Eletrônica Vintage. Fotômetro Antigo. História do Fotômetro e da Fotometria.


Moderno Fotômetro Digital Sekonic Flashmate L-308S.
Moderno Fotômetro Digital Sekonic Flashmate L-308S. Fonte da imagem: fotometro.online.

Autor: Alberto Federman Neto, AFNTECH.

Ampliado e Atualizado em 17 de Junho de 2021.

Este artigo mostra um antigo fotômetro meu, dos anos 50, e também a História da Fotometria e do Fotômetro. E  inclui alguns testes e medidas feitas com ele.

A imagem que ilustra este Artigo, é um Fotômetro moderno, marca Sekonic, Japão, Produzido pela Seiko Electric Industries Co., Ltd., hoje Sekonic Corporation.

1. INTRODUÇÃO:

Chamamos “Fotômetros” ou “Exposímetros” a alguns aparelhos para medir a intensidade da luz incidente, absorvida ou refletida, em um ambiente.

Já os “Luxímetros” medem a Luminância, Link 11, 12, intensidade ou a energia de uma fonte de luz no ambiente, diretamente dessa fonte. Links: 7, 8, 9, 10. Por motivo de semântica, às vezes, luxímetros e fotômetros são confundidos.

Unidades de Medida. Nos Luxímetros, usa-se o Lux, Um Lux, equivale a 1  Watt de luz por Metro Quadrado, ou a um Lúmen por Metro Quadrado. SI de Unidades.

Já nos Fotômetros,  as unidades usadas são Inglesas ou Americanas. Lúmen por Pé Quadrado, Chamada tambémVela de Pé” ou “Pé de Vela” (Foot-Candle)

Assim, resumindo, a unidade métrica é o Lux (lúmen por metro quadrado), mas os fotômetros, usam medida Anglo-Americana, Lúmens por Pé Quadrado, chamados “Pés de Vela“. Links: 3, 4, 5, 6.

1 Lúmen por Pé Quadrado (Lm/ft²) equivale a aproximadamente 10,764 Lux. Links: 13, 14, 15, 16. 17. Pode-se calcular facilmente, link 23, 26, 38, 39,40,  mas há vários conversores e calculadores  online. Links: 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37.

Existem fotômetros especiais para doseamento de substâncias químicas e, para medida de intensidade de cor. Mas neste artigo, falamos especificamente dos fotômetros de uso fotográfico.

Fotômetros, portanto,  são aparelhos para medir a intensidade de luz de um ambiente, para medir a exposição fotográfica, Exposímetros. Há diversas marcas e modelos. Links 1, 2.

2. HISTÓRIA DA FOTOMETRIA E DO FOTÔMETRO:

Uma breve História das medidas de luz. Ela envolve várias medidas, por exemplo da velocidade da luz etc… Links: 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51.

Mas neste Artigo, trataremos especificamente das medidas da intensidade de luz e dos fotômetros.

Fotômetro de Rumford:

Antes dos meios eletrônicos, a  intensidade da luz era medida por métodos visuais comparativos. Entre uma luz padrão e a luz a ser medida.

O primeiro a medir a intensidade de luz, foi o Anglo-Americano Capitão, Sir, Benjamin Thompson, Contador Rumford. Em 1794. Foi o que se chamou “Fotômetro de Sombra” ou “Fotômetro de Rumford”. Links: 52, 53, 54, 55. 65. 66.

Ele era um Militar, Físico e Inventor autodidata. Nasceu nos EUA, mas por não ter apoiado a luta pela Independência Americana, era considerado de cidadania Inglesa.

O nome “Contador Rumford” é porque ele acreditava que o calor a luz eram formas de movimento, então se podia localizá-las em um local (Rumford Fireplace) e medi-las. Link 56. THOMPSON, B. Phil. Trans. Roy. Soc.  88, 80 (1798). Link 57.

Ele comparava o brilho da sombra produzida pela luz de uma vela de espermacete de baleia, tomada como unidade, com o brilho da sombra da fonte de luz a ser medida. Link 58. THOMPSON, B. Phil. Trans. Roy. Soc. 84, 67 (1794).

