كانديلا

أعاد المؤتمر العام السادس والعشرون للأوزان والمقاييس (CGPM) تعريف الشمعة في عام 2018. ^[7] التعريف الجديد ، الذي دخل حيز التنفيذ في 20 مايو 2019 ، هو:

يتم تعريف الشمعة [...] بأخذ القيمة العددية الثابتة للفعالية المضيئة للإشعاع أحادي اللون بتردد 540 × 10 ¹²  هرتز ، K _cd ، لتكون 683 عند التعبير عنها بالوحدة lm W ^–1 ، والتي تساوي cd sr W ^–1 أو cd sr kg ^–1 m ^–2 s ³ ، حيث يُعرَّف الكيلوجرام والمتر والثاني بدلالة h و c و Δ ν Cs .

التردد المختار يقع في الطيف المرئي بالقرب من اللون الأخضر ، وهو ما يقابل طول موجة يبلغ حوالي 555 نانومتر. على العين البشرية ، عندما تكييفها للظروف مشرق، هو الأكثر حساسية بالقرب من التردد. في ظل هذه الظروف ، تهيمن الرؤية الضوئية على الإدراك البصري لأعيننا على الرؤية الإسكتلندية . في الترددات الأخرى ، يلزم مزيد من كثافة الإشعاع لتحقيق نفس شدة الإضاءة ، وفقًا لاستجابة التردد للعين البشرية. شدة الإضاءة للضوء لطول موجي معين λ تعطى بواسطة

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

حيث I _v ( λ ) هي شدة الإضاءة ، و I _e ( λ ) هي كثافة الإشعاع و${\ displaystyle \ textstyle {\ overline {y}} (\ lambda)}$هي وظيفة اللمعان الضوئي . في حالة وجود أكثر من طول موجي واحد (كما هو الحال عادة) ، يجب على المرء أن يتكامل على طيف الأطوال الموجية للحصول على شدة الإضاءة الكلية.

أمثلة

• تبعث شمعة مشتركة ضوءًا بكثافة إضاءة 1 شمعة تقريبًا.
• مصباح فلورسنت مدمج بقدرة 25 وات يولد حوالي 1700  لومن ؛ إذا كان هذا الضوء يشع بالتساوي في جميع الاتجاهات (أي أكثر من 4 π ستيراديانز ) ، سيكون له شدة${\ displaystyle I _ {\ text {V}} = {\ frac {1700 \ {\ text {lm}}} {4 \ pi \ {\ text {sr}}}} \ almost 135 \ {\ text {lm / sr}} = 135 \ {\ text {cd}}}$.
• إذا تم التركيز على شعاع 20 درجة ، فإن نفس المصباح سيكون له شدة تبلغ حوالي 18000 شمعة في الشعاع.

قبل عام 1948 ، تم استخدام معايير مختلفة لشدة الإضاءة في عدد من البلدان. كانت تستند عادةً إلى سطوع اللهب من "شمعة قياسية" ذات تكوين محدد ، أو سطوع خيوط متوهجة ذات تصميم معين. وكان أحد أشهر هذه المعايير هو المعيار الإنجليزي لقوة الشموع. كانت قوة الشمعة الواحدة هي الضوء الذي تنتجه شمعة spermaceti النقية التي تزن سدس رطل وتحترق بمعدل 120  حبة في الساعة. استخدمت ألمانيا والنمسا والدول الاسكندنافية Hefnerkerze ، وهي وحدة تعتمد على خرج مصباح Hefner . ^[8]

أصبح من الواضح أن هناك حاجة إلى وحدة محددة بشكل أفضل. اقترح Jules Violle معيارًا يعتمد على الضوء المنبعث من 1 سم ² من البلاتين عند نقطة الانصهار (أو نقطة التجمد) ، واصفًا هذا بـ Violle. كانت شدة الضوء بسبب تأثير مشعاع بلانك ( جسم أسود ) ، وبالتالي كانت مستقلة عن بناء الجهاز. هذا جعل من السهل على أي شخص قياس المعيار ، حيث كان البلاتين عالي النقاء متاحًا على نطاق واسع ويمكن تحضيره بسهولة.

ل جنة انترناسيونال دي l 'ECLAIRAGE (هيئة الإضاءة الدولية) وCIPM اقترح "شمعة جديدة" على أساس هذا المفهوم الأساسي. ومع ذلك ، تم اختيار قيمة الوحدة الجديدة لجعلها مماثلة لوحدة شمعة الوحدة السابقة من خلال قسمة Violle على 60. صدر القرار من قبل CIPM في عام 1946:

قيمة الشمعة الجديدة هي أن سطوع المبرد الكامل عند درجة حرارة تصلب البلاتين هو 60 شمعة جديدة لكل سنتيمتر مربع . ^[9]

