Candela

La candela (o; símbolo: cd) es la unidad de intensidad luminosa en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Mide la potencia luminosa por unidad de ángulo sólido emitida por una fuente de luz en una dirección particular. La intensidad luminosa es análoga a la intensidad radiante, pero en lugar de simplemente sumar las contribuciones de cada longitud de onda de luz en el espectro de la fuente, la contribución de cada longitud de onda se pondera mediante la función de luminosidad estándar (un modelo de la sensibilidad de la ojo humano a diferentes longitudes de onda). Una vela de cera común emite luz con una intensidad luminosa de aproximadamente una candela. Si la emisión en algunas direcciones está bloqueada por una barrera opaca, la emisión aún sería de aproximadamente una candela en las direcciones que no están oscurecidas.

La palabra candela en latín significa vela. El antiguo nombre "vela" todavía se usa a veces, como en pie-candela y la definición moderna de candelabro.

Definición

La 26.ª Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) redefinió la candela en 2018. La nueva definición, que entró en vigor el 20 de mayo de 2019, es:

El candela [...] se define tomando el valor numérico fijo de la eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia 540 × 10¹²Hz, K_cd, a ser 683 cuando se expresa en la unidad lm W⁻¹, que es igual a cd sr W⁻¹, o cd sr kg⁻¹ m⁻² s³, donde el kilogramo, metro y segundo se definen en términos de h, c y ΔνCs.

Explicación

La frecuencia elegida está en el espectro visible cerca del verde, correspondiente a una longitud de onda de unos 555 nanómetros. El ojo humano, cuando está adaptado para condiciones de mucha luz, es más sensible cerca de esta frecuencia. En estas condiciones, la visión fotópica domina la percepción visual de nuestros ojos sobre la visión escotópica. En otras frecuencias, se requiere más intensidad radiante para lograr la misma intensidad luminosa, de acuerdo con la respuesta de frecuencia del ojo humano. La intensidad luminosa de la luz de una determinada longitud de onda λ viene dada por

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

Donde I_v()λ) es la intensidad luminosa, I_e()λ) es la intensidad radiante y ${displaystyle textstyle {overline {}(lambda)}$ es la función luminosidad fotopic. Si más de una longitud de onda está presente (como suele ser el caso), se debe integrar en el espectro de longitudes de onda para obtener la intensidad luminosa total.

Ejemplos

• Una vela común emite luz con una intensidad luminosa de aproximadamente 1 cd.
• Una bombilla fluorescente compacta de 25 W pone alrededor de 1700 lúmenes; si esa luz se irradia igualmente en todas las direcciones (es decir, más de 4π esteradianos), tendrá una intensidad de ${displaystyle I_{text{V}={frac {1700 {text{lm}}{4pi {text{sr}}}}approx 135 {text{lm}/{text{sr}=135 {text{cd}}$
• Enfocada en un haz de 20° (0.095 esteradianos), la misma bombilla tendría una intensidad de alrededor de 18.000 cd dentro del haz.

Historia

Antes de 1948, varios estándares de intensidad luminosa estaban en uso en varios países. Por lo general, se basaban en el brillo de la llama de una "vela estándar" de composición definida, o el brillo de un filamento incandescente de diseño específico. Uno de los más conocidos fue el estándar inglés de la potencia de las velas. Una potencia de vela era la luz producida por una vela de espermaceti puro que pesaba un sexto de libra y ardía a una velocidad de 120 granos por hora. Alemania, Austria y Escandinavia utilizaron la Hefnerkerze, una unidad basada en la salida de una lámpara Hefner.

Se hizo evidente que se necesitaba una unidad mejor definida. Jules Violle había propuesto un estándar basado en la luz emitida por 1 cm² de platino en su punto de fusión (o punto de congelación), llamándolo Violle. La intensidad de la luz se debía al efecto del radiador de Planck (un cuerpo negro) y, por lo tanto, era independiente de la construcción del dispositivo. Esto facilitó que cualquiera pudiera medir el estándar, ya que el platino de alta pureza estaba ampliamente disponible y se preparaba fácilmente.

La Commission Internationale de l'Éclairage (Comisión Internacional de Iluminación) y el CIPM propusieron una "nueva vela" en base a este concepto básico. Sin embargo, el valor de la nueva unidad se eligió para que fuera similar a la unidad anterior de potencia de vela dividiendo el Violle por 60. La decisión fue promulgada por el CIPM en 1946:

El valor del nueva vela es tal que el brillo del radiador completo a la temperatura de la solidificación del platino es 60 nuevas velas por centímetro cuadrado.

