Lumen
Pochodna jednostka SI · wielkość: strumień świetlny
01 · Definicja
Lumen to strumień świetlny wysyłany przez źródło o światłości jednej kandeli w kąt bryłowy jednego steradiana. Wielkość opisuje całe światło, które źródło oddaje na zewnątrz, niezależnie od tego, dokąd jest skierowane.
To właśnie lumeny zastąpiły waty na opakowaniach lamp, kiedy diody uczyniły moc bezsensowną miarą jasności: żarówka sześćdziesięciowatowa i dioda ośmiowatowa dają te same osiemset lumenów. Pełny pomiar strumienia wymaga zebrania światła ze wszystkich kierunków — źródło świecące równomiernie na wszystkie strony wysyła cztery pi steradiany, czyli 12,57 razy więcej lumenów niż kandeli swojej światłości. Reflektor o tej samej światłości, ale wąskiej wiązce, daje strumień dziesiątki razy mniejszy, a po jednej liczbie na pudełku odróżnić go od lampy się nie da.
Wat mówi, ile przyrząd zjada, lumen — ile światła oddaje. Osiemdziesięciowatowa lampa czasów radzieckich świeciła słabiej niż dzisiejsza dziesięciowatowa: moc rosła, a skuteczność świetlna stała w miejscu.
Żarówka oddaje około trzynastu lumenów na wat, halogenowa — dwadzieścia, świetlówka — sześćdziesiąt, współczesna dioda — od stu dwudziestu do dwustu. Granica teoretyczna dla światła białego o możliwym do przyjęcia oddawaniu barw leży około trzystu, a bezwzględna, dla monochromatycznej zieleni, wynosi 683 lumeny na wat — i to już nie ograniczenie techniczne, lecz definicja kandeli. Różnicę między żarówką a diodą tłumaczy się prosto: rozżarzone włókno wypromieniowuje niemal całą energię w podczerwieni, której oko nie widzi wcale.
Górną granicą skali jest Słońce: 3,6·10²⁸ lumenów. Do powierzchni Ziemi dociera z nich około stu tysięcy luksów w południe, i żadna lampa z tym nie dyskutuje.
02 · Przeliczanie
Wpisz strumień — karta rozłoży go na jednostki
Przeliczenie na kandele jest możliwe tylko z zastrzeżeniem o kącie bryłowym, dlatego tabela liczy dla promieniowania równomiernego we wszystkich kierunkach. Waty w ostatnim wierszu to nie moc lampy, lecz strumień promienisty na długości fali największej czułości oka.
Same lumeny do wyboru lampy nie wystarczą: dwa źródła o jednakowym strumieniu różnią się temperaturą barwową i wskaźnikiem oddawania barw. Dwa tysiące siedemset kelwinów daje ciepłe żółte światło żarówki, sześć tysięcy — zimne dzienne; wskaźnik oddawania barw poniżej osiemdziesięciu oznacza, że barwy w pokoju się zniekształcą, a jedzenie i skóra będą wyglądać nienaturalnie. Europejskie oznakowanie wymaga wszystkich trzech liczb na opakowaniu, ale zwykle zauważa się tylko strumień.
| Jednostka | Nazwa | Wartość | Gdzie występuje |
|---|---|---|---|
| lm | lumen, jednostka SI | 800 | lumen, jednostka SI |
| klm | kilolumen | 0,8 | kilolumen |
| Mlm | megalumen | 0 | megalumen |
| mlm | millilumen | 800000 | millilumen |
| cd·sr | kandela na steradian — dokładnie to samo | 800 | kandela na steradian — dokładnie to samo |
| lm·h | lumenogodzina: ilość światła, strumień przez czas świecenia | 800 | lumenogodzina: ilość światła, strumień przez czas świecenia |
| W(LED) | waty diody: ile zje dla takiego strumienia | 5,71 | waty diody: ile zje dla takiego strumienia |
| W(inc) | waty żarówki — przyzwyczajenie z minionego wieku | 61,5 | waty żarówki — przyzwyczajenie z minionego wieku |
| HK | świeca Hefnera: niemiecki wzorzec na octanie amylu | 88,9 | świeca Hefnera: niemiecki wzorzec na octanie amylu |
Mnożnik cztery pi działa tylko dla promieniowania równomiernego we wszystkich kierunkach.
