Candela

Die 26ste Algemene Konferensie oor gewigte en maatreëls (CGPM) het die candela in 2018 herdefinieer. ^[7] Die nuwe definisie, wat op 20 Mei 2019 in werking getree het, is:

Die candela [...] word gedefinieer deur die vaste numeriese waarde van die helderheidseffektiwiteit van monochromatiese straling met frekwensie 540 × 10 ¹²  Hz, K _cd , op 683 te neem as dit in die eenheid lm W ^–1 , wat gelyk is aan cd sr W ^–1 , of cd sr kg ^–1 m ^–2 s ³ , waar die kilogram, meter en tweede gedefinieër word in terme van h , c en Δ ν Cs .

Die gekose frekwensie is in die sigbare spektrum naby groen , wat ooreenstem met 'n golflengte van ongeveer 555 nanometer. Die menslike oog is die sensitiefste naby hierdie frekwensie wanneer dit aangepas is vir helder toestande. Onder hierdie omstandighede domineer fotopiese visie die visuele persepsie van ons oë oor die fotopiese visie . By ander frekwensies is meer stralingsintensiteit nodig om dieselfde ligintensiteit te bereik, volgens die frekwensierespons van die menslike oog. Die ligintensiteit vir lig van 'n bepaalde golflengte λ word gegee deur

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

waar I _v ( λ ) die ligintensiteit is , I _e ( λ ) die stralingsintensiteit en${\ displaystyle \ textstyle {\ overline {y}} (\ lambda)}$is die fotopiese helderheidsfunksie . As daar meer as een golflengte is (soos gewoonlik die geval is), moet u oor die spektrum golflengtes integreer om die totale ligintensiteit te kry.

Voorbeelde

• 'N Gewone kers straal lig uit met ongeveer 1 cd ligsterkte.
• 'N Kompakte TL-gloeilamp van 25 W steek ongeveer 1700  lumen uit ; as daardie lig in alle rigtings gelyk word (dws meer as 4 π steradiane ), sal dit 'n intensiteit hê van${\ displaystyle I _ {\ text {V}} = {\ frac {1700 \ {\ text {lm}}} {4 \ pi \ {\ text {sr}}}} \ ongeveer 135 \ {\ text {lm / sr}} = 135 \ {\ text {cd}}}$.
• In 'n 20 ° -straal gefokus, sal dieselfde gloeilamp 'n intensiteit van ongeveer 18.000 cd in die balk hê.

Voor 1948 was daar in 'n aantal lande verskillende standaarde vir ligsterkte gebruik. Dit was gewoonlik gebaseer op die helderheid van die vlam van 'n "standaard kers" met gedefinieerde samestelling, of die helderheid van 'n gloeilamp met 'n spesifieke ontwerp. Een van die bekendste hiervan was die Engelse standaard van kerskrag. Een kerskrag was die lig wat geproduseer word deur 'n suiwer spermaceti- kers wat een sesde pond weeg en teen 120 korrels per uur brand  . Duitsland, Oostenryk en Skandinawië het die Hefnerkerze gebruik , 'n eenheid gebaseer op die uitvoer van 'n Hefner-lamp . ^[8]

Dit het duidelik geword dat 'n beter gedefinieerde eenheid nodig is. Jules Violle het 'n standaard wat gebaseer is op die uitgestraal word deur 1 cm lig voorgestelde ² van platinum op sy smeltpunt (of vries punt), 'n beroep hierdie die Violle. Die ligintensiteit was te danke aan die Planck-verkoeler ('n swart lyf ) -effek, en was dus onafhanklik van die konstruksie van die toestel. Dit het dit vir enigiemand maklik gemaak om die standaard te meet, aangesien platina met 'n hoë suiwerheid algemeen beskikbaar was en maklik voorberei kon word.

Die Commission Internationale de l'Éclairage (Internasionale Kommissie vir Verligting) en die CIPM het 'n "nuwe kers" voorgestel op grond van hierdie basiese konsep. Die waarde van die nuwe eenheid is egter gekies om dit soortgelyk aan die vorige eenheidskers te maak deur die Viool deur 60 te deel. Die besluit is in 1946 deur die CIPM afgekondig:

Die waarde van die nuwe kers is so dat die helderheid van die volle verkoeler by die stollingstemperatuur van platinum 60 nuwe kerse per vierkante sentimeter is . ^[9]

Dit is toe in 1948 bekragtig deur die 9de CGPM ^[10] wat 'n nuwe naam vir hierdie eenheid, die candela , aangeneem het . In 1967 het die 13de CGPM die term 'nuwe kers' verwyder en 'n gewysigde weergawe van die candela-definisie gegee, met vermelding van die atmosferiese druk wat op die vriesplatinum toegepas word:

