Candela, simbol cd, este unitatea fundamentală SI pentru intensitatea luminoasă într-o anumită direcție. Nu măsoară câtă lumină produce o sursă, ci cât de puternică pare acea lumină pentru ochiul uman într-o direcție dată.
Definiția actuală este umătoarea: candela este definită prin eficacitatea luminoasă a radiației monocromatice cu frecvența de 540 × 10¹² Hz, pentru care valoarea Kcd este fixată exact la 683 lm/W. Pentru acea radiație, o sursă care are intensitatea radiantă de 1/683 W pe steradian are intensitatea luminoasă de 1 candelă.
De ce candela este diferită de celelalte unități fundamentale
Metrul ține de distanță. Kilogramul ține de masă. Secunda ține de timp. Amperul ține de sarcina electrică. Kelvinul ține de energie microscopică.
Candela este mai ciudată, pentru că introduce în SI un element biologic: ochiul uman.
Lumina, ca fenomen fizic, este radiație electromagnetică. Dar nu toate radiațiile electromagnetice sunt „lumină” pentru noi. Undele radio, microundele, infraroșul, ultravioletul, razele X și razele gama sunt tot radiații electromagnetice, dar ochiul uman nu le vede, fiind în afara spectrului vizibil.
Chiar și în domeniul vizibil, ochiul nu este la fel de sensibil la toate culorile. Pentru aceeași putere fizică emisă, o radiație verde-gălbuie pare mult mai luminoasă decât una roșie sau violetă.
De aceea, candela nu este doar o unitate radiometrică, ci una fotometrică.
• Citește și: Noul sistem internațional de unități (SI)
Radiometrie vs fotometrie
Aici este esența subiectului. Radiometria măsoară radiația electromagnetică strict fizic, fără să-i pese de ochiul uman. Unitățile tipice sunt wattul, wattul pe metru pătrat sau wattul pe steradian.
Fotometria măsoară radiația vizibilă așa cum este percepută de ochiul uman standard. Unitățile tipice sunt lumenul, candela și luxul.
Iată un exemplu: un led infraroșu poate emite putere electromagnetică reală. Radiometric, are un număr de wați sau miliwați. Dar fotometric, pentru ochiul uman, are aproape zero lumeni, pentru că nu îl vedem.
Un led verde și un led roșu pot avea aceeași putere radiantă în wați, dar ledul verde poate avea mai mulți lumeni, pentru că ochiul este mai sensibil la verde decât la roșu.
De ce apare frecvența de 540 × 10¹² Hz
Definiția candelei folosește o radiație monocromatică de frecvență: 540 × 10¹² Hz. Aceasta corespunde unei lungimi de undă de aproximativ 555 nm, în zona verde-gălbuie a spectrului vizibil. Este aproape de maximul sensibilității ochiului uman în vedere diurnă, numită vedere fotopică.
La această frecvență, s-a stabilit exact că eficacitatea luminoasă este 683 lumeni pe watt. Adică, în cazul ideal, 1 watt de radiație electromagnetică la această frecvență produce 683 lumeni de flux luminos. Această constantă, Kcd, leagă unitățile fotometrice de cele radiometrice.
Ce este lumenul
Lumenul, simbol lm, este unitatea pentru flux luminos. Fluxul luminos înseamnă cantitatea totală de lumină vizibilă emisă de o sursă, ponderată după sensibilitatea ochiului uman.
Când cumperi un bec cu led și scrie pe el 806 lm, asta înseamnă că becul emite un flux luminos total de 806 lumeni.
Lumenul răspunde la întrebarea: câtă lumină vizibilă totală produce sursa?
Nu spune însă cum este distribuită lumina. Un bec poate trimite lumina în toate direcțiile. O lanternă poate concentra același flux într-un con îngust.
Ce este candela
Candela măsoară intensitatea luminoasă într-o anumită direcție. Ea răspunde la întrebarea: cât de puternic luminează sursa în direcția în care mă uit? De aceea, candela este foarte importantă pentru: faruri auto, lanterne, proiectoare, semnalizare luminoasă, leduri direcționale, corpuri de iluminat cu fascicul îngust.
Două surse pot avea același număr de lumeni, dar un număr de candele foarte diferit.
Un bec mat de cameră împrăștie lumina în multe direcții. Are mulți lumeni, dar intensitate relativ mică într-o singură direcție. O lanternă concentrează lumina într-un fascicul îngust. Poate avea mai puțini lumeni decât un bec, dar mult mai multe candele pe axa fasciculului.