ثم تم التصديق عليها في عام 1948 من قبل CGPM التاسعة ^[10] التي اعتمدت اسمًا جديدًا لهذه الوحدة ، كانديلا . في عام 1967 ، أزال CGPM الثالث عشر مصطلح "شمعة جديدة" وقدم نسخة معدلة من تعريف الشمعة ، مع تحديد الضغط الجوي المطبق على البلاتين المتجمد:

وكانديلا هي شدة الإضاءة، في اتجاه عمودي، من سطح 1/600 000 متر مربع من الجسم الأسود في درجة حرارة التجمد البلاتين تحت ضغط من 101 325  نيوتن لكل متر مربع. ^[11]

في عام 1979 ، وبسبب الصعوبات في تحقيق مشعاع بلانك في درجات حرارة عالية والإمكانيات الجديدة التي يوفرها قياس الإشعاع ، تبنت CGPM رقم 16 تعريفًا جديدًا للكانديلا: ^{[12] [13]}

الشمعة هي شدة الإضاءة ، في اتجاه معين ، لمصدر يصدر إشعاعًا أحادي اللون من التردد 540 × 10 ¹²  هرتز والتي لها كثافة إشعاعية في هذا الاتجاه1/683 واط لكل ستيراديان .

يصف التعريف كيفية إنتاج مصدر الضوء الذي (بحكم التعريف) يصدر شمعة واحدة ، لكنه لا يحدد وظيفة اللمعان لترجيح الإشعاع عند الترددات الأخرى. يمكن بعد ذلك استخدام مثل هذا المصدر لمعايرة الأدوات المصممة لقياس شدة الإضاءة بالرجوع إلى وظيفة لمعان محددة. يوضح ملحق كتيب SI ^[14] أن وظيفة اللمعان ليست محددة بشكل فريد ، ولكن يجب تحديدها لتعريف الشمعة بالكامل.

تم اختيار المصطلح التعسفي (1/683) بحيث يتطابق التعريف الجديد بدقة مع التعريف القديم. على الرغم من تعريف الشمعة الآن من حيث الثانية (وحدة قاعدة SI) والواط (وحدة SI مشتقة) ، تظل الشمعة وحدة أساسية لنظام SI ، بحكم التعريف. ^[15]

وافق CGPM السادس والعشرون على التعريف الحديث للكانديلا في عام 2018 كجزء من إعادة تعريف 2019 للوحدات الأساسية SI ، والتي أعادت تعريف الوحدات الأساسية SI من حيث الثوابت الفيزيائية الأساسية.

العلاقات بين شدة الإضاءة وتدفق الضوء والإضاءة

إذا كان المصدر يصدر شدة إضاءة معروفة I _v (في الشموع) في مخروط محدد جيدًا ، فإن التدفق الضوئي الكلي Φ _v في اللومن يُعطى بواسطة

Φ _v  = I _v 2π [1 - cos ( A / 2)] ،

حيث A هي زاوية إشعاع المصباح - زاوية الرأس الكاملة لمخروط الانبعاث. على سبيل المثال ، مصباح يصدر 590 شمعة بزاوية إشعاع 40 درجة يصدر حوالي 224 لومن. انظر MR16 لمعرفة زوايا انبعاث بعض المصابيح الشائعة. ^{[16] [17]}

إذا كان المصدر يشع الضوء بشكل موحد في جميع الاتجاهات ، يمكن العثور على التدفق بضرب الكثافة في 4π: مصدر موحد 1 شمعة يصدر 12.6 لومن.

لغرض قياس الإضاءة ، فإن الشمعة ليست وحدة عملية ، حيث إنها تنطبق فقط على مصادر الضوء النقطية المثالية ، كل منها يقارب بمصدر صغير مقارنة بالمسافة التي يُقاس منها إشعاعها المضيء ، بافتراض أيضًا أن يتم ذلك. في حالة عدم وجود مصادر ضوء أخرى. ما يتم قياسه مباشرة بواسطة مقياس الضوء هو الضوء الساقط على مستشعر المنطقة المحدودة ، أي الإضاءة بوحدة lm / m ² (lux). ومع ذلك ، إذا كان تصميم الإضاءة من العديد من مصادر الضوء النقطية ، مثل المصابيح الكهربائية ، ذات شدة موحدة تقريبًا معروفة في جميع الاتجاهات ، فإن المساهمات في الإضاءة من الضوء غير المتماسك تكون مضافة ، يتم تقديرها رياضيًا على النحو التالي. إذا ص _ط هو موقف ط مصدر -th من شدة موحدة I _ط ، و â هو متجه الوحدة العادي إلى منطقة مبهمة عنصري مضيئة دا يجري قياسه، وشريطة أن تكون جميع مصادر الضوء تكمن في نفس نصف مساحة مقسوما طائرة هذه المنطقة ،

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

في حالة وجود مصدر ضوء ذو نقطة واحدة للشدة I _v ، على مسافة r والواقعة عادةً ، فإن هذا يقلل إلى

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