A vela que ele tomou como padrão de luz,  daria origem a uma unidade de luz, a “Candela“. No Brasil chamada “Vela”, por isso nossos avós diziam “lâmpada de 25 velas”, invés de “lâmpada de 25 Watts”. Meu Artigo sobre a História e os tipos de lâmpadas elétricas.

Fotômetro de Ritchie:

Devido ao Físico Escocês Willian Ritchie, em 1825. RITCHIE, W. Phil. Trans. Roy. Soc. London, 115, 141 (1825)

O aparelho original era complexo, mas a ideia é que a luz da amostra e do padrão, era absorvida por um “Corpo Negro” feito de papel preto e gerava calor, que era medido.

Uma variante empregava uma câmera escura, e comparava as sombras produzidas pelas luzes em uma cartolina branca. Links: 58, 59, 60. 61, 62, 63, 64. 67.

Fotômetro de Extinção de Sombra:

Uma sombra produzida por um objeto opaco, desaparecia, quando uma luz padrão incidia, em um ângulo e distância adequados, e a distância da fonte de luz padrão era medida e comparada. Ainda são usados como Fotômetros Astronômicos. Link: 68. 69, 70, 71, 72.

O método foi inventado e descrito pelo Químico, Fotógrafo e Astrônomo Inglês Willian de Wiveleslie Abney. Em 1892. ABNEY, W.D.W.; FESTING, E.R. Phil. Trans. Roy. Soc. London A, 183, 531 (1892). HAYCRAFT, J.B. J. Physiol. 21, 126 (1897).

Ele se baseou em alguns aparelhos e métodos que eram usados em Química, como os Fotômetros de Chama de Bunsen e Kirchoff  (vefa Item 3 neste Artigo) e os polarímetros, que dariam origem aos fotocolorímetros (antecessores do espectrofotômetros).

Há muitas referências, veja aqui. Links: 73, 74, 75, 76. 77.

Fotômetros Eletrônicos.

Em 1839, o Físico e Químico Francês Alexandre Edmond Becquerel , descobriu que a luz interagia com placas metálicas recobertas com sais de prata e  alterava a condutividade elétrica de células eletroquímicas. BECQUEREL, A.E. Comp. Rend. Sceanc. Acad. Scienc. Paris 9, 561 (1832). Estavam descobertos os Efeito Fotovoltaico, e o Efeito Fotoelétrico. link 165.

Em 1887, o Físico Alemão Heinrich Rudolf Hertz     confirmou o efeito fotoelétrico, Links: 78, 79. 80. 81. 82. 83. HERTZ, H. Ann. Phys. 267, 983 (1887). Links: 84, 85, 86, 87. 163.

A  confirmação inequívoca e a explicação teórica do efeito fotoelétrico viriam com o muito famoso Albert Einstein, em 1905. A publicação da ideia de que  a luz tinha partículas de energia, os “Quanta“, hoje chamados “Fótons“; EINSTEIN, A. Ann. Phys. 322, 132 (1905). Links: 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98. 99. 100.

Muitos pensam que Einstein ganhou o Prêmio Nobel pela descoberta da Relatividade, link 101, (pela qual ficaria muito famoso),  mas foi pelo Efeito Fotolétrico.

O dispositivo chave dos primeiros fotômetros, funciona baseado em um semimetal, semicondutor, o selênio. Links: 102, 103, 104, 105. Quando iluminado, ele produz uma corrente elétrica.

História das Fotocélulas de Selênio. Em 1873, o Engenheiro Elétrico Willoughby Smith descobriu as propriedades fotovoltáicas do selênio. WILLOUGHBY, S. Nature, 7, 303 (1873). Links: 106, 107, 108, 109, 110. 164.

Dez anos depois, em 1883,  o Inventor Americano Charles Fritts construiu a primeira célula fotovoltaica prática, de selênio. FRITTS, C. Am. J. Scienc. 26, 465 (1883).

Uma versão comercial foi patenteada em 1888, pelo Químico e Fotógrafo Inglês, naturalizado Americano, Edward Weston. WESTON, E. Patente Americana, US392476A (1888).