03 · Rzędy wielkości
od kontrolki do latarni morskiejsetki i tysiące: lampa pokojowa, biurkowa, reflektor samochodu
04 · Przyrządy pomiarowe
Czym mierzy się strumień świetlny
Pusta kula z białą rozpraszającą powłoką: światło lampy w środku odbija się tysiące razy, a natężenie oświetlenia na ściance staje się proporcjonalne do pełnego strumienia, niezależnie od tego, dokąd lampa świeciła. Standardowy przyrząd do certyfikacji lamp, o średnicy od dwudziestu centymetrów do trzech metrów.
Czujnik powoli objeżdża źródło po sferze i zapisuje światłość w każdym kierunku; strumień wychodzi z całkowania. Pomiar trwa godzinami, za to daje pełną charakterystykę kierunkową — bez niej oprawy zaprojektować nie sposób.
Rozkłada światło na widmo i waży każdą długość fali krzywą czułości oka. Jedyny sposób, by zmierzyć strumień bez błędu systematycznego na źródłach o wąskich liniach — diodach i lampach wyładowczych, gdzie filtr zwykłego fotometru nie pokrywa się z krzywą dostatecznie dokładnie.
W samej definicji lumena ukryta jest krzywa czułości oka — uśredniona wrażliwość wzroku, zdjęta w latach dwudziestych na kilkudziesięciu obserwatorach. Dlatego dwie lampy z jednakową liczbą na pudełku mogą wyglądać różnie: strumień jest równy, widmo nie.
Specjalnie dobrana żarówka o ustabilizowanym prądzie, której strumień poświadczono w instytucie krajowym. Wzorcuje się nią kule i fotometry, a sama się starzeje: deklarowany czas pracy mierzy się dziesiątkami godzin świecenia, po czym potrzebne jest ponowne sprawdzenie.
05 · Zasady zapisu
Obie litery małe, i nie mylić z luksem
Symbolem jednostki są dwie małe litery łacińskie lm, pismem prostym. Nazwa pochodzi od łacińskiego lumen — światło, dlatego wielkich liter w niej nie ma. Po polsku odmienia się zwyczajnie: osiemset lumenów.
Oznaczeniem wielkości strumienia jest pochylona grecka Φ. Lumen opisuje źródło, luks — oświetlaną powierzchnię: przypisać lampie luksy znaczy nie podać odległości, a więc nie powiedzieć nic. Przy latarkach i reflektorach producenci lubią podawać «lumeny ANSI» — strumień zmierzony według metody amerykańskiej z określonym czasem nagrzewania; to te same lumeny, ale warunki badania są zastrzeżone, i właśnie to czyni liczby porównywalnymi. Osobna pułapka to «lumeny na wyjściu diody» wobec «lumenów z oprawy»: klosz i odbłyśnik zjadają od dziesięciu do trzydziestu procent.
Przy projektorach pisze się «lumeny ANSI»: ten sam lumen, ale zmierzony wedle znormalizowanej metody z dziewięcioma punktami na ekranie. Liczb bez dopisku ANSI nie warto ze sobą porównywać — producent wolno mu mierzyć je, jak mu wygodnie.
06 · Jednostki sąsiednie
Lumen stoi między kandelą a luksem: kandela mówi, jak mocno źródło świeci w jedną stronę, lumen — ile światła daje w sumie, luks — co z tego dostało się powierzchni.
