แคนเดลา

แคนเดลา (อังกฤษ: candela สัญลักษณ์: cd) หรือที่เรียกทั่วไปว่าแรงเทียน เป็นหน่วยฐานเอสไอของความเข้มของการส่องสว่างหมายถึง กำลังแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงในทิศทางเฉพาะ และถ่วงน้ำหนักโดยฟังก์ชันการส่องสว่างซึ่งเป็นแบบจำลองมาตรฐานของความไวแสงของตามนุษย์ในแต่ละความยาวคลื่น

ฟังก์ชันความเข้มการส่องสว่างของการเห็นในเวลากลางวัน (เส้นสีดำ) และการเห็นในเวลากลางคืน (เส้นสีเขียว) แกนนอนเป็นความยาวคลื่นในหน่วยนาโนเมตร

คำว่า Candela ในภาษาละติน ภาษาสเปน และภาษาอิตาเลียนแปลว่าเทียน หนึ่งแคนเดลามีขนาดประมาณหนึ่งแรงเทียน (Candle Power) ซึ่งใช้ประมาณความสว่างของเทียนหนึ่งเล่ม

นิยาม

เช่นเดียวกับหน่วยฐานเอสไออื่นๆ แคนเดลามีนิยามเชิงปฏิบัติการ ตั้งแต่การประชุมมาตรวิทยาระหว่างประเทศครั้งที่ 16 ในปี 1979 หน่วยแคนแดลาได้รับการนิยามจากกระบวนการทางฟิสิกส์ที่ให้ความเข้มของการส่องสว่างขนาด 1 แคนเดลาดังนี้

หนึ่งแคนเดลาเท่ากับความเข้มส่องสว่างในทิศที่กำหนดของแหล่งกำเนิดที่แผ่รังสีของแสงความถี่เดียวที่มีความถี่ 540×10¹² เฮิรตซ์ และมีความเข้มของการแผ่รังสีในทิศทางนั้นเท่ากับ 1/683 วัตต์ต่อสเตอเรเดียน

ในนิยามได้อธิบายวิธีการสร้างแหล่งกำเนิดที่ให้แสงที่มีความเข้มของการส่องสว่างขนาด 1 แคนเดลา (ตามนิยาม) เพื่อให้ออกแบบเครื่องมือสอบเทียบ (calibrate) ที่สามารถตรวจวัดความเข้มความเข้มของการส่องสว่างได้

คำอธิบาย

ความถี่ดังกล่าวเป็นช่วงสเปกตรัมที่มองเห็นใกล้แสงสีเขียว ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณ 555 นาโนเมตร ความถี่นี้เป็นความถี่ที่ไวต่อตามนุษย์สูงสุดในเวลากลางวัน สำหรับแสงความถี่อื่นๆ ต้องปล่อยแสงด้วยความเข้มที่สูงกว่านี้จึงจะรับรู้ความเข้มของการส่องสว่างที่เท่ากันได้ ความเข้มของการส่องสว่างสำหรับความยาวคลื่น ${\displaystyle \lambda }$  สามารถคำนวณได้จาก

${\displaystyle I_{v}(\lambda )=683.002\,{\overline {y}}(\lambda )I(\lambda )}$ 

เมื่อ

${\displaystyle I_{v}(\lambda )}$  เป็นความเข้มของการส่องสว่างในหน่วยแคนเดลา

${\displaystyle I(\lambda )}$  เป็นความเข้มของการปลดปล่อยแสงในหน่วยวัตต์ต่อสเตอเรเดียน

${\displaystyle {\overline {y}}(\lambda )}$  เป็นฟังก์ชันการส่องสว่างมาตรฐาน ถ้ามีมากกว่าหนึ่งความยาวคลื่น (ซึ่งเป็นกรณีโดยทั่วไป) ต้องทำการรวมหรือหาปริพันธ์บนช่วงความยาวคลื่นของสเปกตรัมดังกล่าวเพื่อหาความเข้มของการส่องสว่างทั้งหมด

ความเข้มการส่องสว่างของเทียน 1 เล่มมีขนาดประมาณ 1 แคนเดลา ความเข้มการส่องสว่างของหลอดไส้ 100 วัตต์มีขนาดประมาณ 120 แคนเดลา