Ce este steradianul
Ca să înțelegi candela, trebuie înțeles steradianul. Steradianul, simbol sr, este unitatea pentru unghi solid. Unghiul obișnuit, plan, se măsoară în radiani sau grade. De exemplu, un cerc complet are 360° sau 2π radiani. Unghiul solid este varianta tridimensională. El descrie cât de mare este „deschiderea” unui con în spațiu. O sferă completă are 4π steradiani, adică aproximativ 12,57 sr.
Dacă o sursă emite lumină egal în toate direcțiile, fluxul ei luminos total se împarte pe întreaga sferă de 4π sr. De aceea, 1 candela = 1 lumen pe steradian, adică o sursă are intensitatea de 1 cd într-o direcție dacă trimite 1 lumen în fiecare steradian în jurul acelei direcții.
Exemplu intuitiv
Imaginează-ți două surse cu același flux luminos: 1000 lm. Prima este un bec obișnuit, care luminează aproape în toate direcțiile. A doua este o lanternă, care concentrează lumina într-un fascicul îngust. Becul poate avea intensitate modestă într-o direcție, pentru că cei 1000 lm sunt răspândiți pe o zonă mare. Lanterna poate avea intensitate foarte mare în axul fasciculului, pentru că aceeași lumină este concentrată într-un unghi solid mic. De aceea, la lanterne contează mult candela, nu doar lumenii.
Ce este luxul
Luxul, simbol lx, este unitatea pentru iluminare. El răspunde la întrebarea: câtă lumină ajunge pe o suprafață? 1 lux înseamnă 1 lumen distribuit pe 1 m2.
Aici apare diferența practică: lumenul spune câtă lumină produce sursa, candela spune cât de intens luminează într-o direcție, iar luxul spune câtă lumină ajunge efectiv pe masă, pe podea, pe perete sau pe planul de lucru.
Pentru electricieni și proiectanți de iluminat, luxul este foarte important, pentru că normele de iluminat se exprimă adesea în lucși: birouri, coridoare, săli de clasă, spații industriale, parcări, scări, ateliere.
De ce 683 lm/W?
Numărul 683 nu este ales întâmplător. El stabilește legătura exactă dintre puterea fizică a radiației și senzația luminoasă standardizată pentru ochiul uman. La 555 nm, unde ochiul uman are sensibilitate maximă în vedere fotopică, 1 watt de radiație monocromatică este definit ca având 683 lumeni.
Atenție: aceasta nu înseamnă că orice bec de 1 W produce 683 lm. Un bec real emite pe mai multe lungimi de undă. O parte din energie poate fi în infraroșu, o parte în roșu, verde, albastru etc. Fiecare lungime de undă este ponderată diferit după sensibilitatea ochiului.
De aceea, un watt optic la 555 nm poate corespunde la 683 lm, un watt optic în roșu intens produce mai puțini lumeni, un watt optic în infraroșu produce 0 lumeni pentru ochiul uman, iar un watt electric consumat de un led nu se transformă integral în radiație vizibilă, căci o parte se pierde ca încălzire.
Funcția de sensibilitate a ochiului
Pentru surse reale, care emit spectru larg, nu se folosește doar punctul de 555 nm. Se folosește o funcție standardizată a sensibilității ochiului, numită funcția de eficiență luminoasă spectrală. Aceasta spune cât de sensibil este ochiul uman mediu la fiecare lungime de undă vizibilă.
În vedere diurnă, ochiul este cel mai sensibil în zona verde-gălbuie. Sensibilitatea scade spre roșu și spre violet. Fotometria folosește funcții de ponderare spectrală definite de CIE, pentru ca măsurarea luminii să se coreleze cu senzația de strălucire pentru observatorul uman standard. Asta înseamnă că fotometria nu măsoară doar fizică pură. Ea măsoară fizica radiației trecută prin filtrul biologic al vederii umane standardizate.
Cum se realizează candela în laborator
În laborator, candela nu se realizează punând un obiect „de 1 candela” lângă aparat. Se pornește de la măsurarea puterii optice, adică de la radiometrie. Lanțul practic este acesta: se folosește o sursă de lumină stabilă, se măsoară puterea radiantă emisă într-o direcție, se cunoaște distribuția spectrală a radiației, se aplică funcția de sensibilitate a ochiului și se calculează intensitatea luminoasă în candele.
Dacă sursa este monocromatică la 540 × 10¹² Hz, relația este simplă: o intensitate radiantă de 1/683 W/sr corespunde la 1 cd. Pentru o sursă reală, cu spectru complex, trebuie integrate contribuțiile tuturor lungimilor de undă, fiecare ponderată după sensibilitatea ochiului.
