Канделла

Канделла (от лат. candela — свеча; русское обозначение: кд, международное: cd) — единица силы света в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц. Канделла определяет мощность светового потока, излучаемого источником в определённом направлении, с учётом спектральной чувствительности человеческого глаза. Является фундаментальной фотометрической величиной, на основе которой определяются производные единицы: люмен (световой поток), люкс (освещённость) и нит (яркость).

Определение

Согласно современному определению, принятому на 16-й Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в 1979 году, одна канделла — это сила света в заданном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² герц (что соответствует зелёному цвету с длиной волны около 555 нанометров), энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 ватт на стерадиан. Данное определение привязано к физическим константам и не зависит от эталонных источников света.

История

Ранние эталоны

До введения канделлы в качестве стандартной единицы в разных странах использовались различные эталоны силы света, основанные на пламени свечи или лампы. В России в XIX веке применялась «русская свеча» — эталон, изготовленный из спермацета с определённым фитилём. В Великобритании использовалась «свеча Хефнера» (Hefnerkerze), в Германии — «свеча Карселя» (Carcel lamp). Эти эталоны были нестабильны и давали значительные расхождения.

Международная стандартизация

В 1909 году на Международной конференции по электрическим единицам и эталонам в Лондоне была принята «международная свеча» (candle internationale), основанная на группе угольных ламп накаливания, хранившихся во Франции и Великобритании. В 1937 году Международный комитет мер и весов (МКМВ) утвердил эталон на основе пламени пентановой лампы. Однако с развитием фотометрии возникла необходимость в более точном и воспроизводимом эталоне.

Переход к физическому определению

В 1948 году на 9-й ГКМВ было принято решение заменить «международную свечу» на новую единицу — канделлу. Первоначальное определение было основано на излучении абсолютно чёрного тела при температуре затвердевания платины (2042 К). Эталон представлял собой полый цилиндр из платины, нагреваемый до расплавления. Сила света 1/60 квадратного сантиметра поверхности такого излучателя принималась за 1 канделлу. Это определение просуществовало до 1979 года, когда его заменили на современное, привязанное к частоте излучения и энергетической мощности.

Физическая основа

Канделла учитывает спектральную чувствительность человеческого глаза, которая описывается функцией относительной спектральной световой эффективности \( V(\lambda) \). Максимум этой функции приходится на длину волны 555 нм (зелёный свет). Для монохроматического излучения этой длины волны мощность 1/683 Вт, излучаемая в телесном угле 1 стерадиан, создаёт силу света в 1 канделлу. Для других длин волн требуется большая энергетическая мощность, чтобы достичь той же силы света, поскольку глаз менее чувствителен к ним.

Связь с другими единицами

Канделла является основой для производных фотометрических единиц:

• Люмен (лм) — световой поток, равный 1 кд × 1 ср (сила света в 1 кд, излучаемая в телесном угле 1 стерадиан).
• Люкс (лк) — освещённость, равная 1 лм/м².
• Ниты (кд/м²) — яркость поверхности, равная 1 кд/м².

Применение

Канделла используется в науке, технике и промышленности для измерения и нормирования характеристик источников света, осветительных приборов и оптических систем.

Светотехника

В светотехнике сила света в канделлах указывается в паспортах светодиодов, ламп, прожекторов и фонарей. Например, типичный светодиод белого света мощностью 1 Вт может иметь силу света от 50 до 150 кд в зависимости от угла рассеивания. Для автомобильных фар сила света регулируется ПДД: дальний свет должен давать не менее 30 000 кд в центральной зоне.

Авиация и навигация

Канделла используется для нормирования сигнальных огней на самолётах, маяках, аэродромах и судах. Например, аэронавигационные огни на крыльях самолёта должны иметь силу света не менее 30 кд в красном и зелёном диапазонах.

Фотометрия и колориметрия

В научных лабораториях канделла применяется для калибровки фотометров, спектрорадиометров и других измерительных приборов. Эталонные источники света (например, галогенные лампы с известной силой света) используются для поверки оборудования.

Медицина и биология

В офтальмологии и физиологии зрения сила света в канделлах используется для оценки яркости стимулов при проведении исследований зрительной системы. В светотерапии нормируется интенсивность излучения для лечения сезонных аффективных расстройств.

Интересные факты

• Название «канделла» происходит от латинского слова «свеча», что отражает историческую связь с эталонами на основе пламени.
• Современное определение канделлы было принято в 1979 году, чтобы исключить зависимость от физического эталона (платинового излучателя) и перейти к фундаментальным константам (частоте и мощности).
• В быту сила света часто путают со световым потоком (люмены). Например, лампа накаливания мощностью 100 Вт создаёт световой поток около 1300 лм, но её сила света зависит от конструкции колбы и рассеивателя.
• В России государственный эталон канделлы хранится во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) в Москве.

Критика и ограничения

Некоторые исследователи отмечают, что определение канделлы, привязанное к монохроматическому излучению 540·10¹² Гц, неудобно для практических измерений широкополосных источников света (например, ламп дневного света или светодиодов). Для таких источников требуется пересчёт через спектральную световую эффективность, что усложняет калибровку. Кроме того, функция \( V(\lambda) \) была стандартизирована в 1924 году и не полностью соответствует современным данным о зрительном восприятии, особенно в области синего и красного спектра. Однако для большинства инженерных и научных задач точность канделлы остаётся достаточной.

Источники

• ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин»
• Международный словарь по светотехнике (CIE International Lighting Vocabulary)
• Декларация 16-й Генеральной конференции по мерам и весам (1979)
• Справочник по фотометрии и радиометрии (под ред. А. А. Гершуна, 1958)
• Материалы Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений (ВНИИОФИ)