Física do ensino médio · Grades 10–12
11Cor e fontes de luz
Pergunte a um físico qual é a cor de um tomate e você recebe outra pergunta: sob que luz? O tomate só difunde o que recebe, a lâmpada só oferece o que o seu espectro contém, e o olho comprime tudo o que chega em três números. A cor é uma negociação entre fonte, objeto e olho — este capítulo interroga as três partes, uma de cada vez.
11.1 Enxergar em três números
Definição 11.1 (Cones e visão tricromática)
A retina (Capítulo 10) carrega duas famílias de células sensíveis à luz: os bastonetes, que respondem a luz fraca mas ignoram o comprimento de onda (visão noturna, em cinza), e os cones, de três tipos, mais sensíveis perto de (azul), (verde) e (vermelho). A visão humana de cores é tricromática: seja qual for o espectro, o cérebro recebe apenas três respostas dos cones, e a cor é o que ele faz desse trio.
Definição 11.2 (A cor como percepção)
A cor é, portanto, uma percepção, e não uma propriedade só da luz: um espectro especifica uma intensidade em cada comprimento de onda, e o olho guarda três números. Luzes de espectros diferentes mas com as mesmas três respostas dos cones parecem rigorosamente iguais: são metâmeras.
Exemplo 11.3 (Dois amarelos)
A linha de de uma lâmpada de sódio excita os cones vermelho e verde quase igualmente: o cérebro diz amarelo. Uma tela que acenda os seus subpixels vermelho () e verde () dá o mesmo amarelo sem luz alguma perto de . Um prisma separa as duas na hora; o olho, nunca.
11.2 Somar luzes
Definição 11.4 (Síntese aditiva)
Superpor feixes de luz sobre um anteparo branco soma os espectros deles: isso é a síntese aditiva. Três luzes bem escolhidas, vermelha, verde e azul — as primárias aditivas —, misturam-se em quase toda cor perceptível: V Ve amarelo, V A magenta, Ve A ciano e V Ve A branco.
Proposição 11.5 (Cores complementares)
Duas luzes cuja soma é percebida como branca são complementares. Os três pares amarelo/azul, ciano/vermelho e magenta/verde são complementares.
Demonstração. O amarelo é V Ve; acrescentar o azul completa o trio até o branco. Os outros dois pares seguem o mesmo argumento, uma primária de cada vez. ∎
Exemplo 11.6 (Telas)
Cada pixel da tela de um celular é feito de três subpixels — vermelho, verde, azul, com menos de de largura — próximos demais para o olho separar, de modo que as luzes deles se somam na retina: o amarelo é V e Ve acesos, o laranja é V a plena potência e Ve pela metade, e o branco são os três. Uma lupa sobre uma área branca revela o truque: não há branco nenhum ali, só V, Ve e A.
11.3 Subtrair da luz branca
Definição 11.7 (Síntese subtrativa)
Um filtro (vidro colorido, uma gelatina, uma camada de tinta) transmite parte do espectro que recebe e absorve o resto. Produzir cores retirando faixas da luz branca é a síntese subtrativa. As suas primárias, complementares das aditivas, subtraem cada uma uma faixa: ciano branco V, magenta branco Ve, amarelo branco A. Filtros empilhados subtraem em conjunto: ciano amarelo deixa verde, ciano magenta deixa azul, magenta amarelo deixa vermelho, e os três juntos deixam preto. A impressão e a pintura funcionam assim, com tintas C, M e Am.
Método 11.8 (Contabilidade de espectros)
Para prever uma cor ao longo de qualquer cadeia de fontes, filtros e objetos, acompanhe as três faixas primárias: escreva a luz da fonte pelo seu conteúdo em V, Ve e A; em cada filtro ou superfície, apague as faixas absorvidas; nomeie a cor do que sobreviver (nada sobrando preto).
Exemplo 11.9 (Uma cadeia de filtros)
Luz branca atravessa um filtro amarelo: a faixa azul é absorvida, restando — amarelo. Um filtro ciano em seguida absorve a faixa vermelha, restando : verde. Trocar a ordem dos filtros não muda nada: cada um absorve a sua própria faixa, seja qual for a ordem.
11.4 A cor de um objeto
Definição 11.10 (Difusão e cor do objeto)
Um objeto opaco absorve parte da luz que recebe e difunde o resto — reemite-o em todas as direções, inclusive na dos nossos olhos. A cor de um objeto é a cor da luz que ele difunde sob a iluminação dada: o objeto fornece os seus hábitos de absorção; a fonte, a matéria-prima. Troque a lâmpada e você troca a cor.
