Кандела

Единица силы света в системе СИ

Кандела ( / k æ n ˈ d ɛ l ə / или / k æ n ˈ d iː l ə / ; символ: cd ) — единица силы света в Международной системе единиц (СИ). ^{[5] [6]} Он измеряет световую мощность на единицу телесного угла , излучаемую источником света в определенном направлении. Сила света аналогична силе излучения , но вместо простого сложения вкладов каждой длины волны света в спектр источника, вклад каждой длины волны взвешивается функцией световой эффективности , моделью чувствительности человеческого глаза к различным длины волн, стандартизированные CIE и ISO . ^{[7] [4] [8]} Обычная восковая свеча излучает свет 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 в переводе с латыни означает свеча . Старое название «свеча» до сих пор иногда используется, например, фут-свеча и современное определение силы свечи . ^[9]

Определение

26-я Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) пересмотрела определение канделы в 2018 году. ^{[10] [11]} Новое определение, вступившее в силу 20 мая 2019 года, гласит:

Кандела [...] определяется путем принятия фиксированного числового значения светоотдачи монохроматического излучения частоты540 × 10 ¹²  Гц , K _cd , равняется 683, если выражать ее в единицах lm W ^-1 , что равно cd sr W ^-1 , или cd sr кг ^-1 м ^-2 с ³ , где килограмм, метр и вторые определяются через h , c и Δν Cs _.

Объяснение

Выбранная частота находится в видимом спектре, близком к зеленому , что соответствует длине волны около 555 нанометров. Человеческий глаз , адаптированный к ярким условиям, наиболее чувствителен вблизи этой частоты. В этих условиях фотопическое зрение доминирует в зрительном восприятии наших глаз над скотопическим зрением . На других частотах для достижения той же силы света требуется большая интенсивность излучения в соответствии с частотной характеристикой человеческого глаза. Сила света света определенной длины волны λ определяется выражением

$${\displaystyle I_{\mathrm {v} }(\lambda )=683.002\ \mathrm {lm/W} \cdot {\overline {y}}(\lambda )\cdot I_{\mathrm {e} }(\lambda ),}$$

I _v ( λ )силу светаI _e ( λ )силу излученияфотопической светоотдачидлин ${\textstyle \textstyle {\overline {y}}(\lambda )}$

Примеры

• Обычная свеча излучает свет с силой света примерно 1 кд.
• Компактная люминесцентная лампа мощностью 25 Вт излучает около 1700  люмен ; если этот свет излучается одинаково во всех направлениях (т.е. более 4 π стерадиан ), его интенсивность будет равна ${\displaystyle I_{\text{V}}={\frac {1700\ {\text{lm}}}{4\pi \ {\text{sr}}}}\approx 135\ {\text{lm}}/{\text{sr}}=135\ {\text{cd}}.}$
• Сфокусированная в луч 20° (0,095 стерадиан), та же самая лампочка будет иметь интенсивность луча около 18 000 кд.

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, излучаемый свечой из чистого спермацета весом в одну шестую фунта и горящей со скоростью 120  гран в час. Германия, Австрия и Скандинавия использовали Hefnerkerze , устройство, основанное на мощности лампы Хефнера . ^[12]

Требовался лучший стандарт силы света. В 1884 году Жюль Виоль предложил стандарт, основанный на свете, излучаемом 1 см 2 платины ^при ее температуре плавления (или температуре замерзания). Полученная единица интенсивности, названная «виолле», была примерно равна 60 английским свечам. Платина была удобна для этой цели, поскольку имела достаточно высокую температуру плавления, не была склонна к окислению и могла быть получена в чистом виде. ^[13] Виолле показал, что интенсивность излучения чистой платины строго зависит от ее температуры, и поэтому платина при температуре плавления должна иметь постоянную силу света.

