Candela ist die SI-Einheit der Lichtstärke

Candela ist die SI-Einheit der Lichtstärke
Licht wird durch mehrere Merkmale beschrieben, die Lichtstärke ist als SIBasiseinheit festgelegt, andere lichttechnische Einheiten sind daraus abgeleitet
Von Prof. Dr. Mintken
Candela ist im Internationalen Einheitensystem SI die Basiseinheit für die Lichtstärke, als
Einheitenzeichen ist cd festgelegt. Die Bezeichnung Candela ist lateinischer Herkunft und
bedeutet „Kerze“. Ausgesprochen wird Candela mit Betonung auf der zweiten Silbe. Die
international übliche Abkürzung SI ergibt sich aus der französischen Bezeichnung Système
International d’Unités. Es handelt sich bei diesem Internationalen System um sieben
Basiseinheiten, aus denen weitere Einheiten so abgeleitet werden dürfen, dass kein
Umrechnungsfaktor erforderlich wird. Die SI-Basiseinheiten und die abgeleiteten Einheiten
bilden zusammen die SI-Einheiten.
In Deutschland ist Candela die gesetzliche Einheit der Lichtstärke, deren Verwendung im
geschäftlichen und im amtlichen Verkehr obligatorisch ist. Als SI-Vorsatz wird gelegentlich Milli
verwendet, um durch mcd Teile von 1 cd zu bezeichnen. Daneben sind für andere
lichttechnische Größen weitere Einheiten wie Lumen für den Lichtstrom oder Lux für die
Beleuchtungsstärke gesetzlich zulässig. Dies ergibt sich aus der Einheitenverordnung
(EinhVO), die auf der Grundlage des Gesetzes über die Einheiten im Messwesen und die
Zeitbestimmung, kurz Einheiten- und Zeitgesetz (EinhZeitG), vom zuständigen Bundesminister
für Wirtschaft erlassen wurde.
Lichtstärke als physikalische Größe
Das sichtbare Licht umfasst die elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge von etwa 380
Nanometer (nm) bis 780 nm, wobei die Empfindlichkeit des Auges für die optische Strahlung
ausgehend von einem Maximum bei etwa 555 nm in Richtung beider Grenzwerte nach einem
charakteristischen Kurvenverlauf abnimmt. Mit demselben Energieaufwand wird deshalb bei
unterschiedlichen Wellenlängen ein unterschiedlicher Helligkeitseindruck erzeugt, in
lichttechnischen Größen wird dieser Zusammenhang berücksichtigt. Das menschliche Auge
nimmt gleichzeitig die Helligkeit und die Farbe des Lichts wahr. Aufgrund der Eigenschaften
des menschlichen Auges ist die Empfindlichkeit für das Licht bei Tag und bei Nacht leicht
unterschiedlich, für das Nachtsehen liegt die maximale Empfindlichkeit des Auges bei 507 nm,
also etwas niedriger als beim Tagsehen. In dem sichtbaren Strahlungsbereich ist das gesamte
Farbenspektrum enthalten, wie es bei einem Regenbogen sichtbar wird, der sich von violett
über blau, grün, gelb bis rot erstreckt. Nicht sichtbare Wellen, wie Funkwellen, sind länger,
Röntgenstrahlung hat eine kürzere Wellenlänge. Licht breitet sich mit der Lichtgeschwindigkeit
von knapp 300000 km/s in der Luft aus. Wie alle elektromagnetischen Strahlungen kann auch
die Lichtstrahlung entweder durch die Angabe der Wellenlänge oder der Frequenz
beschrieben werden, wobei das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz der
Lichtgeschwindigkeit entspricht.
Für die seit 1979 geltende Definition der Lichtstärke wird im SI die Frequenzangabe genutzt.
Ausgewählt wurde die Frequenz 540 Terahertz, dies entspricht einer Wellenlänge von 555 nm.