Die candela is die ligsterkte, in loodregte rigting, van 'n oppervlak van 1/600 000 vierkante meter van 'n swart liggaam by die temperatuur van die vries van platinum onder 'n druk van 101 325  ton per vierkante meter. ^[11]

As gevolg van die probleme om 'n Planck-verkoeler by hoë temperature te verwesenlik en die nuwe moontlikhede wat radiometrie bied , het die 16de CGPM 'n nuwe definisie van die candela aanvaar: ^{[12] [13]}

Die candela is die ligsterkte, in 'n gegewe rigting, van 'n bron wat monochromatiese straling van frekwensie uitstraal 540 × 10 ¹²  hertz en dit het 'n stralingsintensiteit in die rigting van1/683 watt per steradiaan .

Die definisie beskryf hoe om 'n ligbron te produseer wat (per definisie) een candela uitstraal, maar wat nie die helderheidsfunksie spesifiseer vir die weeg van straling teen ander frekwensies nie. Sodanige bron kan dan gebruik word om instrumente te kalibreer wat ontwerp is om die ligintensiteit te meet met verwysing na 'n bepaalde helderheidsfunksie. 'N Aanhangsel by die SI-brosjure ^[14] maak dit duidelik dat die helderheidsfunksie nie uniek gespesifiseer is nie, maar dat dit gekies moet word om die candela volledig te definieer.

Die arbitrêre (1/683) term is gekies sodat die nuwe definisie presies by die ou definisie sou pas. Alhoewel die candela nou gedefinieër word in terme van die tweede ('n SI-basiseenheid) en die watt ('n afgeleide SI-eenheid), bly die candela per definisie 'n basiseenheid van die SI-stelsel. ^[15]

Die 26ste CGPM het die moderne definisie van die candela in 2018 goedgekeur as deel van die 2019 herdefiniëring van SI-basiseenhede , wat die SI-basiseenhede herdefinieer in terme van fundamentele fisiese konstantes.

Verwantskappe tussen ligsterkte, ligstroom en verligting

As 'n bron 'n bekende ligintensiteit I _v (in kandelare) in 'n goed gedefinieerde kegel uitstraal , word die totale ligstroom Φ _v in lumen gegee deur

Φ _v  = I _v 2π [1 - cos ( A / 2)],

waar A die stralingshoek van die lamp is — die volle hoekpunt van die emissiekegel. Byvoorbeeld, 'n lamp wat 590 cd met 'n stralingshoek van 40 ° uitstraal, straal ongeveer 224 lumen uit. Sien MR16 vir emissiehoeke van sommige gewone lampe. ^{[16] [17]}

As die bron lig in alle rigtings eenvormig uitstraal, kan die vloed gevind word deur die intensiteit met 4π te vermenigvuldig: 'n eenvormige 1 candela-bron straal 12,6 lumen uit.

Om die beligting te meet, is die candela nie 'n praktiese eenheid nie, want dit is slegs van toepassing op geïdealiseerde puntligbronne, elk benader deur 'n klein bron in vergelyking met die afstand waarvandaan die ligstraling gemeet word, ook as dit aanvaar word in die afwesigheid van ander ligbronne. Wat direk deur 'n ligmeter gemeet word, is invallende lig op 'n sensor met 'n eindige oppervlakte, dit wil sê verligting in lm / m ² (lux). As u egter beligting van baie ligbronne ontwerp, soos gloeilampe, met 'n bekende benadering van al die rigting-eenvormige intensiteit, is die bydrae tot die verligting van onsamehangende lig additief, word dit wiskundig soos volg geskat. As r _i die posisie is van die i- de bron van eenvormige intensiteit I _i , en â is die eenheidsvektor normaal vir die verligte ondeursigtige oppervlakte dA wat gemeet word, en met dien verstande dat alle ligbronne in dieselfde halwe ruimte lê gedeel deur die vlak van hierdie gebied,

${\ displaystyle {\ text {verligting op punt}} \ mathbf {r} {\ text {on}} dA {\ text {,}} E_ {v} (\ mathbf {r}) = \ som _ {i} {{\ frac {| \ mathbf {\ hat {a}} \ cdot (\ mathbf {r} - \ mathbf {r} _ {i}) |} {| \ mathbf {r} - \ mathbf {r} _ {i} | ^ {3}}} I_ {i}}.}$

In die geval van 'n enkele punt ligbron van intensiteit I _v , op 'n afstand r en normaalweg invallend, verminder dit tot

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