На практике реализовать стандарт на основе предложения Виолле оказалось сложнее, чем ожидалось. ^[13] Примеси на поверхности платины могут напрямую влиять на ее излучательную способность, а кроме того, примеси могут влиять на силу света, изменяя температуру плавления. В течение следующих полувека различные ученые пытались создать практический эталон интенсивности на основе платины накаливания. Успешным подходом было подвешивание полой оболочки из диоксида тория с небольшим отверстием в ванне с расплавленной платиной. Оболочка (полость) служит черным телом , производящим излучение черного тела , которое зависит от температуры и не чувствительно к деталям конструкции устройства.

В 1937 году Международная комиссия по освещению (Международная комиссия по освещению) и CIPM предложили «новую свечу», основанную на этой концепции, со значением, выбранным так, чтобы сделать ее похожей на более раннюю единицу мощности свечи. Решение было обнародовано CIPM в 1946 году:

Стоимость новой свечи такова, что яркость полного радиатора при температуре затвердевания платины составляет 60 новых свечей на квадратный сантиметр . ^[14]

Затем в 1948 году она была ратифицирована 9-й ГКМВ ^[15] , которая приняла новое название для этой единицы — кандела . В 1967 году 13-я ГКМВ удалила термин «новая свеча» и дала измененную версию определения канделы, указав атмосферное давление, приложенное к замерзающей платине:

Кандела — это сила света в перпендикулярном направлении поверхности черного тела площадью 1/600 000 кв. метра при температуре замерзания платины под давлением 101 325  ньютонов на квадратный метр. ^[16]

В 1979 году из-за трудностей в реализации радиатора Планка при высоких температурах и новых возможностей, предлагаемых радиометрией , 16-я ГКМВ приняла новое определение канделы: ^{[17] [18]}

Кандела — это сила света в заданном направлении источника, излучающего монохроматическое излучение частоты540 × 10 ¹²  герц и интенсивность излучения которого направлена ​​в сторону1/683 ватт на стерадиан .

В определении описывается, как создать источник света, который (по определению) излучает одну канделу, но не указывается функция светоотдачи для взвешивания излучения на других частотах. Такой источник затем можно было бы использовать для калибровки приборов, предназначенных для измерения силы света, относительно заданной функции светоотдачи. В приложении к брошюре SI ^[19] поясняется, что функция светоотдачи не определена однозначно, но должна быть выбрана для полного определения канделы.

Произвольный член (1/683) был выбран так, чтобы новое определение точно соответствовало старому определению. Хотя кандела теперь определяется в единицах секунды (базовая единица СИ) и ватта (производная единица СИ), кандела по определению остается основной единицей системы СИ. ^[20]

26-я ГКМВ утвердила современное определение канделы в 2018 году в рамках переопределения основных единиц СИ в 2019 году , которое переопределило основные единицы СИ с точки зрения фундаментальных физических констант.

Фотометрические осветительные приборы SI

1. Символы в этом столбце обозначают размеры ; « L », « T » и « J » обозначают длину, время и силу света соответственно, а не символы единиц измерения: литр , тесла и джоуль.
2. Организации по стандартизации рекомендуют обозначать фотометрические величины индексом «v» (от «визуального»), чтобы избежать путаницы с радиометрическими или фотонными величинами. Например: Стандартные буквенные обозначения США для светотехники USAS Z7.1-1967, Y10.18-1967.
3. Иногда встречаются альтернативные символы: W для световой энергии, P или F для светового потока и ρ для световой эффективности источника.

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

$${\displaystyle \Phi _{\mathrm {v} }=I_{\mathrm {v} }2\pi [1-\cos(A/2)]}$$

Аугол излученияMR16

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 практической единицей, поскольку она применяется только к идеализированным точечным источникам света, каждый из которых аппроксимируется источником, малым по сравнению с расстоянием, с которого измеряется его световое излучение, также при условии, что это делается так. при отсутствии других источников света. Что непосредственно измеряется люксметром, так это падающий на датчик конечной площади свет, т.е. освещенность в лм/м ² (люкс). Однако при проектировании освещения от многих точечных источников света, таких как лампочки, с известной приблизительно одинаковой по всем направлениям интенсивностью, вклад в освещенность от некогерентного света является аддитивным, математически он оценивается следующим образом. Если r _i — положение i -го источника равномерной интенсивности I _i , а â — единичный вектор, нормаль к измеряемой освещенной элементарной непрозрачной области dA , и при условии, что все источники света лежат в одном и том же полупространстве, разделенном плоскость этой области,

$${\displaystyle {\text{illuminance at point }}\mathbf {r} {\text{ on }}dA{\text{, }}E_{\mathrm {v} }(\mathbf {r} )=\sum _{i}{{\frac {|\mathbf {\hat {a}} \cdot (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{i})|}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{i}|^{3}}}I_{i}}.}$$

