada para fontes de luz pontuais, permitindo o cálculo da quantidade de luz recebida por qualquer superfície iluminada, independentemente da sua localização.

Por outras palavras, a candela mede a intensidade luminosa através de uma esfera imaginária centrada na fonte de luz. Para uma fonte pontual isotrópica, uma candela equivale a um lúmen por esterradiano. Uma esfera completa à volta da fonte de luz abrange 4π (aproximadamente 12,6) esterradianos. Consequentemente, uma fonte de luz isotrópica que emita 12,6 lúmens produz uma intensidade luminosa de 1 candela. Isto não se aplica inteiramente aos lasers típicos, mas para fontes de luz como as lâmpadas de xénon de arco curto, constitui uma aproximação razoável. No entanto, a candela pode ainda ser definida para uma parte de um feixe divergente. Por exemplo, se o laser emitir 1 lúmen num intervalo de apenas 0,1 esterradianos, a sua intensidade luminosa será de 10 candelas.

O pé-vela é uma unidade de iluminância. A Illuminating Engineering Society of North America define-a na ANSI/IES RP-16-1996, Terminology of Lighting Engineering, como ‘a densidade superficial do fluxo luminoso incidente num ponto de uma superfície’.

Em termos leigos, a iluminância é a quantidade de luz que atinge um ponto numa superfície real ou imaginária. (Este ponto não precisa de estar localizado numa superfície física).

Uma vela-pé equivale a um lúmen por pé quadrado (em que o lúmen é a unidade de medida do fluxo luminoso ou da quantidade de luz).

A intensidade luminosa da chama de uma vela (ou equivalentemente, a sua candela) é de aproximadamente 1 candela. Se colocarmos a vela a um pé de distância de uma superfície, a iluminância nessa superfície a essa distância será de aproximadamente um pé-vela devido à iluminação da vela. A 2 pés, a iluminação será de 1/4 de pé-vela; a 3 pés, será de 1/9 de pé-vela, e assim por diante, de acordo com a lei do inverso do quadrado para fontes de luz pontuais.

O brilho é um fenómeno psicofísico que não pode ser medido diretamente. O termo “brilho fotométrico” foi outrora utilizado para designar a luminância, mas já não é empregue em contextos científicos ou de engenharia.

Definição do lúmen: Fluxo luminoso da luz monocromática a uma frequência de 540 terahertz (ou um comprimento de onda de aproximadamente 555,5 nanómetros) com uma potência de 1/683 watts. Note-se que o lúmen é uma unidade derivada da candela (1 candela equivale a 1 lúmen por esterradiano), ao passo que a candela é uma unidade de base (representa a ‘potência do feixe de candelas’ de 1/683 watts por esterradiano para a luz monocromática a uma frequência de 540 terahertz). Para a luz com comprimentos de onda diferentes dos 555,5 nanómetros, o número de lúmenes por watt de energia radiada é diferente. Para os comprimentos de onda que não sejam 555,5 nanómetros, os lúmenes por watt correspondem a 683 multiplicado pelo valor da função de eficiência luminosa fotópica para esse comprimento de onda e depois dividido pelo valor da função de eficiência luminosa fotópica a 555,5 nanómetros (creio que este valor é muito próximo de 1, mas não exatamente 1).

Lúmens por watt serve como indicador da eficiência na conversão de energia eléctrica em energia luminosa. Multiplicando este valor pela potência consumida por um LED, obtém-se o seu fluxo luminoso (em lúmenes). Os LEDs vermelhos, laranja, amarelos ou verde-amarelos típicos apresentam uma queda de tensão de aproximadamente 2 volts, consumindo cerca de 0,04 watts a uma corrente padrão de 20 miliamperes. Em contrapartida, os LED azuis, brancos ou verdes não amarelados têm normalmente uma queda de tensão de 3,5 volts a 20 miliamperes, resultando num consumo de energia de 0,07 watts.

A candela é o número de lúmenes por esterradiano, também conhecido como ‘potência da vela luminosa’. (Na prática, como já foi referido, a candela é a unidade métrica fundamental, enquanto o lúmen é definido em termos de candela). Por conseguinte, o lúmen é igual à candela multiplicada pelo ângulo sólido coberto pelo feixe. Idealmente, a candela é igual ao lúmen dividido pelo ângulo sólido coberto pelo feixe - assumindo que toda a luz está contida no feixe e que a ‘potência de candela’ no feixe é constante.

Poderá perguntar-se: o que é a esfericidade? A esfericidade é 1/(4π) de toda a esfera, ou 1/(2π) de um hemisfério, o que equivale a aproximadamente 3283 ‘graus quadrados’. A fórmula para calcular a esfericidade com base no ângulo do feixe é a seguinte Esfericidade = 2 × π × (1 - cos(0,5 × ângulo do feixe))

Assim, se calcularmos o ângulo esférico coberto pelo feixe e o multiplicarmos pelo valor da candela (ou 1/1000 do valor da milicandela), podemos obter aproximadamente o fluxo luminoso (em lúmenes)! No entanto, uma vez que o feixe não está uniformemente distribuído e nem toda a luz está contida no feixe, este cálculo é apenas aproximado. O cálculo de lúmens com base no ângulo do feixe e na candela pode facilmente produzir erros que variam entre +100% e -50%. Para ângulos de feixe de 8 graus ou menos, a saída real de lúmenes é normalmente mais elevada do que esta fórmula prevê, uma vez que o feixe nominal não tem em conta os feixes secundários de ‘auréola’ que frequentemente rodeiam o feixe principal. Deve também notar-se que alguns valores de ângulos de feixe são excessivamente optimistas, levando potencialmente a expectativas inflacionadas relativamente ao fluxo luminoso real recebido.

Em resumo, as quatro unidades ópticas - lúmen, lux, nit e candela - descrevem as propriedades da luz a partir de perspectivas distintas, formando coletivamente os parâmetros essenciais através dos quais compreendemos e medimos a iluminação.

Os lúmens centram-se na quantidade total de luz emitida por uma fonte de luz, quantificando o fluxo luminoso para indicar a quantidade de luz que uma fonte pode produzir; o lux, no entanto, diz respeito ao fluxo luminoso recebido por unidade de área por um objeto iluminado, reflectindo o grau em que um objeto está iluminado e revelando a intensidade com que uma superfície é iluminada. O nit, como unidade de luminância, aplica-se a fontes de área, combinando a intensidade luminosa com a área de emissão. É normalmente utilizado para descrever o brilho visual de superfícies luminosas, tais como ecrãs. A candela, por sua vez, é a principal métrica para a intensidade luminosa de fontes pontuais. Caracteriza a capacidade de uma fonte de luz para concentrar a luz numa direção específica, revelando a intensidade com que a própria fonte emite luz.