Exemplo 11.11 (A camisa vermelha)
Uma camisa parece vermelha à luz do dia: ela absorve as faixas verde e azul e difunde a vermelha. Sob uma luz verde pura não há faixa vermelha para difundir: a camisa absorve tudo e aparece preta. Sob luz magenta ela difunde apenas a faixa vermelha: continua vermelha. Um objeto branco difunde todas as faixas que recebe (sob luz verde ele parece verde); um objeto preto as absorve todas sob qualquer luz — e é também por isso que roupa preta esquenta no sol.
11.5 Fontes de luz e temperatura de cor
Definição 11.12 (Fontes incandescentes)
Uma fonte que brilha por estar quente — chama, filamento, estrela — brilha por incandescência. O seu espectro é o espectro térmico contínuo do Capítulo 2, e o seu pico obedece à lei de Wien (Proposição 2.7),
a nossa ferramenta quantitativa daqui em diante: pico medido, temperatura conhecida.
Exemplo 11.13 (Uma lâmpada muito ineficiente)
Um filamento de tungstênio a tem pico em , bem no infravermelho: a maior parte da potência elétrica sai como radiação invisível, e só cerca de como luz — a lâmpada incandescente era sobretudo um aquecedor.
Definição 11.14 (Lâmpadas espectrais e lasers)
Uma lâmpada espectral — um gás a baixa pressão excitado por uma descarga: sódio, mercúrio, neônio — emite um espectro de linhas (Capítulo 2): alguns comprimentos de onda isolados e nada entre eles. Um laser vai além: um único comprimento de onda, luz monocromática, num feixe estreito.
Definição 11.15 (LEDs)
Um diodo emissor de luz (LED) emite uma faixa quase monocromática de algumas dezenas de nanômetros de largura: estreita o bastante para parecer uma cor definida, e muito mais larga do que a linha de um laser. Um LED branco é um LED azul (pico perto de ) recoberto por um fósforo, material que absorve parte do azul e o reemite como uma faixa amarela larga: como azul e amarelo são complementares (Proposição 11.5), a mistura se lê como branco.
Definição 11.16 (Temperatura de cor)
A temperatura de cor de uma fonte esbranquiçada é a temperatura do corpo incandescente cuja luz tem o mesmo tom que a dela: vela , lâmpada incandescente , halógena , sol do meio-dia , luz do dia com céu encoberto . É um rótulo de cor, e não uma leitura de termômetro — um LED de funciona à temperatura ambiente — e o vocabulário corre ao contrário: temperatura de cor baixa se lê como laranja “quente”, e alta como azulada “fria”.
11.6 Exercícios
Exercício 11.1 ★
Dê a cor percebida quando um anteparo branco recebe simultaneamente: (a) luz vermelha e verde; (b) luz verde e azul; (c) as três primárias. Que luz é complementar do azul?
Solução
Solução de Exercício 11.1.
(a) amarelo; (b) ciano; (c) branco. Complementar do azul: o amarelo (azul amarelo azul vermelho verde branco).
Exercício 11.2 ★
Que subpixels (V, Ve, A) uma tela acende para exibir amarelo, magenta, branco, preto e laranja?
Exercício 11.3 ★
Luz branca atravessa um filtro magenta. Que faixa é absorvida e que cor emerge? Um filtro ciano é então colocado atrás dele: o que emerge agora?
Solução
Solução de Exercício 11.3.
O magenta absorve a faixa verde: sai , luz magenta. O filtro ciano absorve então a faixa vermelha: sobrevive só — azul.
Exercício 11.4 ★
Sob luz branca, uma bandeira mostra uma faixa amarela. Que faixas ela difunde e quais absorve? Qual é a cor dela sob (a) luz vermelha; (b) luz azul?
Exercício 11.5 ★
O espectro contínuo de uma estrela tem pico em . Calcule a sua temperatura superficial.
Solução
Solução de Exercício 11.5.
.
Exercício 11.6 ★★
A chama de uma vela fica a cerca de . (a) Calcule e dê o seu domínio. (b) Ainda assim, a chama parece alaranjada: explique.
Solução
Solução de Exercício 11.6.
(a) : infravermelho.
(b) O espectro é contínuo: a sua cauda visível é pequena, mas não nula, e a ponta azul é a primeira a sumir — o que resta de visível é sobretudo vermelho-alaranjado, daí a cor da chama.
