Кандела - Candela

Кандела
Фотопическая (черная) и скотопическая (зеленая) функции светимости. Фотоснимок включает стандарт CIE 1931 года (сплошной), модифицированные данные Джадда – Вос 1978 года (пунктир) и данные Sharpe, Stockman, Jagla & Jägle 2005 (пунктир). По горизонтальной оси отложена длина волны в нм.
Общая информация
Система единиц	Базовая единица СИ
Единица	Интенсивность света
Символ	компакт диск
Конверсии
1 кд в ...	... равно ...
международные свечи	≈ 1,02 сП
Хефнер Керце	≈ 1,11 гонконгских долларов

Кандела ( / к æ п д ɛ л ə / или / к æ н д я л ə / ; символ: кд ) является базовым блоком из силы света в Международной системе единиц (СИ); то есть световая мощность на единицу телесного угла, излучаемая точечным источником света в определенном направлении. Сила света аналогична интенсивности излучения , но вместо простого суммирования вкладов каждой длины волны света в спектре источника вклад каждой длины волны взвешивается стандартной функцией яркости (модель чувствительности человеческого глаза к различным длины волн). Обычная восковая свеча излучает свет с силой света примерно в одну канделу. Если излучение в некоторых направлениях блокируется непрозрачным барьером, излучение все равно будет составлять примерно одну канделу в незатененных направлениях.

Слово кандела является латинской для свечи . Старое название «свеча» до сих пор иногда используются, как в ножной свече и современном определении светосилы .

Определение

26-я Генеральная конференция мер и весов (CGPM) изменила определение канделы в 2018 году. Новое определение, вступившее в силу 20 мая 2019 года, гласит:

Кандела [...] определяется как фиксированное числовое значение световой отдачи монохроматического излучения с частотой 540 × 10 ¹²  Гц, K _cd , равным 683 при выражении в единицах лм Вт ^-1 , что равно cd sr W ^–1 или cd sr кг ^–1 м ^–2 с ³ , где килограмм, метр и секунда определяются через h , c и Δ ν _Cs .

Объяснение

Выбранная частота находится в видимом спектре около зеленого , что соответствует длине волны около 555 нанометров. Человеческий глаз , когда приспособлен для ярких условий, наиболее чувствителен вблизи этой частоты. В этих условиях фотопическое зрение преобладает над зрительным восприятием наших глаз над скотопическим зрением . На других частотах, в соответствии с частотной характеристикой человеческого глаза, требуется большая сила излучения для достижения той же силы света. Сила света для света с определенной длиной волны λ определяется выражением

${\ displaystyle I _ {\ mathrm {v}} (\ lambda) = 683,002 \ \ mathrm {lm / W} \ cdot {\ overline {y}} (\ lambda) \ cdot I _ {\ mathrm {e}} (\ лямбда),}$

где я _V ( λ ) является силой света , я _е ( λ ) является интенсивностью излучения и является фотопическим функция светимости . Если присутствует более одной длины волны (как это обычно бывает), необходимо интегрировать по спектру длин волн, чтобы получить общую силу света. ${\ displaystyle \ textstyle {\ overline {y}} (\ lambda)}$

Примеры

• Обычная свеча излучает свет с силой света примерно 1 кд.
• Компактная люминесцентная лампа мощностью 25 Вт дает около 1700  люмен ; если этот свет излучается одинаково во всех направлениях (то есть более 4 π стерадиан ), он будет иметь интенсивность${\ displaystyle I _ {\ text {V}} = {\ frac {1700 \ {\ text {lm}}} {4 \ pi \ {\ text {sr}}}} \ приблизительно 135 \ {\ text {lm} } / {\ text {sr}} = 135 \ {\ text {cd}}.}$
• Сфокусированная в луче под углом 20 °, та же самая лампочка будет иметь интенсивность около 18 000 кд внутри луча.

История

До 1948 года в ряде стран использовались различные стандарты силы света. Обычно они основывались на яркости пламени «стандартной свечи» определенного состава или яркости нити накаливания определенной конструкции. Одним из самых известных из них был английский стандарт силы свечей. Мощность одной свечи представляла собой свет, производимый свечой из чистого спермацета весом в одну шестую фунта, горящей со скоростью 120  гран в час. Германия, Австрия и Скандинавия использовали Hefnerkerze , устройство, основанное на мощности лампы Hefner .

Стало ясно, что нужна более четко определенная единица. Жюль Виоль предложил стандарт , основанный на света , излучаемого 1 см ² из платины при его температуре плавления (или точки замерзания), вызов этого в Виолле. Интенсивность света была обусловлена эффектом излучателя Планка ( черного тела ) и, таким образом, не зависела от конструкции устройства. Это облегчило любому измерить эталон, поскольку платина высокой чистоты была широко доступна и легко производилась.