Damit wird die maximale Empfindlichkeit des Auges in die Definition einbezogen. Für die
Festlegung einer zu definierenden Einheit wird eine Bezugsgröße benötigt. Dies ist im Fall der
Lichtstärke als lichttechnischer Größe die Strahlstärke als energetische Größe, die als
Leistung bezogen auf den Raumwinkel definiert ist (Watt durch Steradiant, W/sr). Die
Lichtstärke von 1 Candela ist nach der SI-Definition gegeben, wenn die Strahlungsquelle eine
Strahlung von 540 Terahertz in eine bestimmte Richtung aussendet und dabei eine
Strahlstärke in dieser Richtung von 1/683 Watt durch Steradiant aufweist. Der ungewöhnliche
Zahlenwert 1/683 wurde mit Rücksicht auf die bereits vorhandene Fachsystematik
lichttechnischer Größen gewählt, er bewirkt als Maximalwert des photometrischen
Strahlungsäquivalents die Umrechnung zwischen energetischen und lichttechnischen Größen.
Candela und Lumen zwischen Watt und Lux
Für praktische Zwecke kommt es meistens darauf an, den gesamten Lichtstrom der Lampe zu
kennen. Dieser kann aus der Lichtstärke und dem jeweiligen Raumwinkel ermittelt werden.
Hierzu wird über alle Wellenlängen die Lichtstärke mit dem Raumwinkel multipliziert, die
Einheit des so ermittelten Lichtstroms wird Lumen (lm) genannt, also 1 cd mal 1 sr ergibt 1 lm.
Im Einzelhandel mit Lampen ist aufgrund der Kennzeichnungspflicht neben anderen Daten der
abgegebene Lichtstrom in Lumen anzugeben.
Soll der Lichtstrom eine Fläche beleuchten, wie eine Arbeitsfläche oder eine Verkehrsfläche,
ist entscheidend, welcher Lichtstrom an der zu beleuchtenden Fläche ankommt. Der
ankommende Lichtstrom wird mit dem Quadrat der Entfernung zur Lichtquelle geringer. Er wird
an der zu beleuchtenden Fläche auf die Flächeneinheit bezogen, also Lichtstrom geteilt durch
Fläche. Trifft ein Lichtstrom von 1 lm auf die Fläche von 1 m², so beträgt die sich daraus
ergebende Beleuchtungsstärke 1 lm/m², die als 1 Lux (lx) bezeichnet wird. Zur Ermittlung der
vorhandenen Beleuchtungsstärke werden Messgeräte verwandt, die Luxmeter genannt
werden. Für allgemeine Arbeitsplätze im Büro sind mindestens 300 lx bis etwa 750 lx
erforderlich.
Aus der aufgenommenen Leistung in Watt lassen sich die Betriebskosten der Lampe
berechnen. Aus dem Lichtstrom und der aufgenommenen Leistung kann das Verhältnis lm/W
gebildet werden, häufig als Lichtausbeute bezeichnet. Das Verhältnis lm/W gibt Auskunft über
die Effizienz der Lampe. Bei herkömmlichen Glühlampen sind etwa 12 lm/W üblich, bei
modernen LED-Lampen 100 lm/W und mehr. Candela und Lumen sind als lichttechnische
Größen also Zwischenstationen auf dem Weg von der Energiezufuhr in Watt bis zum Ergebnis
der Beleuchtungsstärke in Lux.
Literatur- und Quellenhinweise
Gesetz über die Einheiten im Messwesen und die Zeitbestimmung (Einheiten- und Zeitgesetz
EinhZeitG)
Ausführungsverordnung zum Gesetz über die Einheiten im Messwesen und die
Zeitbestimmung (Einheitenverordnung EinhV)
DIN 1301-1: 2010-10: Einheiten: Einheitennamen, Einheitenzeichen
Physikalisch-Technische Bundesanstalt: Das Internationale Einheitensystem (SI). Sonderdruck
PTB-Mitteilungen 117 (2007) 2. Bremerhaven 2007
Deutsche Lichttechnische Gesellschaft e.V. (Hrsg.): Klimawandel und Energieeffizienz. Berlin
2009
Autor:
Prof. Dr. Karl-Heinz Mintken VDI
Dipl.-Ing. Dipl.-Päd.
Freier Wissenschaftler
Cloppenburger Str. 458
26133 Oldenburg