Spośród kart Simetrium sąsiadują z lumenem kandela i steradian z definicji, luks jako strumień na powierzchnię, stopokandela w praktyce anglo-amerykańskiej i wat, z którym strumień świetlny wiąże krzywa czułości oka.
07 · Dział historyczny
Od świecy do liczby na pudełku
Wzorcem niemieckim była lampa Hefnera, paląca octan amylu knotem o ściśle określonej średnicy. Dawała około dziewięciu dziesiątych nowej kandeli, ale zależała od wilgotności i ciśnienia powietrza na tyle, że wyniki trzeba było sprowadzać do warunków normalnych.
Międzynarodowy Kongres Elektryków wprowadził lumen wraz z luksem i fotem. Nazwę wzięto z łacińskiego lumen — światło; tego samego rdzenia używano i w optyce, gdzie lumen oznacza światło przewodu.
Obok żyła i jednostka ilości światła — lumenogodzina, strumień pomnożony przez czas świecenia. Tak liczono zużycie lamp gazowych i naftowych: nie jasność, lecz ile światła lampa wydała przez wieczór.
Richard Ulbricht zaproponował pustą kulę z rozpraszającą powłoką, w której światło odbija się aż do zupełnej utraty kierunku. Pomiar strumienia, wcześniej wymagający obejścia źródła po sferze, sprowadził się do jednego odczytu.
Europejskie oznakowanie kazało podawać strumień świetlny większą czcionką niż moc: waty przestały mówić o jasności, gdy dioda zaczęła dawać sześć razy więcej światła na wat. Kupujący musiał nauczyć się nowej liczby — osiemset lumenów zamiast przywykłych sześćdziesięciu watów.
Liczba 683, odziedziczona po świecy
Współczynnik 683 lumeny na wat, stojący w definicji kandeli, wygląda na dowolny — i dowolny istotnie jest. Dobrano go w 1979 roku tak, aby nowa kandela możliwie dokładnie pokryła się ze starą, określoną przez promieniowanie platyny w temperaturze krzepnięcia, a tamta z kolei była dopasowana do jeszcze wcześniejszej świecy. Każdy krok zachowywał ciągłość, i w rezultacie w podstawowej definicji jednostki SI żyje pamięć o knocie i octanie amylu. Od 2019 roku lumen jest związany z watem dokładnie: współczynnik ogłoszono stałą, jak prędkość światła czy ładunek elektronu. Ale dokładny pozostaje tylko związek z promieniowaniem monochromatycznym o częstotliwości 540 teraherców — dla dowolnego rzeczywistego źródła strumień oblicza się, ważąc widmo krzywą czułości oka, a ta opisuje uśrednionego obserwatora, którego w naturze nie ma. Stąd granica dokładności fotometrii: najlepsze wzorce państwowe odtwarzają lumen z niepewnością około dwóch dziesiątych procenta — o pięć rzędów gorzej niż jednostki elektryczne.
Te 683 to maksimum dla światła monochromatycznego o długości 555 nanometrów, tam gdzie oko jest najczulsze. Dla światła białego granica leży niżej, około 350 lumenów na wat: część widma potrzebna jest dla bieli, ale oko prawie jej nie widzi.
Katalog · jednostki miary
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne z własnymi nazwami oraz jednostki spoza układu, bez których nie obejdzie się ani technika, ani życie codzienne. Każda ma osobny arkusz: definicja, przeliczanie, przyrządy, zasady zapisu. W 26 językach.
Jednostki pochodne SI z własną nazwą
karta lumena jest otwartaJednostki podstawowe SI
bursztynem — kandela, z której składa się lumenStrumień świetlny w innych zapisach
Język karty
26 języków. Symbol lm jest międzynarodowy, a przyzwyczajenie do temperatury barwowej różne: w Europie Północnej i w Ameryce lubi się ciepłe światło 2700 K, w Azji — zimne dzienne, i zalecenia w tłumaczeniach uwzględniają miejscową praktykę.