Cum se măsoară puterea optică
Puterea optică se măsoară cu radiometre sau detectoare optice calibrate. Un detector optic transformă radiația primită într-un semnal electric. De exemplu, o fotodiodă produce curent proporțional cu lumina incidentă. Dar detectorul trebuie calibrat. Aici intră metrologia de vârf.
În laboratoarele naționale, puterea radiantă poate fi măsurată prin detectoare criogenice, adică detectoare răcite la temperaturi foarte joase. Acestea pot funcționa ca radiometre absolute: absorb radiația și o transformă în căldură măsurabilă foarte precis.
Principiul este următorul: dacă știi câtă putere termică echivalează cu radiația absorbită, știi puterea radiantă.
Apoi această scară este transferată către fotodiode etalon, luxmetre, fotometre și echipamente folosite practic.
Cum se măsoară intensitatea luminoasă a unei surse
Ca să măsori intensitatea luminoasă a unei surse într-o direcție, ai nevoie de geometrie controlată. În principiu, sursa este pusă la o distanță cunoscută de detector, iar detectorul măsoară iluminarea primită, în lucși. Dacă distanța este cunoscută și sursa poate fi aproximată ca punctiformă la acea distanță, intensitatea luminoasă se poate deduce din iluminare și distanță.
Dacă aceeași sursă este mutată de două ori mai departe, lumina se răspândește pe o suprafață de patru ori mai mare. Iluminarea scade de patru ori.
De aceea, pentru măsurarea candelei este nevoie de: distanță cunoscută, aliniere corectă, detector calibrat, controlul luminii parazite, sursă stabilă și cunoașterea distribuției spectrale.
De ce ledurile complică lucrurile
Candela este foarte relevantă pentru leduri, dar ledurile complică măsurarea. Un led nu emite lumină uniform în toate direcțiile. Are un unghi de emisie. Unele leduri au lentile și fascicul îngust. Altele emit larg.
De aceea, la leduri poți întâlni: flux luminos în lumeni, intensitate luminoasă în candele sau milicandele, unghi de emisie, temperatură de culoare și indice de redare a culorilor.
Un led mic de semnalizare poate avea intensitate exprimată în mcd, adică milicandele.
Un led de 20.000 mcd poate părea foarte puternic frontal, dar asta nu înseamnă neapărat că are flux luminos mare. Poate doar concentrează lumina într-un unghi mic.
Pentru iluminat general, lumenii sunt de obicei mai relevanți. Pentru semnalizare, indicatoare, telecomenzi vizibile, faruri și lanterne, candela devine foarte importantă.
Candela și farurile auto
La faruri, contează enorm distribuția luminii pe direcții. Nu vrei doar mulți lumeni. Vrei lumină proiectată unde trebuie: pe drum, la distanță, fără orbirea șoferilor din sens opus.
De aceea, proiectarea farurilor folosește hărți fotometrice: intensitatea luminoasă în candele pentru multe direcții unghiulare.
Un far prost poate avea mulți lumeni, dar distribuție greșită. Rezultatul este orbirea, nu vizibilitatea bună.
Candela și lanternele
La lanterne, candela îți spune cât de departe „bate” fasciculul. O lanternă cu mulți lumeni, dar fascicul larg, luminează bine aproape. O lanternă cu mai puțini lumeni, dar multe candele, trimite lumina departe, într-un fascicul îngust. De aceea, pentru lanterne trebuie luat împreună: lumenii, candelele, unghiul fasciculului, distanța utilă, autonomia și temperatura de culoare.
De ce candela este unitate fundamentală, dar lumenul și luxul nu
Candela este unitate fundamentală SI. Lumenul și luxul sunt unități derivate. Lumenul derivă din candela și steradian: 1 lm = 1 cd × 1 sr. Luxul derivă din lumen și metru pătrat: 1 lx = 1 lm/m².
Toate relațiile au sens însă: întâi definești intensitatea luminoasă într-o direcție, candela. Apoi integrezi peste un unghi solid și obții flux luminos, lumenul. Apoi împarți fluxul pe suprafață și obții iluminarea, luxul.
Concluzia
Candela este unitatea care leagă fizica radiației electromagnetice de percepția vizuală umană. Fizic, pornește de la puterea radiantă, exprimată în wați. Biologic, aplică sensibilitatea ochiului uman standard. Metrologic, este fixată prin eficacitatea luminoasă de 683 lm/W pentru radiația monocromatică de frecvență 540 × 10¹² Hz. Practic, candela spune cât de puternic luminează o sursă într-o anumită direcție. De aceea este esențială pentru leduri direcționale, faruri, lanterne, proiectoare și semnalizare.
