Candela

candela
Funciones de eficiencia luminosa fotópica (negra) y escotópica [1] (verde). La fotópica incluye la norma CIE 1931 [2] (línea continua), los datos modificados de Judd–Vos 1978 [3] (línea discontinua) y los datos de Sharpe, Stockman, Jagla y Jägle 2005 [4] (línea discontinua). El eje horizontal es la longitud de onda en nm.
información general
Sistema de unidades	SI
Unidad de	intensidad luminosa
Símbolo	cd
Conversiones
1 cd en...	... es igual a...
velas internacionales	≈ 1,02 cp
Velas de Hefner	≈ 1.11 Hong Kong

La candela (símbolo: cd ) es la unidad de intensidad luminosa en el Sistema Internacional de Unidades (SI). ^{[5] [6]} 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 es ponderada por la función de eficiencia luminosa , el modelo de la sensibilidad del ojo humano a diferentes longitudes de onda, estandarizado por la CIE y la ISO . ^{[7] [4] [8]} 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 proviene del latín y significa vela . El antiguo nombre "vela" todavía se usa a veces, como en pie-candela y la definición moderna de potencia de vela . ^[9]

La 26ª Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) redefinió la candela en 2018. ^{[10] [11]} La nueva definición, que entró en vigor el 20 de mayo de 2019, es:

La candela [...] se define tomando el valor numérico fijo de la eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia540 × 10 ¹²  Hz , ^[a] K _cd , que es 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 s ³ , donde el kilogramo, el metro y el segundo se definen en términos de h , c y Δ ν _Cs . ^[12]

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 a condiciones brillantes, 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 para la luz de una longitud de onda particular λ está dada por donde I _v ( λ ) es la intensidad luminosa , I _e ( λ ) es la intensidad radiante y es la función de eficiencia luminosa fotópica . Si hay más de una longitud de onda presente (como suele ser el caso), uno debe integrar sobre el espectro de longitudes de onda para obtener la intensidad luminosa total.$${\displaystyle I_{\mathrm {v} }(\lambda )=683.002\ \mathrm {lm/W} \cdot {\overline {y}}(\lambda )\cdot I_{\mathrm {e} }(\ lambda),}$$${\textstyle \textstyle {\overline {y}}(\lambda)}$

• Una vela común emite luz con una intensidad luminosa de aproximadamente 1 cd.
• Una bombilla fluorescente compacta de 25 W emite alrededor de 1700  lúmenes ; si esa luz se irradia de manera uniforme en todas las direcciones (es decir, a lo largo de 4 π estereorradianes ), tendrá una intensidad de${\displaystyle I_{\text{V}}={\frac {1700\ {\text{lm}}}{4\pi \ {\text{sr}}}}\aprox 135\ {\text{lm}}/{\text{sr}}=135\ {\text{cd}}.}$
• Enfocada en un haz de 20° (0,095 estereorradianes), la misma bombilla tendría una intensidad de alrededor de 18.000 cd o 18 kcd dentro del haz.

Antes de 1948, en varios países se utilizaban diversos estándares de intensidad luminosa. Estos se basaban normalmente en el brillo de la llama de una "vela estándar" de composición definida, o en el brillo de un filamento incandescente de diseño específico. Uno de los más conocidos era el estándar inglés de potencia de vela. 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 utilizaban la Hefnerkerze , una unidad basada en la potencia de una lámpara Hefner . ^[13]

Se necesitaba un mejor estándar para la intensidad luminosa. En 1884, 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). La unidad de intensidad resultante, llamada "violle", era aproximadamente igual a 60 candelas inglesas. El platino era conveniente para este propósito porque tenía un punto de fusión lo suficientemente alto, no era propenso a la oxidación y podía obtenerse en forma pura. ^[14] Violle demostró que la intensidad emitida por el platino puro dependía estrictamente de su temperatura, por lo que el platino en su punto de fusión debería tener una intensidad luminosa constante.

En la práctica, la realización de un estándar basado en la propuesta de Violle resultó ser más difícil de lo esperado. ^[14] Las impurezas en la superficie del platino podrían afectar directamente su emisividad, y además las impurezas podrían afectar la intensidad luminosa alterando el punto de fusión. Durante el siguiente medio siglo, varios científicos intentaron hacer un estándar de intensidad práctico basado en platino incandescente. El enfoque exitoso fue suspender una cáscara hueca de dióxido de torio con un pequeño orificio en ella en un baño de platino fundido. La cáscara (cavidad) sirve como un cuerpo negro , produciendo radiación de cuerpo negro que depende de la temperatura y no es sensible a los detalles de cómo está construido el dispositivo.