Ele fundaria a Weston Electric Instrument Corporation, no mesmo ano. e fabricaria fotômetros  sem fotocélula , como os fotômetros óticos, válvulas eletrônicas e lâmpadas elétricas. Links 129, 130, 131

Em 1932, Edward Weston   fabricaria seu primeiro fotômetro eletrônico comercial. Link 127. 128, Com a morte dele, a indústria seria herdada por seu filho, o Físico Edward Faraday Weston. Links 129. 130.

A Famíĺia Weston fabricou seus fotômetros nos EUA e na Inglaterra. Links: 131, 132, 133, 134. 138. 157. A companhia Inglesa SANGAMO, (Site), link 138,   compraria a empresa dos Weston, formando a Sangamo Weston Ltd. Links: 135, 136, 137,

Células Fotovoltaicas de Selênio foram muito estudadas e usadas desde o começo do século XX, 1907, 1927,   até anos 60. Links: 111, 112. 113. 114. E fotômetros foram aperfeiçoados por Gauss e por Schaefer.

Mas mesmo antes disso, em 1954, o selênio tenderia a ser substituído pelo silício, muito mais eficiente e sem perdas.Antes do silício, também se usou sulfeto de cádmio.

O silício já havia sido experimentado em 1940, link 125,  mas em 1953-1954 pesquisadores dos Laboratórios Bell, o Engenheiro Daryl  Muscott Chapin, o Químico Calvin Souther Fuller e o Físico Gerald   L. Pearson, inventaram a primeira célula fotovoltaica de silício. CHAPIN, D.; FULLER, C.S.; PEARSON, G.L. J. App. Phys. 25, 676 (1954). CHAPIN, D.; FULLER, C.S.; PEARSON, G.L. Patente Americana, US2780765A (1954), publicação (1957).

O silício também é usado nos modernos diodos, links: 115, 116 , 117, e transistores, links: 118, 119, 120, 121, 122, 123. 124.

Os atuais fotômetros só usam silício: fotodiodos, link 126LEDsLDRs, e fotomuliplicadores. As células fotovoltaicas de silício também são a base das células solares.

Mas fotômetros antigos como o meu,  ainda usam células de selênio.

3. FOTÔMETRO ANTIGO:

Meu Fotômetro:

Este é um fotômetro meu, antigo. É um Weston Master II. Com  célula fotovoltaica de selênio. Igual a este. É o objetivo deste artigo. Estes são parecidos com o meu. Veja como funcionam.

Fotômetro Weston Master II, de 1950, com seu Estojo de Couro
Fotômetro Weston Master II, de 1950, com seu Estojo de Couro. Fonte da Imagem: Câmera Digital Sony Cybershot DSC-W320.

 

Vista da frente do Fotômetro Weston II, Modêlo 735.
Vista da frente do Fotômetro Weston II, Modêlo 735. Imagem: Câmera Sony Cybershot DSC-W320.

Fotômetro Weston Master II, modelo 735, número de série 6487719.  É um aparelho antigo, de 1950.  Mas  bem conservado e funcionando perfeitamente. Encontrei na Internet um Manual dele. Link.

Com uma bonita capa protetora de couro verdadeiro, marrom, internamente forrada de veludo vermelho.

O meu é de fabricação Americana, 1950, link 138, 139, 141, 145, 146mas existem fotômetros Weston Master Ingleses. Links: 142 . Nesse modelo 735,  fabricados só na inglaterra, só após 1952.

Ele tem 2 escalas de medida e a fotocélula é tampada com um disco perfurado, quando é usado para medir luzes muito fortes.

Na frente, tem uma régua de janela circular (veja o que é). Usada para marcar a sensibilidade do filme (ASA) e a luz medida, retornando a abertura e o tempo do obturador. Era usada pois as câmeras óticas analógicas antigas não tinham fotômetro automático incorporado.

Fotômetros como o meu, podem ser encontrados para venda, até no mercado brasileiro.

Muito embora esses fotômetros sejam para uso fotográfico, tenho interesse neles muito mais para uso fotoquímico. Vou fazer experimentos com a luz medida.

