A física dos faróis de xenon

Hoje mesmo, no “O Globo” saiu uma reportagem sobre os faróis de xenon, aqueles mais luminosos e alguns azulados que tem em carros de playboy e outros mais abastados (espero entrar no grupo, um dia). Uma discussão comum é que, para os faróis, “quanto mais K, menos ilumina”. O K aqui é de Kelvin, unidade de temperatura (não use graus kelvin). Para se ter uma idéia do que estou falando, veja a figura abaixo

Como mostra a figura acima, quanto maior a “temperatura da luz”, maior a luminosidade, medida em lumens. Por que isto ? Veja, na figura acima, a marca de “luz do dia”. É por volta de 5700K. Esta é a temperatura próxima a estimada para a superfície solar. A explicação disto tudo se resume na “radiação de corpo negro”. O Sol é um corpo negro 8-O. O Universo é um fantástico corpo negro 8-O. Um corpo negro perfeito é aquele que absorbe toda a radiação que recebe. Como não há reflexão, o corpo aparece como preto, quando frio. Quando aquecido ele emite radiação. Quanto maior a temperatura, maior a frequência da radiação (lei de Wien) e menor o comprimento de onda. Veja a figura abaixo, da Wikipedia:

Comprimentos de onda maiores que o vermelho (e frequências menores) estão na região do infra-vermelho e comprimentos maiores que o violeta são o ultra-violeta (note que infra- e ultra- se referem às frequências, não ao comprimento de onda). Portanto, para os místicos, lamentamos informar que o arco-íris não tem sete cores, mas um conjunto contínuo de comprimentos de onda. O interessante é que todo corpo negro que irradia, tem o mesmo espectro, só depende da temperatura. É por isto que aumentando a temperatura de uma barra de ferro, observamos a variação de cor, do vermelho até o branco (e até mais dependendo do que você usa para aquecer). A 300K, isto é, na temperatura ambiente (não em Niterói ou Cuiabá), a radiação mais provável é infravermelha ou térmica: por isto que na torcida do Flamengo sentimos o “calor humano”, pois este é irradiado e atinge as redondezas. Na do Botafogo é mais difícil sentir o efeito, exceto quando todos os 16 se juntam em um fusquinha.

Em temperaturas mais altas, a radiação emitida pode cair na faixa da radiação visível. Assim é que distinguimos um pedaço de ferro pintado de vermelho e outro pedaço em brasa: leve os dois para um quarto escuro, o que brilhar é o de temperatura mais alta (sem discussões sobre o que deveríamos realmente fazer em quarto escuro). Curioso: o que chamamos de visível é exatamente a temperatura da superfície solar. Vocês poderiam pensar: “veja só como a Natureza é perfeita: nossos olhos foram criados e projetados para enxergar melhor a luz que vem do Sol! Que admirável trabalho de engenharia e arquitetura biológica”. Nada disto: nossos olhos foram adaptados pela Evolução e Seleção Natural para enxergarmos melhor nesta faixa. E veja como funciona a Co-evolução: outras espécies presas do homem (ou outros predadores diurnos), passaram a ter vantagem ao enxergar no infravermelho (isto é, enxergando o calor emitido pelos corpos quentes) e saindo à noite. Por que não enxergamos no infra-vermelho também? Simples: não há vantagem adaptativa ao enxergar no infravermelho, principalmente depois que dominamos o fogo. Para enxergar no infra-vermelho, a performance no visível iria cair pois teríamos mais informação a ser tratada. Nossos cones são de três tipos, animais que enxergam também no infra-vermelho precisam de mais deles. Aí entra em campo a primeira lei da termodinâmica: conservação de energia. Você tem que tirar de algum lugar para colocar em outro. No infra-vermelho, você não distinguiria, por exemplo, plantas/frutas de cores diferentes onde uma é venenosa. Lembrem-se que coloração ostensiva é frequentemente sinal de alerta. Para enxergar no infra-vermelho, seu estômago deveria ser adaptado para digerir o que é venenoso para nossos estômagos atuais.