Exercício 11.7 ★★
Um ciclista veste uma jaqueta vermelha e luvas cianas. Usando o Método 11.8, dê a cor aparente de cada peça sob (a) luz branca; (b) luz vermelha; (c) luz verde.
Solução
Solução de Exercício 11.7.
Jaqueta (difunde V): (a) vermelha; (b) vermelha; (c) preta. Luvas (difundem Ve e A, absorvem V): (a) cianas; (b) pretas; (c) verdes.
Exercício 11.8 ★★
Uma rua antiga é iluminada por lâmpadas de sódio a baixa pressão (uma única linha em ). (a) Que tipo de espectro é esse, e que cores qualquer objeto pode assumir sob ele? (b) Um carro parece preto sob essas lâmpadas e azul à luz do dia: explique.
Solução
Solução de Exercício 11.8.
(a) Um espectro de emissão de linhas. Todo objeto só pode difundir ou nada: a rua fica em tons de amarelo-alaranjado e preto.
(b) O carro azul difunde apenas a faixa azul. A luz do dia a contém: carro azul. A linha do sódio não carrega azul algum: tudo é absorvido, e o carro parece preto.
Exercício 11.9 ★★
Uma caneta laser verde emite em . (a) O feixe dela atravessa um prisma: compare o resultado com o de um feixe branco e nomeie a propriedade ilustrada. (b) Em seguida ele encontra um filtro vermelho: o que sai?
Solução
Solução de Exercício 11.9.
(a) O feixe branco se abre num arco-íris; o feixe do laser é desviado, mas continua um único feixe do mesmo verde: ele é monocromático — um só comprimento de onda, e nada para o prisma separar.
(b) O filtro vermelho transmite apenas a faixa vermelha e absorve : quase nada sai; o ponto desaparece.
Exercício 11.10 ★★
Descreva o espectro de um LED branco (diodo azul mais fósforo) e explique por que a luz dele é percebida como branca. Por que um objeto vermelho intenso parece mais apagado sob um LED branco barato do que à luz do dia?
Solução
Solução de Exercício 11.10.
Espectro: um pico azul estreito perto de mais a faixa amarela larga do fósforo (grosso modo, de a ). Azul e amarelo são complementares, de modo que o trio dos cones se lê como branco. A faixa se apaga em direção ao vermelho intenso, e por isso um objeto vermelho intenso recebe pouca coisa que possa difundir: ele parece mais apagado do que à luz do dia, cujo espectro contínuo o alimenta por inteiro.
Exercício 11.11 ★★
Calcule para um corpo incandescente (a) à temperatura de cor de uma vela (); (b) à da luz do dia com céu encoberto (). Qual das duas luzes é chamada de “quente”? Comente.
Solução
Solução de Exercício 11.11.
(a) , infravermelho; (b) , azul-violeta. A luz da vela é a chamada de “quente” — a fonte de temperatura mais baixa: o vocabulário corre ao contrário da escala kelvin.
Exercício 11.12 ★★★
Uma lâmpada de sódio () e uma tela exibindo amarelo (subpixels em e ) têm exatamente a mesma cor. (a) Como se chamam duas luzes assim, e o que a existência delas prova sobre a cor? (b) Proponha duas experiências diferentes que as distingam e preveja o resultado de cada uma.
Solução
Solução de Exercício 11.12.
(a) Metâmeras. A existência delas prova que a cor é uma percepção — três respostas dos cones — e não o espectro em si: infinitos espectros levam ao mesmo trio.
(b) Prisma ou espectroscópio: uma linha em contra duas faixas em e . Filtro vermelho: ele absorve e o ponto de sódio escurece, enquanto o subpixel de da tela sobrevive — o trecho da tela fica vermelho.
Exercício 11.13 ★★★
Um refletor halógeno de teatro trabalha a . (a) Calcule : essa luz é mais quente ou mais fria do que a luz do dia? (b) Para imitar a luz do dia, cobre-se o refletor com uma gelatina azul-clara. O que a gelatina retira, e por que o palco fica mais escuro? (c) Explique por que gelatina alguma poderia, em vez disso, reforçar a ponta azul do espectro do refletor.
Solução
Solução de Exercício 11.13.
(a) . Temperatura de cor : mais quente (mais alaranjada) do que a luz do dia.
(b) A gelatina absorve parte do excesso de vermelho-laranja para reequilibrar o espectro em direção ao azul; como um filtro só retira luz, a potência total no palco cai.
(c) Um filtro é passivo: ele pode absorver em cada comprimento de onda, mas nunca emitir, de modo que gelatina alguma consegue elevar a intensidade do azul acima do que o refletor já produz.
