Anotações sobre energia e unidades - mit

Anotações sobre energia e unidades
Primavera de 2003 (Atualizado em 13 de fevereiro 2003)
Potência
“Potência” pode comumente significar três coisas:
1. Quanta energia elétrica uma fonte usa?
2. Quanta energia radiante é emitida por uma fonte?
3. Qual é a energia que um observador humano acredita que uma fonte tenha (energia luminosa)?
Para a maior parte, estamos concentrados no segundo tipo de energia (chamada de “energia radiométrica”).
Fontes de luz transformam energia elétrica (o primeiro tipo de “energia” acima) em energia radiante com a
eficiência de conversão ditada pela física em fonte de luz. A “energia radiante” da fonte é medida em watts
(uma unidade “radiométrica”). Se quiséssemos saber quão brilhante uma fonte iria parecer para um
observador humano, poderíamos escalonar a energia radiante de uma fonte por uma curva que reflete a
sensibilidade do olho a diferentes comprimentos de onda. O resultado é chamado de “energia luminosa” e é
medido em lúmens (uma unidade fotométrica e não radiométrica). Por exemplo, uma fonte de luz vermelha
intensa e uma fonte de luz verde deve ter a mesma energia radiométrica, mas já que o olho humano é menos
sensível à luz vermelha, a fonte verde possui maior energia luminosa do que uma fonte vermelha.
Pergunta: Quando estamos calculando a exposição de um filme holográfico branco e preto, devemos usar
unidades radiométricas ou fotométricas? Explique porquê.
Unidades
A energia radiante de uma fonte de luz (em nosso caso geralmente um laser) é medida em watts (ou
milliwatts ou microwatts). Um watt é Joule/seg. Um laser é uma excelente fonte porque fornece toda a sua
energia em um único feixe que podemos direcionar e manipular. De forma geral, estamos mais preocupados
com a luz fornecida a uma superfície como uma placa holográfica/fotográfica e não saída de energia total da
fonte. Esse valor é chamado de irradiância, mas comumente chamado de intensidade e é medido em watts
2
2
por metro quadrado (µW/cm , ou mW/cm , etc).
-7
Vamos agora adicionar o eixo tempo. A energia radiante total (Joules ou ergs, que são 10 Joules) é
energia radiante fornecida durante um período de tempo. A energia é proporcional ao número de fótons por
segundo que deixam a fonte, enquanto a energia é proporcional ao número de fótons que deixam a fonte em
um determinado intervalo de tempo.
Quando expomos um pedaço de filme holográfico / fotográfico, devemos aplicar potência (energia sobre o
tempo) em uma determinada intensidade (sobre uma área para folhas de filmes) para desencadear um
processo químico no filme e torná-lo preto. Densidade da potência é medida em watt-segundos por metro
2
2
quadrado ou, para nós, µW-sec/cm ou ergs/cm . Ergs são unidades CGS e 1 µW-sec = 1µJ = 10 ergs.
Na Prática
Veja como usar as unidades na prática. Um medidor de luz mede a energia total recebida em sua área de
sensor. O sensor também possui variações de sensibilidade a diferentes comprimentos de onda de luz. Em
primeiro lugar, o medidor de luz deve ser calibrado para compensar sua sensibilidade a comprimentos de
onda e o tamanho de seu sensor. Após o término da calibração, o medidor irá fazer a leitura em uma unidade
2
como uW/cm .
O filme que você está usando terá alguma exposição alvo que depende de sua composição química e o
processamento ao qual será submetido. Esse número será dado a você. Para o filme Agfa 8E75, uma boa
2
2
exposição alvo é 600 ergs/cm ou 60 µW-sec/cm . Observe que esse valor é apenas a intensidade vezes o
tempo. Com esse valor, apenas divida pela leitura do medidor de luz (intensidade) para descobrir o
tempo, que é o tempo de exposição para o filme.
(Observe que a relação entre o tempo de exposição e a densidade do filme (quão escuro é o filme exposto
e processado) não é completamente linear – exposições muito longas em intensidades muito baixas ou
exposições muito curtas em intensidades muito altas produzem menor densidade do que o previsto).
Então:
1. Certifique-se de que o medidor de luz esteja calibrado no comprimento de onda que você está usando.
2.Descubra a exposição necessária (a sensibilidade) do material fotossensível. Converta para µW2
2
sec/cm ou mW-sec/cm .
3. Meça a intensidade da luz no ponto de exposição.
4. Divida a exposição desejada pela intensidade para obter o tempo de exposição.
Interrupções
Algumas vezes você verá o termo “interrupção” usado juntamente com exposição fotográfica ou holográfica.
Uma interrupção é uma alteração do brilho em um ou dois fatores: “mais uma interrupção” significa duas
vezes a exposição, “uma interrupção a menos” significa a metade. Essa alteração pode ser feita na intensidade
(“uma interrupção mais brilhante” ou “uma interrupção mais opaca”) ou tempo (“duas interrupções mais
longa” é quatro vezes o tempo de exposição, enquanto que “três interrupções mais curto” é oito vezes menos
o tempo de exposição). Uma vez que o sistema visual humano tem uma sensibilidade um tanto logarítmica, as
interrupção-por-interrupção no brilho parecem ser igualmente perceptíveis.
A palavra “interrupção” vem de interrupções mecânicas na lente de uma camera que se abre em diferentes
tamanhos. Os números aplicados nessas “interrupções-f” são proporções de diâmetro de lente abrindo-se no
comprimento focal da lente. Para alterar a área em um fator dois (e deixar entrar o dobro ou metade de luz),
o diâmetro deve ser alterado pela raiz quadrada de dois. É por esse motivo que os número na lente de uma
camera de 35mm estão na seqüência 4, 5.6, 8, 11, 16, e 22.