Afinal, e os faróis de xenon? Vejam as lâmpadas incandescentes e os faróis halógenos: como a luz é amarelada, elas estão em temperatura mais baixas, mas podem ser menos eficientes, emitindo radiação no infra-vermelho (esquentam muito). Controlando a temperatura de emissão, controlamos a cor da luz. O problema é que em temperaturas mais altas, nossos olhos não são tão eficientes para aqueles comprimentos de onda. Então não é porque com maior K, os faróis emitem menos: são nossos olhos que não conseguem captar, com a mesma eficiência, aqueles comprimentos de onda. Mas porque que em 6000K a luz parece branca ? Por que aí é o máximo de absorção de nossos olhos, para todas as frequências, enxergamos eficientemente todos os comprimentos de onda e a soma deles dá a luz branca. Assim, a medida que um corpo irradia em temperaturas cada vez mais altas, a cor do mesmo vai de vermelho para amarelo para o branco para o azul e o violeta. Por que o sol não é branco, mas amarelo, então? Porque o azul da luz solar foi espalhado na atmosfera (dando a cor azul do céu) e quando retiramos azul, os objetos parecem amarelados.

Apenas para curiosidade: foi a discussão do problema da emissão do corpo negro que deu origem à Mecânica Quântica: a idéia de Planck sobre a existência dos quanta e posteriormente inspirou Albert Einstein na explicação do efeito fotoelétrico, levando a idéia dos fótons (quanta de luz).

Discussão

Fernando IkeFernando Ike, 12/Nov/2008 18:26

Execelente nota. Já acho divertido física e assim fica mais ainda. :)

Renato MachnievsczRenato Machnievscz, 12/Nov/2008 22:52

Interessante! Pena que os idiotas que colocam aquelas lâmpadas chinesas com luz azul, e evidentemente os que deveriam fiscalizar, não conhecem física. O farol de xenon, além do comprimento e temperatura diferentes dos convencionais, também tem um conjunto óptico preparado para proporcionar um maior alcance. Talvez seja isto que confunda os usuários que acham que o xenon “ilumina” mais.

Bom artigo, Thadeu.

Mr. NMr. N, 22/Dec/2008 22:54

talvez falte alguma informação pra vc!! o aumento do campo de iluminação do xenon diminue e acordo com o aumento de K ex: 6000k(luz branca) ilumina menos do q 5000k(luz branca amarelada) e assim em diante! lembrando a vc tbm q a philips velha conhecida fabricante de lampadas tbm produz xenon!e ñ é da china se vc utilizar um xenon de 4200k ele ilumina muito mais do q uma lampada halógena de 4200k devido a tecnologia q utiliza GAZ o sistema xenon tem potência cerca de duas vezes maior e o consumo é de 35 watts. Os faróis de xenon são equipados com lâmpadas de descarga por gás, o gás xenônio. Quando a eletricidade o aquece, produz luminosidade. Já os halógenos, os mais comuns, têm um filamento que é aquecido e emite luz quando a corrente elétrica passa por ele e gastam até 55 watts.

só estou respondendo isso pq gosto de informar e ser informado!nada mais! (EXELENTE ARTIGO THADEU pena q entendo mais de faróis do q de física)

Thadeu PennaThadeu Penna, 22/Dec/2008 23:01

Olá Mr. N.

Eu não disse que o farol de xenon ilumina menos que o halógeno. O que eu tentei explicar no post é que a sensação que o xenon cuja temperatura é a mais próxima da temperatura da superfície do sol (6500K) ilumina mais, vem das características do olho humano (que chegou a este estado graças a evolução e seleção natural). Como você mesmo colocou, a potência é a mesma para os xenons. Note que a expressão “quanto mais K (temperatura), menos ilumina” está entre aspas, pois é o que a gente encontra em fóruns de carros, mas não corresponde à realidade, como o seu excelente exemplo mostrou.

Obrigado pela colaboração e continue visitando o blog :)

CaetanoCaetano, 18/Nov/2008 21:55

Nossa, acordou inspirado…

Ótimo post

[]s

ClaudineiClaudinei, 19/Nov/2008 13:08

Parabéns pelo artigo, é muito esclarecedor!

