Lúmen, uma perspetiva humana

Uma caraterística importante das luminárias é o fluxo luminoso, expresso em lumens. Mas o que é o lúmen? Num artigo anterior, comparámos o fluxo luminoso de uma lâmpada ao fluxo de água de uma torneira e, nesta analogia muito simples, o lúmen correspondia então ao caudal. Fechar ou abrir mais a torneira era como diminuir ou aumentar a intensidade da lâmpada. Neste artigo, explicamo-lo de forma um pouco mais científica e relacionamo-lo com a sensibilidade do olho.

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A luz visível e o espetro eletromagnético

A luz é uma radiação: ondas electromagnéticas que contêm uma certa quantidade de energia. No entanto, a luz visível é apenas uma pequena parte do espetro eletromagnético, situada entre as ondas curtas (de alta frequência), como os raios X e a radiação UV, por um lado, e as ondas mais longas (de baixa frequência), como os infravermelhos, as micro-ondas e as ondas de rádio, por outro.

Assim, para determinar a quantidade de luz emitida por uma lâmpada, precisamos de medir a quantidade de energia emitida na parte visível.

O delicado olho humano

Neste domínio, a sensibilidade do olho humano também é importante. Os nossos olhos detetam a luz e a cor graças aos cones: são células sensíveis à luz localizadas na nossa retina, na parte de trás do olho. Existem 3 tipos de cones, cada um sensível a uma cor de luz diferente. A resposta dos cones (e a sua interpretação no nosso cérebro) permite a visão fotópica, que funciona com um bom nível de iluminação, por exemplo durante o dia.

Quando há pouca luz, a nossa visão é possível graças aos bastonetes, que também estão localizados na nossa retina. Os bastonetes não distinguem as cores. Trata-se da visão escotópica, que permite ver com pouca luz, por exemplo à noite. As cores não são percepcionadas pela visão escotópica.

A definição de lúmen

A CIE (Comissão Internacional da Iluminação) definiu uma função oficial de sensibilidade ocular fotópica.
 

 
Esta curva mostra que o olho humano é mais sensível na parte verde do espetro. O pico de sensibilidade situa-se nas ondas electromagnéticas com um comprimento de onda de 555 nm (nanómetros, um milionésimo de milímetro).

A definição de lúmens está diretamente ligada a este facto: por definição, um feixe de luz monocromática verde com um comprimento de onda de 555 nm tem uma eficiência de 683 lúmens/Watt.

Esta é a constante Kcd: 683 lm/W. É uma das sete constantes utilizadas no sistema métrico para descrever o nosso universo. A particularidade desta constante é que é a única que está diretamente ligada ao ser humano e à forma como vemos o mundo.

A unidade lúmen é assim definida como a potência emitida por uma fonte de luz multiplicada pela função de sensibilidade do olho fotópico.

Porquê 683 lúmens/Watt?

Um feixe de luz monocromática verde com um comprimento de onda de 555 nm e uma potência de 1 Watt tem, por definição, um fluxo luminoso de 683 lúmens. Este valor definido arbitrariamente é o resultado de métodos históricos anteriores de imposição de um valor normalizado para o fluxo luminoso.

Os primeiros métodos de calibração para caraterizar a luminosidade de uma fonte de luz funcionavam com velas normalizadas de um determinado peso e material.

Para o captar com maior precisão, desde 1933, o fluxo luminoso era calibrado utilizando um emissor preto com platina solidificada (a uma temperatura de 1773°C). Depois, como isso não era muito prático, e graças aos progressos da radiometria, a definição atual foi adoptada em 1979. O valor de 683 lm/W foi escolhido de modo a que os valores medidos resultantes correspondam à antiga definição.

A luz mais eficiente

A consequência desta definição de lúmens, utilizando esta curva, é que a luz verde é a luz mais eficiente. Se emitirmos a mesma quantidade de energia em luz vermelha, o fluxo luminoso é apenas metade, porque o olho é apenas metade sensível a ela. 

O mesmo se aplica à luz azul. Um exemplo prático desta situação é uma variante da luminária E2-ATEX da ETAP, que emite luz azul. Esta luminária ilumina os locais de chuveiros para os olhos na indústria química com uma luz azul muito proeminente. 

Com um consumo de 44 watts, essa luminária tem um fluxo luminoso azul de 1100 lúmens, ou uma eficiência de 25 lm/W. Este valor pode parecer baixo, mas é explicável quando se percebe que a luminária emite apenas luz azul com um comprimento de onda entre 450 e 465 nm - tal como indicado na curva.

Assim, a lâmpada de melhor desempenho que teoricamente se poderia construir emitiria apenas luz verde monocromática a 555 nm e teria uma eficiência máxima de 683 lm/W. Assim que se emite luz num espetro mais alargado, a eficiência diminui automaticamente. Isto também explica porque é que os dispositivos com um valor CRI mais elevado têm muitas vezes de sacrificar um pouco o lúmen/Watt. Eles espalham a luz por um espetro ligeiramente mais amplo.

Nós vemos a luz

A luz é mais do que um fenómeno físico, é um símbolo de conhecimento, de esperança e de vida. A luz do sol é a fonte de toda a vida na terra e permite-nos perceber o mundo que nos rodeia. O lúmen, a unidade que mede o fluxo luminoso, é uma ponte entre o mundo abstrato das ondas electromagnéticas e a nossa experiência sensorial. De todas as unidades científicas (como o quilograma, o segundo, o metro, etc.), o lúmen é, portanto, a nossa preferida, porque a sua definição está diretamente ligada à forma como as pessoas percebem o mundo e o universo.