3. TESTES E MEDIDAS:

Calibração:

Como é aparelho antigo,  e pode ter atenuação na célula de selênio, é interessante poder checar a calibração. Fiz isso por dois métodos.

Método de HANK KELLNER (2019). Aponte para um céu, em um dia ensolarado, do lado Norte, entre 10 da manhã e duas da tarde. Se o aparelho estiver calibrado, deve indicar 320 lm/ft², lúmens por pé quadrado. O meu estava OK.

Outro método, meu. Usando um calculador online calculei a luminosidade (em lumens, lm). Uma lâmpada de 100 Watts emite cerca de 1500 lm de luz. 15  lm por watt. Outros valores,  tabelados de literatura: 1600, 16001000, 1400, 1690, 1600, 1600. 1650, 1750, Medido, 1340. ZALESINSKA, M. et al. VII IEEE Lighting Conference (2018). 1425. KEITZ, H.A.E. Light Calculations and Measurements. Philips Technical Library, Holanda, Editora McMillan , Londres, Inglaterra, 2a Edição, Pág. 35 (1971). DE FREITAS, P.C.F.; ARAÚJO AMARAL, LIMA, G.B. “Luminotécnica e Lâmpadas Elétricas.” Apostila de Engenharia Elétrica, Editora: Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia (2009).

Agora, usando outro calculador online, calculei a luminância em Lux, para 1 . Deu 1500 Lux, cerca de 15 lux por watt , 15 lm por watt, em bom acordo com o tabelado em literatura. Links: 147, 148, 149, 150.

Vimos no Item 1 que uma luminância de 10,764 Lux equivale a 1 lm/ft² . Para 1500 Lux, vai dar cerca de  139,35 lm/ft².

Liguei a lâmpada (Osram, 100 Watts, alimentada com tensão da tomada de 127 Volts) Coloquei a lâmpada na frente, em distância de um metro linear e medi com o fotômetro, obtendo cerca de 140, o que mostra que meu fotômetro está funcionando bem.

Há outras maneiras mais precisas, mas também mais complexas, de calibrar os fotômetros Links: 151, 152, 153, 154, 155, 156. 161. NILSSON, T.H. Beh. Res. Meth. Instr. 13, 18 (1981).

Medidas:

Medidas que fiz, de várias fontes de luz. Quando mais de uma, coloquei a faixa da medida. Informações de literatura, quando relevantes. lm/ft2:

a) Lâmpada LED, tipo “filamento” de Luz Amarela de 4 W.  5,5

b) Lâmpada Comum Osram, Incandescente de 100 W.        140

c) Lâmpada Infravermelha .                                                                    135-150

d) Lâmpada Azul Para Crescimento de Plantas.                          270

e) Lâmpada Fotográfica Philips “Fotolita” .                                      1300-1400

f) Lanterna LED, 6 LEDS acesos. Ver Item 6, aqui .                        75

f) Lanterna LED, 12 LEDS acesos.  Item 6, aqui  .                             90

g)  Lanterna LED Piscando. Item 2, aqui.                                              60

h) Lanterna LED Lateral. Item 2, aqui.                                                     40

i) Duas fluorescentes de 20 W, de perto. Item 2, aqui                    113

j) Fluorescente Compacta de 20 W, perto                                              64

k) Fluorescente Circular de 22 W, perto. Item 3, aqui                         61

l) Ambiente Iluminado com 60 W de luz fluorescente                       110

m) Fluorescente Compacta de 25 W, de perto                                       130

n) Lanterna Eveready, Lâmpada Incandescente, Aqui, Item 4.        25    

o) Lanterna Eveready, Lâmpada Fluorescente 6 W. Aqui, Item 4.   27

p) Sol Indireto, dia nublado, dentro de casa.                                                40

q) Céu, dia ensolarado, face Norte.                                                                   320

r) Lâmpada Incandescente de 5 W, vermelha.   Item 3, Aqui.               5

s) Lâmpada Incandescente, bolinha, de 7 W, azul .                                     16

t) Lâmpada PL de 9W, 2 pinos de perto. Item 4, aqui.                                120

Os resultados dessas medidas serão usados em futuro Artigo, experimentos de Fotoquímica .                    

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