I _vr

$${\displaystyle E_{\mathrm {v} }(r)={\frac {I_{\mathrm {v} }}{r^{2}}}.}$$

кратные СИ

Как и другие единицы СИ, канделу также можно изменить, добавив метрический префикс , который умножает ее на 10 , например милликандела (мкд) для 10 ^-3 канделы.

Рекомендации

1. "Кривая яркости CIE Scotopic (1951)" .
2. «CIE (1931) Функции сопоставления цветов по 2 градуса» .
3. "Джадд-Вос изменил кривую фотопической яркости CIE на 2 градуса (1978)" .
4. Sharpe, Stockman, Jagla & Jägle (2005) Функция светоотдачи 2 градуса V * (l). Архивировано 27 сентября 2007 года в Wayback Machine.
5. Международное бюро мер и весов (20 мая 2019 г.), Международная система единиц (СИ) (PDF) (9-е изд.), ISBN 978-92-822-2272-0, заархивировано из оригинала 18 октября 2021 г.
6. CIE (2020). CIE S 017:2020 ILV: Международный словарь освещения, 2-е издание (2-е изд.). CIE.
7. ISO/CIE 23539:2023 CIE TC 2-93 Фотометрия. Система физической фотометрии CIE. ИСО/МКО. 2023. дои : 10.25039/IS0.CIE.23539.2023.
8. Выжецкий, Г.; Стайлз, WS (1982). Наука о цвете: концепции и методы, количественные данные и формулы (2-е изд.). Уайли-Интерсайенс. ISBN 0-471-02106-7.
9. «Сила свечи - Определение» . Словарь Мерриам-Вебстера . Проверено 15 февраля 2015 г.
10. «Созыв Генеральной конференции по мерам и весам (26-е заседание)» (PDF) . Версаль: Международное бюро Poids et Mesures. 13 ноября 2018 г. Архивировано из оригинала (PDF) 19 сентября 2019 г. . Проверено 10 февраля 2019 г.
11. МБМВ (22 марта 2021 г.). «Практическая практика для определения канделы в системе СИ». БИПМ .
12. "Единица Хефнера, или свеча Хефнера" ​​. Размеры.com . 30 мая 2007 года . Проверено 25 февраля 2009 г.
13. Коттингтон, Ян Э. (1986). «Платина и стандарт света: выборочный обзор предложений, которые привели к созданию международной единицы силы света». Обзор платиновых металлов . 30 (2): 84.
14. Барри Н. Тейлор (1992). Метрическая система: Международная система единиц (СИ). Министерство торговли США. п. 18. ISBN 0-941375-74-9.(Специальная публикация NIST 330, изд. 1991 г.)
15. Протоколы 9-го CGPM, 1948, стр. 54 (на французском языке)
16. Резолюция 5 13-й CGPM, CR, 104 (1967) и Metrologia , 4 , 43–44 (1968).
17. Резолюция 3 16-й ГКМВ, CR, 100 (1979 г.) и Metrologia , 16 , 56 (1980 г.).
18. «Определения базовой единицы: Кандела» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . Проверено 27 сентября 2010 г.
19. «Практическая практика по определению канделы и связанных с ней производных единиц фотометрических и радиометрических величин в Международной системе единиц (СИ)» . Приложение 2 к брошюре SI . Международное бюро мер и веса. 22 марта 2021 г. Проверено 7 октября 2023 г.
20. «Единицы фотохимических и фотобиологических величин». Приложение 3 к брошюре SI . Международное бюро мер и веса. 22 марта 2021 г. Проверено 7 октября 2023 г.