Exercício 11.14 ★★★
Um açougueiro ilumina o balcão de carnes com LEDs de temperatura de cor ; a peixaria ao lado usa . (a) Descreva o tom de cada iluminação e o seu efeito sobre a carne vermelha e sobre o peixe branco. (b) Algum dos dois comerciantes mudou a sua mercadoria? Diga exatamente onde a mudança acontece (Definição 11.10).
Solução
Solução de Exercício 11.14.
(a) : luz quente, rica em vermelho — a faixa vermelha da carne é bem alimentada e a carne parece vividamente fresca. : branco azulado e frio — o peixe difunde o trio completo e parece branco e brilhante, recém-saído do gelo.
(b) Nenhum dos dois mudou a mercadoria: os hábitos de absorção da carne e do peixe continuam intactos. O que mudou foi a iluminação e, portanto, a luz difundida — a cor de um objeto só se define sob uma dada iluminação.
Exercício 11.15 ★★★
Uma cidade vizinha a um observatório precisa reformar a iluminação das ruas e hesita entre lâmpadas de sódio a baixa pressão e LEDs brancos de espectro largo. (a) Que escolha os astrônomos preferem, e por quê? (Pense no que um único filtro consegue retirar das imagens deles.) (b) Que escolha motoristas e pedestres preferem? Justifique com as cores dos objetos. (c) Proponha um meio-termo, formulado em temperatura de cor.
Solução
Solução de Exercício 11.15.
(a) O sódio: todo o brilho da cidade fica numa única linha em , que um único filtro estreito retira das imagens do telescópio. Um espectro largo de LED não pode ser filtrado sem descartar junto a luz das estrelas.
(b) Motoristas e pedestres preferem o LED: sob o seu espectro completo os objetos mantêm cores distinguíveis (um casaco vermelho continua vermelho), ao passo que a luz de sódio deixa tudo amarelo-alaranjado ou preto.
(c) LEDs de branco quente, em torno de : reprodução de cores aceitável para a rua e espectro pobre na ponta azul, que é a parte que mais polui o céu noturno.
11.7 Problema: engenharia da cor
Problema 11.1
Problema de fim de semana — luzes de palco, ruas de sódio e o LED branco: como a cor é projetada, de três refletores capazes de pintar qualquer tom ao chip que ilumina esta página
Um iluminador de teatro só tem refletores vermelho, verde e azul; um engenheiro de iluminação pública só tem uma lâmpada que emite um único comprimento de onda; um fabricante de chips só tem um diodo que brilha em azul. Os três vendem cor. Este problema percorre os ofícios deles, um a um — mistura aditiva no palco, economia monocromática na rua, alquimia de fósforo no chip — e termina escolhendo a luz de um quarto e a de uma vitrine de joalheria.
Parte I — O palco: pintar com três refletores.
- Os três refletores se sobrepõem num fundo branco. Diga a cor de cada sobreposição de duas luzes e a da sobreposição das três.
- Como o iluminador faz laranja? E um rosa-claro? (Descreva as potências dos refletores qualitativamente.)
- Uma bailarina se coloca diante do fundo, iluminada apenas pelos refletores vermelho e verde. Aparecem duas sombras coloridas: qual é a cor de cada uma? Explique.
- O fundo é repintado de azul-escuro. Como ele fica sob o refletor vermelho sozinho? E sob os três?
- Por que três refletores conseguem reproduzir “quase todas” as cores? Que peça da anatomia fixa o número três?
Parte II — Os figurinos: a subtração em ação.
- Um figurino é amarelo sob luz branca. Que faixa o corante dele absorve?
- Preveja a cor dele sob o refletor vermelho, sob o verde e sob o azul.
- O iluminador quer que o figurino passe de brilhante a preto num único toque de interruptor. Para que refletor o toque muda?
- Uma gelatina magenta é colocada diante de um refletor branco que ilumina o figurino amarelo. Acompanhe as faixas (Método 11.8): qual é a cor do figurino?
- Por que as gelatinas de palco vêm em ciano, magenta e amarelo, e não em vermelho, verde e azul? (O que uma gelatina vermelha faria com a potência de um refletor branco?)
Parte III — Ruas de sódio: a economia monocromática.
- Uma lâmpada de sódio a baixa pressão emite essencialmente uma linha em . Que tipo de espectro é esse, e como a rua inteira aparece sob ele?
- Sob essa lâmpada, dê a cor aparente de uma parede branca, de uma faixa amarela de sinalização, de um carro vermelho e de um carro azul.