Luiz Carlos de AlmeidaLuiz Carlos de Almeida, 24/Mar/2009 10:34

A CATÁSTROFE DO ULTRA VIOLETA

Quem determina a cor do corpo são os núcleos atômicos, presentes na superfície deste corpo, não ocorrendo nenhum processo de absorção das radiações eletromagnéticas. Mas pela visão da física clássica, um corpo recebia uma cor branca (considerada união de todas as cores) e refletiria uma única cor e as demais seriam absorvidas pelo próprio corpo, assim acreditava-se que, o preto, seria um corpo que continha as radiações absorvidas em seu interior e quando fosse aquecido deveria, então, emitir tais cores (radiações) e sendo um corpo negro estas radiações seriam emitidas pelos elétrons e absorvidas constantemente pela paredes deste corpo negro, o que experimentalmente foi catastrófico para a teoria clássica vigente. O Problema da emissão das radiações de um corpo Negro (Preto) na visão da física Quântica: Basicamente, um corpo negro é um corpo com um buraco, por onde emitirá radiação quando for aquecido. Aliás, muitos corpos podem emitir radiação como um corpo negro (inclusive o nosso). Se a cavidade for aquecida, emitirá radiação através do buraco. Quanto mais quentes as paredes da cavidade, maior a intensidade da emissão. No entanto, além do brilho, muda a cor (freqüência) da radiação. O problema para os físicos foi prever e explicar quantitativamente essas mudanças de intensidade e freqüência. O problema não era a medição experimental. A dificuldade estava em encontrar uma equação que correspondesse à curva dos dados experimentais.

A Teoria: “A equação foi derivada e recebeu o nome de equação ou lei de Rayleigh-Jeans (seus descobridores). A intensidade I da luz é: 8pkT I=———— l4 Onde k é a constante de Boltzman, T é a temperatura e l é o comprimento de onda. e que p » 3,1415926536 No entanto, a equação estava errada, pois, o comprimento de onda estava no denominador, o que significa que quando a freqüência aumentasse (comprimentos de onda mais curtos), a intensidade também aumentaria indefinidamente. Assim, quando entrássemos no espectro do ultravioleta, a curva acabaria violando a lei da conservação da energia. Isso é chamado de “catástrofe ultravioleta”. Outros cientistas tentaram resolver o problema da catástrofe do ultravioleta, mas foram mal sucedidos. Porém, foram registrados alguns sucessos intermediários, como a lei de Wien e a lei de Stefan-Boltzman. Enfim, Max Plank solucionou o problema. A lei ou equação de Plank é: 8ch I= 5 (e ch / kT - 1) Onde c é a velocidade da luz e e é a constante matemática 2,782818…(Na verdade, é o limite com x tendendo a ± ¥ de (1 + 1/x)x. h é a constante de Plank, cujo valor é 6,6257 x 10 -34. Há um detalhe revolucionário nesta equação: a constante h. Ela define um limite inferior definido e finito para as gradações da energia emitida por átomos distintos. “Segundo a física clássica, a energia irradiada por dois átomos em equilíbrio entre si poderia ser tão pequena quanto quiséssemos. A lei de plank fornece o limite inferior para essa diferença. Plank introduziu a sua hipótese das variações quantizadas. Pode-se seguir a lei Rayleigh-Jeans e então introduzir a hipótese de Plank e assim obter a lei de Plank. Caso contrário, acontece a catástrofe do ultravioleta. Todavia, a hipótese de Plank violou as leis físicas conhecidas, por isso generalizou-se o sentimento de que era necessário rever alguma coisa nas interpretações e nos conceitos então aceitos”.