Комиссия Международная светотехническая (Международная комиссия по освещению) и CIPM предложили «новую свечу» на основе этой базовой концепции. Однако значение новой единицы было выбрано так, чтобы сделать ее похожей на мощность свечи более ранней единицы, путем деления Violle на 60. Решение было обнародовано CIPM в 1946 году:

Стоимость новой свечи такова, что яркость полного радиатора при температуре застывания платины составляет 60 новых свечей на квадратный сантиметр .

Затем в 1948 году он был ратифицирован 9-м CGPM, который принял новое название для этого подразделения - кандела . В 1967 году 13-я сессия CGPM удалила термин «новая свеча» и представила измененную версию определения канделы, указав атмосферное давление, применяемое к замерзающей платине:

Кандела - это сила света в перпендикулярном направлении поверхности 1/600 000 квадратных метров черного тела при температуре замерзания платины под давлением 101 325  ньютонов на квадратный метр.

В 1979 году из-за трудностей в реализации радиатора Planck при высоких температурах и новых возможностей, предлагаемых радиометрией , 16-я сессия CGPM приняла новое определение канделы:

Кандела - это сила света в заданном направлении источника, излучающего монохроматическое излучение с частотой 540 × 10 ¹²  герц и имеет интенсивность излучения в этом направлении1/683 ватт на стерадиан .

Определение описывает, как создать источник света, который (по определению) излучает одну канделу, но не определяет функцию яркости для взвешивания излучения на других частотах. Такой источник затем можно было бы использовать для калибровки приборов, предназначенных для измерения силы света, относительно заданной функции светимости. В приложении к брошюре SI поясняется, что функция яркости не определяется однозначно, но должна быть выбрана для полного определения канделы.

Произвольный (1/683) термин был выбран таким образом, чтобы новое определение точно соответствовало старому определению. Хотя кандела теперь определяется в терминах секунды (базовая единица СИ) и ватта (производная единица СИ), кандела по определению остается базовой единицей системы СИ.

26-я сессия CGPM утвердила современное определение канделы в 2018 году в рамках переопределения базовых единиц СИ в 2019 году , которое переопределило базовые единицы СИ с точки зрения фундаментальных физических констант.

Фотометрические световые единицы SI

Связь между силой света, световым потоком и освещенностью

Если источник излучает известную силу света I _v (в канделах) в четко определенном конусе, общий световой поток Φ _v в люменах определяется выражением

Φ _v  = I _v 2 π [1 - cos ( A / 2)],

где A - угол излучения лампы - полный угол при вершине конуса излучения. Например, лампа, излучающая 590 кд при угле излучения 40 °, излучает около 224 люмен. См. MR16 для получения информации об углах излучения некоторых распространенных ламп.

Если источник излучает свет равномерно во всех направлениях, поток можно найти, умножив интенсивность на 4 π : однородный источник в 1 канделу излучает 12,6 люмен.

Для целей измерения освещенности кандела не является практичной единицей, поскольку она применяется только к идеализированным точечным источникам света, каждый из которых аппроксимируется источником, малым по сравнению с расстоянием, на котором измеряется его световое излучение, также предполагая, что это сделано. при отсутствии других источников света. То, что непосредственно измеряется экспонометром, - это падающий свет на датчик конечной площади, то есть освещенность в лм / м ² (люкс). Однако, если проектировать освещение от многих точечных источников света, таких как электрические лампочки, с известной приблизительной однородной во всех направлениях интенсивностью, а вклады в освещенность от некогерентного света являются аддитивными, это математически оценивается следующим образом. Если r _i - положение i -го источника однородной интенсивности I _i , а â - это единичный вектор, нормальный к измеряемой освещенной элементарной непрозрачной области dA , и при условии, что все источники света находятся в одном полупространстве, деленном на плоскость этой области,

${\ displaystyle {\ text {освещенность в точке}} \ mathbf {r} {\ text {on}} dA {\ text {,}} E _ {\ mathrm {v}} (\ mathbf {r}) = \ sum _ {i} {{\ frac {| \ mathbf {\ hat {a}} \ cdot (\ mathbf {r} - \ mathbf {r} _ {i}) |} {| \ mathbf {r} - \ mathbf {r} _ {i} | ^ {3}}} I_ {i}}.}$

В случае одиночного точечного источника света с интенсивностью I _v на расстоянии r при нормальном падении это сводится к

${\ displaystyle E _ {\ mathrm {v}} (r) = {\ frac {I _ {\ mathrm {v}}} {r ^ {2}}}.}$

использованная литература