En 1937, la Commission Internationale de l'Éclairage (Comisión Internacional de Iluminación) y el CIPM propusieron una "nueva vela" basada en este concepto, con un valor elegido de forma que fuera similar a la unidad anterior, la potencia de la vela. La decisión fue promulgada por el CIPM en 1946:

El valor de la nueva vela es tal que el brillo del radiador lleno a la temperatura de solidificación del platino es de 60 nuevas velas por centímetro cuadrado . ^[15]

^{En 1948, la 9.ª CGPM [16]} la ratificó y adoptó un nuevo nombre para esta unidad, la candela . En 1967, la 13.ª CGPM eliminó el término "nueva candela" y dio una versión modificada de la definición de candela, especificando la presión atmosférica aplicada al platino en congelación:

La candela es la intensidad luminosa, en dirección perpendicular, de una superficie de 1/600 000 metros cuadrados de un cuerpo negro a la temperatura de congelación del platino bajo una presión de 101 325  newtons por metro cuadrado. ^[17]

En 1979, debido a las dificultades para realizar un radiador de Planck a altas temperaturas y las nuevas posibilidades que ofrecía la radiometría , la 16ª CGPM adoptó una nueva definición de la candela: ^{[18] [19]}

La candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia540 × 10 ¹²  hercios y que tiene una intensidad radiante en esa dirección de ⁠1/683⁠  vatio por estereorradián .

La definición describe cómo producir una fuente de luz que (por definición) emite una candela, pero no especifica la función de eficiencia luminosa para ponderar la radiación en otras frecuencias. Dicha fuente podría entonces utilizarse para calibrar instrumentos diseñados para medir la intensidad luminosa con referencia a una función de eficiencia luminosa especificada. Un apéndice del folleto del SI ^[20] deja claro que la función de eficiencia luminosa no se especifica de forma única, sino que debe seleccionarse para definir completamente la candela.

El término arbitrario (1/683) se eligió para que la nueva definición coincidiera exactamente con la antigua. Aunque la candela ahora se define en términos del segundo (una unidad básica del SI) y el vatio (una unidad derivada del SI), la candela sigue siendo una unidad básica del sistema SI, por definición. ^[21]

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

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 donde A es el ángulo de radiación de la lámpara (el ángulo del vértice completo del cono de emisión). Por ejemplo, una lámpara que emite 590 cd con un ángulo de radiación de 40° emite aproximadamente 224 lúmenes. Consulte MR16 para conocer los ángulos de emisión de algunas lámparas comunes.$${\displaystyle \Phi _{\mathrm {v} }=I_{\mathrm {v} }2\pi [1-\cos(A/2)]}$$

Si la fuente emite luz uniformemente en todas las direcciones, el flujo se puede encontrar multiplicando la intensidad por 4 π : una fuente uniforme de 1 candela emite 4 π lúmenes (aproximadamente 12,566 lúmenes).

Para medir la iluminación, la candela no es una unidad práctica, ya que sólo 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 sobre un sensor de área finita, es decir, la iluminancia en lm/m2 ⁽ lux). Sin embargo, si se diseña la iluminación a partir de muchas fuentes de luz puntuales, como bombillas, de intensidades uniformes omnidireccionales aproximadas conocidas, siendo las contribuciones a la iluminancia de la luz incoherente aditivas, se estima matemáticamente de la siguiente manera. Si r _i es la posición de la i ésima fuente de intensidad uniforme I _i , y â es el vector unitario normal al área opaca elemental iluminada dA que se está midiendo, y siempre que todas las fuentes de luz se encuentren en el mismo semiespacio dividido por el plano de esta área, En el caso de una sola fuente de luz puntual de intensidad I _v , a una distancia r e incidente normalmente, esto se reduce a$${\displaystyle {\text{iluminancia en el punto }}\mathbf {r} {\text{ en }}dA{\text{, }}E_{\mathrm {v} }(\mathbf {r} )=\sum _{i}{{\frac {|\mathbf {\hat {a}} \cdot (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{i})|}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{i}|^{3}}}I_{i}}.}$$$${\displaystyle E_{\mathrm {v} }(r)={\frac {I_{\mathrm {v} }}{r^{2}}}.}$$

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