Ao longo de nossa evolução, desenvolvemos uma forma muito eficiente de detectar a luz: nosso olho. Esse órgão nos permite enxergar formas e cores de maneira ímpar. O que denominamos luz no cotidiano é, de fato, uma onda eletromagnética que não é muito diferente, por exemplo, das ondas de rádio ou micro-ondas, usadas em comunicação via celular, ou dos raios X, empregados em exames médicos.
O que distingue os tipos de onda eletromagnética é a quantidade de energia que elas transportam, usualmente especificada pela grandeza chamada comprimento de onda. Nosso olho se desenvolveu para ser sensível à luz solar na superfície terrestre, e, por isso, enxergamos a luz visível, que é uma diminuta fração do chamado espectro das ondas eletromagnéticas (ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X e raios gama). A luz visível tem comprimento de onda na casa de centenas de nanômetros (nm, ou seja, bilionésimos de metro). Mais especificamente, entre algo em torno de 400 a 700 nm.
Outro aspecto fundamental da evolução: o desenvolvimento da percepção de cores. Embora o comprimento de onda da luz possa ser associado a cores – 400 nm (azul), 500 nm (verde) e 650 nm (vermelho) –, vale dizer que ‘cor’ é uma interpretação de nosso cérebro. Por exemplo, a combinação de luz azul, verde e vermelha é interpretada por nosso cérebro como sendo a cor branca. Mas esta é diferente da luz branca solar, que contém todos os comprimentos de onda na faixa visível.
A necessidade de enxergar à noite ou em locais escuros (caça, moradia, afugentar animais etc.) levou ao desenvolvimento de fontes de iluminação artificial. Os primeiros humanos recolhiam restos de queimadas naturais, mantendo as chamas em fogueiras. Posteriormente, descobriu-se que o fogo poderia ser produzido ao se atritar pedras ou esfregar madeiras, dando o primeiro passo rumo à tecnologia de iluminação artificial.
A necessidade de transporte e manutenção do fogo levou ao desenvolvimento de dispositivos de iluminação mais compactos e de maior durabilidade. Assim, há cerca de 50 mil anos, surgiram as primeiras lâmpadas a óleo, feitas a partir de rochas e conchas, tendo, como pavio, fibras vegetais que queimavam em óleo animal ou vegetal. Mais tarde, a eficiência desses dispositivos foi aumentada, com o uso de óleo de tecidos gordurosos de animais marinhos, como baleias e focas.
As lâmpadas a óleo têm eficiência de aproximadamente 0,1 lúmen/watt (0,1 lm/W). Lúmen é a unidade de fluxo de energia luminosa, e watt, a unidade de energia por unidade de tempo (potência). Portanto, 0,1 lm/W significa que, para cada watt produzido (no caso, pela queima do óleo), é gerado 0,1 lúmen de fluxo luminoso (no caso, de luz visível).
Gás e eletricidade
As lâmpadas a óleo não eram adequadas para iluminação de áreas maiores (ruas, praças etc.), o que motivou o surgimento das lâmpadas a gás. A iluminação a gás foi desenvolvida pelo engenheiro escocês William Murdoch (1754-1839), que, em 1792, iniciou experimentos para a produção de gás obtido por meio da destilação do carvão mineral. Esse gás poderia ser transportado por tubulações ao local de consumo e inflamado para produzir luz. Em 1794, Murdock iluminou sua casa com lâmpadas a gás, o que é considerado o primeiro uso prático dessas lâmpadas para iluminação (ver ‘Gaseificação, o retorno’ em CH 325).
- Ao engenheiro escocês William Murdoch é atribuída a invenção da iluminação a gás. (imagem: Wikimedia Commons)
O domínio da tecnologia de geração de energia elétrica e o entendimento de efeitos associados à passagem de corrente elétrica em materiais viabilizaram o desenvolvimento de novas tecnologias de iluminação. As primeiras lâmpadas elétricas foram as lâmpadas de arco voltaico, cujo princípio foi demonstrado pelo químico britânico Humphry Davy (1778-1829). Nelas, uma faísca (ou arco elétrico) entre duas hastes de carbono (eletrodos) faz com que haja a liberação de gases. A corrente elétrica estabelecida através do gás provoca a ionização do mesmo, gerando um plasma (gás ionizado), que emite luz. No entanto, a contínua evaporação dos eletrodos limita a durabilidade desse tipo de lâmpada.
Em 1802, Davy construiu a primeira fonte luminosa incandescente, na qual a corrente elétrica atravessava um filamento de platina, aquecendo-o até emitir luz visível. A partir daí, outros inventores construíram lâmpadas semelhantes, mas todas apresentavam durabilidade reduzida, devido à evaporação do filamento.
A primeira patente de lâmpada incandescente de maior vida útil foi depositada, na Inglaterra, pelo físico e químico britânico Joseph Swan (1828-1914), em 1878. As lâmpadas de Swan – contendo um filamento de celulose carbonizada, acondicionado em um bulbo de vidro evacuado – chegaram a ser instaladas em residências e pontos de referência na Inglaterra. No ano seguinte, o inventor e empresário norte-americano Thomas Edison (1847-1931) construiu e patenteou, nos EUA, uma lâmpada similar à de Swan, cuja duração média chegava a 13,5 horas. Logo depois, Edison propôs o uso de filamentos de bambu carbonizado, garantindo durabilidade de cerca de 1,2 mil horas à sua lâmpada.
Os filamentos de carbono começaram a ser substituídos por metálicos no início do século 19, culminando no uso de tungstênio flexível, desenvolvido pelo físico norte-americano William Coolidge (1873-1975), em 1910. Esses filamentos, além de serem bem mais baratos que os de platina, eram muito mais resistentes que os de fibra de celulose e podiam atingir temperaturas de até 3 mil graus Celsius, produzindo luz com características mais próximas às da luz solar.
As lâmpadas de tungstênio modernas podem durar até 2 mil horas, mas têm baixa eficiência (cerca de 15 lm/W) e baixo rendimento (5%) – só 5% da energia elétrica fornecida à lâmpada é transformada em luz visível. Por causa do baixo rendimento, desde 2012, a União Europeia decidiu abolir as lâmpadas incandescentes. No Brasil, essa medida passa a vigorar a partir deste ano, sendo que, desde 2013, tem sido proibido fabricar ou importar lâmpadas incandescentes de 100 W e 150 W.
As lâmpadas halógenas (variação das de tungstênio) têm o bulbo preenchido com gás halogênio (geralmente, iodo ou bromo). Na concentração, pressão e nas temperaturas adequadas, o gás reage com o tungstênio evaporado do filamento e provoca a reprecipitação desse metal, o que aumenta a vida útil da lâmpada. Esse processo também permite aumentar a corrente elétrica através do filamento, produzindo luz com maior intensidade e mais parecida com a luz solar.
Eduardo Ribeiro de Azevedo
Luiz Antonio de Oliveira Nunes
Instituto de Física de São Carlos,
Universidade de São Paulo