ต้นกำเนิด

ก่อนหน้าปี 1948 มาตรฐานของความเข้มของการส่องสว่างยังคงหลากหลายในแต่ละประเทศ นอกจากเปรียบเทียบ กับแสงเทียนแล้ว ยังเปรียบเทียบแสงไฟที่เกิดจากการเผาเส้นใยเฉพาะอย่าง หนึ่งในหน่วยวัดความเข้มของการส่องสว่าง ที่เป็นที่รู้จักได้แก่ แรงเทียนในระบบมาตรฐานอังกฤษ หนึ่งแคนเดลาเท่ากับความสว่างที่เกิดมาจากเทียนที่ทำมาจาก ไขปลาวาฬบริสุทธิ์น้ำหนักเศษหนึ่งส่วนหกปอนด์และเผาไหม้ในอัตรา 120 เกรนต่อชั่วโมง เยอรมนี ออสเตรีย และ สแกนดินาเวียใช้หน่วย hefnerkerze ซึ่งนำมาจากตะเกียงเฮฟเนอร์ (Hefner lamp)

จากความต้องการการนิยามหน่วยความเข้มของการส่องสว่างที่ชัดเจนยิ่งขึ้น คณะกรรมาธิการระหว่างประเทศว่าด้วยความส่องสว่าง (International Commission on Illumination: CIE) และคณะกรรมการมาตรวิทยาสากล (CIPM) ได้เสนอ “แรงเทียนใหม่” โดยใช้การส่องสว่างจากการแผ่รังสีของพลังค์จากแพลทินัมแช่แข็ง และปรับค่าของหน่วยใหม่ให้ใกล้เคียงกับหน่วยแรงเทียนเดิม ในที่สุด CIPM ได้ตัดสินใจประกาศนิยามในปี 1946 ว่า

แรงเทียนใหม่ นิยามมาจาก ความสว่างจากการแผ่รังสีในทุกๆ สเปกตรัม ณ จุดเยือกแข็งของแพลทินัมจะต้องเท่ากับ 60 แรงเทียนใหม่ต่อตารางเซนติเมตร

ในการประชุมมาตรวิทยาระหว่างประเทศครั้งที่ 9 ในปี 1948 ได้เปลี่ยนชื่อหน่วยนี้เป็น "แคนเดลา" ในการประชุมมาตรวิทยา ระหว่างประเทศครั้งที่ 13 ปี 1947 ได้ยกเลิกคำว่า "แรงเทียนใหม่" และขยายนิยามหน่วยแคนเดลาเพิ่มเติมว่า การแช่แข็ง แพลทินัมต้องทำในความดันบรรยากาศกลายเป็น

หนึ่งแคนเดลาเท่ากับความเข้มส่องสว่างในทิศที่กำหนดบนพื้นผิว 1/600 000 ตารางเมตรของวัตถุดำ ณ จุดเยือกแข็งของแพลทินัมภายใต้ความดัน 101 325 นิวตันต่อตารางเมตร

เนื่องจากความยุ่งยากในการสร้างตัวแผ่รังสีของพลังค์ในอุณหภูมิสูงและความเป็นไปได้จากมาตรรังสีวิทยา (Radiometry) ในการประชุมมาตรวิทยาระหว่างประเทศครั้งที่ 16 ปี 1979 จึงได้เปลี่ยนนิยามของแคนเดลาไปเป็นนิยามในปัจจุบันในที่สุด ค่าคงที่ 1/683 ในนิยามใหม่เป็นค่าที่เลือกมาเพื่อให้มีค่าใกล้เคียงกับ "แรงเทียนใหม่" ในนิยามเดิม ถึงแม้ว่าหน่วยแคนเดลาจะนิยามด้วย วินาที (หน่วยฐานเอสไอ) และวัตต์ (หน่วยอนุพันธ์เอสไอ) หน่วยแคนเดลาก็ยังคงเป็นหน่วยฐานเอสไอตามนิยาม

อ้างอิง

1. CIE Scotopic luminosity curve (1951)
2. "Base unit definitions: Candela". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. สืบค้นเมื่อ September 27, 2010.
3. "What is a Candela?". WiseGeek. สืบค้นเมื่อ August 24, 2008.
4. "Hefner unit, or Hefner candle". Sizes.com. 30 May 2007. สืบค้นเมื่อ 25 February 2009.
5. Barry N. Taylor (1992). The Metric System: The International System of Units (SI). U. S. Department of Commerce. p. 18. ISBN 0941375749. (NIST Special Publication 330, 1991 ed.)
6. 13th CGPM Resolution 5, CR, 104 (1967), and Metrologia, 4, 43–44 (1968).
7. "The photometric base unit – the candela" (pdf). SI Brochure. Bureau International des Poids et Mesures. 7 September 2007.