O Problema da emissão das radiações de um corpo Negro (Preto), na visão do Novo Modelo Nuclear: A catástrofe do ultra violeta, foi que experimentalmente, não houve relação entre o que acontecia e o que a física clássica previa, pois, quando um corpo negro, com um espaço interno e com um pequeno furo, por onde sairia as radiações, era aquecido, em proporção ao aumento da temperatura, pela teoria clássica, nas emissões e absorções, este corpo deveria emitir radiações abaixo do vermelho, mas o que ocorria era que, as radiações aumentavam de freqüência (energia cinética – velocidade) passando de infra vermelho, para vermelho depois para amarelo depois para branco depois para azul. Assim, este experimento mostrou que na realidade à medida que se aumentava a temperatura este corpo emitia freqüências maiores (até um certo nível ) não liberando as freqüências como predizia a teoria da física clássica, que acreditava que nas paredes internas ocorreriam emissões e absorções das radiações. Isto ficou conhecido como a catástrofe do ultra violeta. Então o problema foi resolvido, pela teoria de Max Plank (utilizada por Einstein, para a sua teoria de fótons), que dizia que, os elétrons dentro deste corpo emitiam raios com quantias específicas de energia, que foi aceito e por esta teoria a física quântica construiu mais uma de suas bases científicas. Críticas à Teoria da Quantização da Energia (por elétrons), de Marx Plank e Albert Einstein (Fótons): Um corpo(negro) preto, quando reflete qualquer radiação incidente, reflete radiações características, abaixo do vermelho, sendo assim, o olho humano não consegue ver tais radiações, pois, estas radiações não se propagam em movimento retilíneo, nos apresentando como um corpo preto. Os corpos que refletem radiações abaixo do vermelho, são corpos, que por possuírem uma massa atômica muito elevada, possuem, por este motivo, uma baixa força de união entre os elétrons e posítrons, de seus prótons e nêutrons. Assim, um corpo preto, sem aquecimento já possui um espectro de radiação, dado pela reflexão, abaixo da radiação do vermelho, mas quando é aquecido, aumenta as vibrações entre elétrons e posítrons, ocorrendo o processo de aniquilação entre estes elétrons e posítrons destes núcleos, pois, estes elétrons e posítrons recebem energia térmica que é transformada em energia cinética, aumentando a sua capacidade de emitir radiações com freqüências maiores, e à medida que a temperatura aumenta, também aumenta a energia cinética nestes núcleos, e os mesmos emitem radiações com maior velocidade passando de infra vermelho , para o vermelho, do vermelho para o amarelo, do amarelo para o branco e do branco para o azul, mas quando vai subindo a velocidade de emissão das ondas eletromagnéticas vai também aumentando a força de União entre os posítrons e elétrons do núcleo (pela diminuição do número de elétrons e posítrons – massa nuclear), fazendo com que diminua a emissão de ondas de maiores freqüências, assim, no fenômeno chamado de a catástrofe do ultravioleta, não ocorre como é explicado pela Teoria Clássica e nem pela Teoria de Marx Plank, e utilizada por Albert Einstein (Teoria da Física Quântica), porque os elétrons não possuem um limiar de emissão de radiação eletromagnética, pois o fenômeno não está relacionado com a eletrosfera e sim com o núcleo atômico, que possui características próprias para a reflexão das radiações incidentes e para as emissões provocadas por aniquilações entre posítrons e elétrons da superfície de seus prótons e nêutrons. Assim a Teoria da quantização da energia de Plank/Einstein não acontece da forma explanada.

Luiz carlos de Almeida - Brasília - DF luiz1611@hotmail.com

tjpptjpp, 25/Mar/2009 00:56

Oi Luiz Carlos

A chamada “catástrofe do ultra-violeta” só foi notada depois da idéia de Planck. Foi Paul Ehrenfest, em 1911, que usou o termo pela primeira vez, mas os resultados são conhecidos desde 1905. O artigo de Planck é de 1900. O núcleo não emite no visível, mas sim raios-X e gamas.

asdrubal ermenegildo romeuasdrubal ermenegildo romeu, 23/Feb/2010 01:20

claro!

wagnerwagner, 30/Jul/2011 16:48

alguem sabe me explicar porque que os farois dos carros mais novos mudam de cor como os lad rovers,audi,e ate mesmo o meu passat?

FelipeFelipe, 12/Sep/2011 02:01

Wagner, a alteração de cor a qual vc se refere, na verdade, ocorre apenas na superfície do refletor superelipsoidal (deduzo que nós vemos a combinação das diferentes temperaturas/frequencias/comprimentos de ondas - resumindo, cores - na superfície do refletor. Assim elas se unem através da reflexão proporcionada pelo farol superelipsoidal e promovem uma iluminação de uma cor única - eu estou deduzindo isso, por favor me corrijam se eu estiver errado!!!!). Portanto, o fato é que se vc olhar p/ onde o farol está iluminando, a cor refletida dos objetos não se altera, sendo assim a luz do farol não muda de cor.

RuffosRuffos, 15/Sep/2011 16:30

Cada policial poderia andar com um martelo ou uma marreta na viatura, e quando visse um carro ou moto com xenon, pararia o indivíduo e educadamente avisaria, não precisa sair do carro senhor. E com toda fúria quebraria as 2 lanternas do miserável.

Já não chaga o povo de farol alto ou resregulado andando para cima e para baixo agora tem essa droga de xenon.

PatriciaPatricia, 15/Sep/2011 23:46

Aprovado Ruffos ! ! !

Povo sem um pingo de senso.

GlaubertGlaubert, 23/Nov/2011 02:15

Pode-se dizer então que se compararmos as lâmpadas quanto à temperatura, aquela que irá iluminar mais no infravermelho seria a que possui valor mais próximo à linha “luz do dia” (entre 5000l e 6000k) ? … uma pequena dúvida.

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