Luego fue ratificado en 1948 por la CGPM IX que adoptó un nuevo nombre para esta unidad, la candela. En 1967, la 13.ª CGPM eliminó el término "vela nueva" y dio una versión modificada de la definición de candela, especificando la presión atmosférica aplicada al platino congelado:

El candela es la intensidad luminosa, en la dirección perpendicular, de una superficie 1 600 000 metro cuadrado de un cuerpo negro a la temperatura de congelación platino bajo una presión 101 325newtons per square metre.

En 1979, debido a las dificultades para realizar un radiador de Planck a altas temperaturas y las nuevas posibilidades que ofrece la radiometría, la 16ª CGPM adoptó una nueva definición de la candela:

El candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia 540×10¹²hertz y que tiene una intensidad radiante en esa dirección 1/683watt per steradian.

La definición describe cómo producir una fuente de luz que (por definición) emite una candela, pero no especifica la función de luminosidad para ponderar la radiación en otras frecuencias. Dicha fuente podría usarse para calibrar instrumentos diseñados para medir la intensidad luminosa con referencia a una función de luminosidad específica. Un apéndice del Folleto SI aclara que la función de luminosidad no se especifica de manera única, sino que debe seleccionarse para definir completamente la candela.

Se eligió el término arbitrario (1/683) para que la nueva definición coincidiera exactamente con la definición anterior. Aunque la candela ahora se define en términos del segundo (una unidad base SI) y el vatio (una unidad SI derivada), la candela sigue siendo una unidad base del sistema SI, por definición.

La 26.ª CGPM aprobó la definición moderna de la candela en 2018 como parte de la redefinición de las unidades base del SI de 2019, que redefinió las unidades base del SI en términos de constantes físicas fundamentales.

Unidades fotométricas de luz SI

Relaciones entre intensidad luminosa, flujo luminoso e iluminancia

Si una fuente emite una intensidad luminosa conocida I_v (en candelas) en un cono bien definido, el flujo luminoso total Φ _v en lúmenes viene dado por

CCPR_v= I_v 2π [1 − porque(A/2)],

donde A es el ángulo de radiación de la lámpara: el ángulo de vértice completo del cono de emisión. Por ejemplo, una lámpara que emite 590 cd con un ángulo de radiación de 40° emite unos 224 lúmenes. Ver MR16 para conocer los ángulos de emisión de algunas lámparas comunes.

Si la fuente emite luz uniformemente en todas las direcciones, el flujo se puede encontrar multiplicando la intensidad por 4π: a fuente uniforme de 1 candela emite 12,6 lúmenes.

A los efectos de medir la iluminación, la candela no es una unidad práctica, ya que solo se aplica a fuentes de luz puntuales idealizadas, cada una aproximada por una fuente pequeña en comparación con la distancia desde la que se mide su radiación luminosa, suponiendo también que se hace así en ausencia de otras fuentes de luz. Lo que se mide directamente con un fotómetro es la luz incidente en un sensor de área finita, es decir, la iluminancia en lm/m² (lux). Sin embargo, si se diseña iluminación a partir de muchas fuentes de luz puntuales, como bombillas, de intensidades omnidireccionalmente uniformes aproximadas conocidas, las contribuciones a la iluminancia de la luz incoherente son aditivas, se estima matemáticamente de la siguiente manera. Si r_i es la posición de la iésima fuente de intensidad uniforme I_i , y â es el vector unitario normal al área opaca elemental iluminada dA que se mide, y siempre que todas las fuentes de luz se encuentren en el mismo medio espacio dividido por el plano de esta área,

${displaystyle {text{illuminance at point}mathbf {r} {texto {}d} A{text{,0} ¿Por qué? (mathbf {r} -mathbf {r} _{i}) - Mathbf {r} Yo...$

En el caso de una única fuente de luz puntual de intensidad I_v, a una distancia r y normalmente incidente, ésta se reduce a

${displaystyle E_{mathrm}(r)={frac {I_{2}}} {I_{2}} {fnK}} {fnK}} {fnK}}} {f} {fnK}}}}}} {fnK}}}}}} {fnK}}}}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\m}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

Múltiplos SI

Al igual que otras unidades del SI, la candela también se puede modificar agregando un prefijo métrico que la multiplique por una potencia de 10, por ejemplo, milicandelas (mcd) por 10⁻³ candelas.