- Por que os astrônomos adoravam essas lâmpadas? (O que um único filtro pode fazer com o brilho da cidade inteira?)
- Propõe-se, em vez disso, uma lâmpada de rua de tungstênio a . Calcule o seu : para onde vai a maior parte da potência dela?
- A lâmpada de sódio converte cerca de da sua potência elétrica em luz visível, e a de tungstênio, cerca de . Quantos watts de luz cada uma entrega por de potência?
Parte IV — O LED branco e a escolha de uma luz.
- Um LED branco é um diodo azul () sob um fósforo amarelo. Explique, com as cores complementares, por que a saída dele se lê como branca.
- Descreva o espectro dele e compare-o com o espectro contínuo da luz do dia. Que faixa está sub-representada?
- Deduza que objetos um LED desses reproduz mal e ligue isso ao açougueiro do Exercício 11.14.
- Uma lâmpada de LED é vendida como “”. Há alguma coisa dentro dela a ? O que o rótulo promete? Calcule o do corpo incandescente que ela imita.
- Final — escolha, com uma frase de justificativa cada, uma temperatura de cor para a lâmpada de um quarto e outra para a vitrine de uma joalheria; depois enuncie a lei da cor deste capítulo em uma linha.
Solução
Solução de Problema 11.1.
1. V Ve amarelo, V A magenta, Ve A ciano; a sobreposição das três é branca.
2. Laranja: vermelho a plena potência, verde a potência parcial, azul apagado. Rosa-claro: os três acesos (base branca) com o vermelho levemente dominante.
3. A sombra projetada em relação ao refletor vermelho recebe apenas o refletor verde: sombra verde; simetricamente, a outra sombra é vermelha.
4. A tinta azul-escura difunde só A. Sob o refletor vermelho sozinho: preta. Sob os três: ela difunde a faixa azul — azul.
5. O olho reduz qualquer espectro a três respostas dos cones; igualar o trio já basta para igualar a cor. Os três tipos de cone fixam o número de refletores.
6. Amarelo branco azul: o corante absorve a faixa azul.
7. Refletor vermelho: difunde V — vermelho. Refletor verde: difunde Ve — verde. Refletor azul: absorve tudo — preto.
8. Ilumine a cena só com o refletor azul; o toque é de branco azul. O figurino amarelo difunde V e Ve, mas absorve A: brilhante sob o branco, preto sob o azul.
9. Gelatina magenta: . O figurino difunde V e Ve do que recebe: ele difunde V e absorve A — figurino vermelho.
10. Uma gelatina vermelha conserva uma faixa de três e joga fora dois terços da potência do refletor branco; já cada gelatina C, M ou Am retira uma única faixa, conserva dois terços, e empilhar duas delas ainda assim entrega qualquer primária.
11. Um espectro de emissão de linhas. A rua vira um mundo monocromático: toda superfície fica amarelo-alaranjada, mais apagada ou mais viva, ou preta.
12. Parede branca: amarelo-alaranjada (difunde a linha). Faixa amarela: amarelo-alaranjada e viva. Carro vermelho: escuro — a linha de fica fora da faixa que ele difunde. Carro azul: preto.
13. Um único filtro estreito centrado em retira de uma imagem todo o brilho da cidade sacrificando quase nada do espectro largo das estrelas.
14. : o pico, e a maior parte da potência, fica no infravermelho — calor, não luz.
15. Sódio: de luz visível; tungstênio: . Seis vezes mais luz pela mesma conta.
16. O fósforo converte parte do azul numa faixa amarela larga; azul e amarelo são complementares, de modo que azul amarelo completa o trio: branco.
17. Um pico azul estreito mais uma corcova amarela larga — contra o contínuo uniforme da luz do dia. A ponta do vermelho intenso (e uma depressão entre o azul e o amarelo) fica sub-representada.
18. Os objetos de vermelho intenso saem apagados e amarronzados. Daí os LEDs quentes de do açougueiro, cujo conteúdo reforçado de vermelho mantém a carne viva.
19. Nada lá dentro está a : o chip funciona perto da temperatura ambiente. O rótulo promete apenas o tom de um corpo incandescente a , cujo pico ficaria em .
20. Quarto: cerca de — luz quente e pobre em azul, para descansar. Joalheria: a — branco parecido com a luz do dia, para que os brancos se leiam brancos e as pedras devolvam todas as faixas. A lei: cor percebida espectro da fonte absorção do objeto, lido através de três cones.