แคนเดลา

แคนเดลา (อังกฤษ: candela สัญลักษณ์: cd) หรือที่เรียกทั่วไปว่าแรงเทียน เป็นหน่วยฐานเอสไอของความเข้มของการส่องสว่าง ซึ่งหมายถึงกำลังของแสงต่อมุมตัน (ความเข้มของการแผ่รังสี) ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงในทิศทางเฉพาะ และถ่วงน้ำหนักโดยฟังก์ชันการส่องสว่างซึ่งเป็นแบบจำลองมาตรฐานของความไวแสงของตามนุษย์ในแต่ละความยาวคลื่น

ฟังก์ชันความเข้มการส่องสว่างของการเห็นในเวลากลางวัน (เส้นสีดำ) และการเห็นในเวลากลางคืน (เส้นสีเขียว) แกนนอนเป็นความยาวคลื่นในหน่วยนาโนเมตร

คำว่า Candela มีที่มาจากภาษาละติน และยังเป็นคำที่ใช้ในภาษาสเปน และภาษาอิตาลี โดยมีความหมายว่าเทียนไข โดยหนึ่งแคนเดลามีขนาดประมาณหนึ่งแรงเทียน (หรือ กำลังเทียน, 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 $\lambda$ สามารถคำนวณได้จาก

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

เมื่อ

$I_{v}(\lambda )$ เป็นความเข้มของการส่องสว่างในหน่วยแคนเดลา

$I(\lambda )$ เป็นความเข้มของการปลดปล่อยแสงในหน่วยวัตต์ต่อสเตอเรเดียน

${\overline {y}}(\lambda )$ 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