Люмен
Производная единица СИ · величина: световой поток
01 · Определение
Люмен — световой поток, испускаемый источником силой в одну канделу внутрь телесного угла в один стерадиан. Величина описывает весь свет, который источник отдаёт наружу, безотносительно того, куда он направлен.
Именно люмены заменили ватты на упаковках ламп, когда светодиоды сделали мощность бессмысленной мерой яркости: лампа накаливания в шестьдесят ватт и светодиод в восемь дают одинаковые восемьсот люмен. Полное измерение потока требует собрать свет со всех направлений — источник, светящий равномерно во все стороны, испускает четыре пи стерадиан, то есть в 12,57 раза больше люмен, чем канделы его силы света. Прожектор с той же силой света, но узким лучом, даёт потока в десятки раз меньше, и по одной цифре на коробке отличить его от лампы нельзя.
Ватт говорит, сколько прибор съедает, люмен — сколько света отдаёт. Восьмидесятиваттная лампа времён СССР светила слабее нынешней десятиваттной: мощность росла, а светоотдача стояла на месте.
Лампа накаливания отдаёт около тринадцати люмен на ватт, галогенная — двадцать, люминесцентная — шестьдесят, современный светодиод — от ста двадцати до двухсот. Теоретический предел для белого света приемлемой цветопередачи лежит около трёхсот, а абсолютный, для монохроматического зелёного, равен 683 люменам на ватт — и это уже не техническое ограничение, а определение канделы. Разница между накаливанием и светодиодом объясняется просто: раскалённая нить излучает почти всю энергию в инфракрасном диапазоне, которого глаз не видит вовсе.
Верхняя граница шкалы — Солнце: 3,6·10²⁸ люменов. До земной поверхности из них доходит около ста тысяч люксов в полдень, и никакая лампа с этим не спорит.
02 · Пересчёт
Введите поток — паспорт разложит его по единицам
Пересчёт в канделы возможен только с оговоркой о телесном угле, поэтому таблица считает для равномерного излучения во все стороны. Ватты в последней строке — не мощность лампы, а лучистый поток на длине волны максимума видности.
Одних люмен для выбора лампы недостаточно: два источника с одинаковым потоком различаются цветовой температурой и индексом цветопередачи. Две тысячи семьсот кельвин дают тёплый жёлтый свет лампы накаливания, шесть тысяч — холодный дневной; индекс цветопередачи ниже восьмидесяти означает, что цвета в комнате исказятся, а еда и кожа будут выглядеть неестественно. Европейская маркировка требует всех трёх чисел на упаковке, но заметен обычно только поток.
| Единица | Название | Значение | Где встречается |
|---|---|---|---|
| lm | люмен, единица СИ | 800 | люмен, единица СИ |
| klm | килолюмен | 0,8 | килолюмен |
| Mlm | мегалюмен | 0 | мегалюмен |
| mlm | миллилюмен | 800000 | миллилюмен |
| cd·sr | кандела на стерадиан — то же самое | 800 | кандела на стерадиан — то же самое |
| lm·h | люмен-час: количество света, поток за время горения | 800 | люмен-час: количество света, поток за время горения |
| W(LED) | ватты светодиода: сколько он съест ради этого потока | 5,71 | ватты светодиода: сколько он съест ради этого потока |
| W(inc) | ватты лампы накаливания — привычка с прошлого века | 61,5 | ватты лампы накаливания — привычка с прошлого века |
| HK | свеча Гефнера: немецкий эталон на амилацетате | 88,9 | свеча Гефнера: немецкий эталон на амилацетате |
Множитель четыре пи работает только для равномерного излучения во все стороны.
03 · Порядки величин
от индикатора до маякасотни и тысячи: комнатная лампа, настольная, автомобильная фара
04 · Приборы измерения
Чем измеряют световой поток
Полый шар с белым диффузным покрытием: свет от лампы внутри переотражается тысячи раз, и освещённость на стенке становится пропорциональна полному потоку независимо от того, куда лампа светила. Стандартный прибор для сертификации ламп, диаметром от двадцати сантиметров до трёх метров.
Датчик медленно объезжает источник по сфере и записывает силу света в каждом направлении; поток получается интегрированием. Измерение занимает часы, зато даёт полную диаграмму направленности — без неё светильник спроектировать нельзя.
Разлагает свет в спектр и взвешивает каждую длину волны по кривой видности. Единственный способ измерить поток без систематической ошибки на источниках с узкими линиями — светодиодах и разрядных лампах, где фильтр обычного фотометра не совпадает с кривой достаточно точно.
В самом определении люмена спрятана кривая видности — усреднённая чувствительность глаза, снятая в 1920-х годах на нескольких десятках наблюдателей. Поэтому две лампы с одинаковым числом на коробке могут выглядеть по-разному: поток равен, а спектр разный.
Специально отобранная лампа накаливания со стабилизированным током, поток которой аттестован в национальном институте. Ею калибруют шары и фотометры, а сама она стареет: паспортный срок службы измеряется десятками часов горения, после чего требуется повторная поверка.
05 · Правила записи
Обе буквы строчные, и не путать с люксом
Символ единицы — две строчные латинские буквы lm прямым шрифтом. Название происходит от латинского lumen — свет, поэтому прописных букв в нём нет. Русское обозначение — лм, и слово не склоняется: восемьсот люмен.
Обозначение величины потока — курсивная греческая Φ. Люмен характеризует источник, люкс — освещённую поверхность: приписать лампе люксы значит не указать расстояние, а значит, не сказать ничего. У фонарей и прожекторов производители любят публиковать «люмены ANSI» — поток, измеренный по американской методике с определённым временем прогрева; это те же люмены, но условия испытаний оговорены, что и делает цифры сравнимыми. Отдельная ловушка — «люмены на выходе диода» против «люмен из светильника»: рассеиватель и отражатель съедают от десяти до тридцати процентов.
У проекторов пишут «ANSI-люмены»: это тот же люмен, но измеренный по стандартной методике с девятью точками на экране. Цифры без пометки ANSI сравнивать между собой не стоит — производитель волен мерить их как угодно.
06 · Соседние единицы
Люмен стоит между канделой и люксом: кандела говорит, насколько ярко источник светит в одну сторону, люмен — сколько света он даёт всего, люкс — что из этого досталось поверхности.
Из паспортов Simetrium к люмену примыкают кандела и стерадиан из определения, люкс как поток на площадь, фут-кандела в англо-американской практике и ватт, к которому световой поток привязан кривой видности.
07 · Исторический раздел
От свечи к числу на коробке
Немецким эталоном служила лампа Гефнера, горевшая амилацетатом с фитилём точно заданного диаметра. Она давала около девяти десятых новой канделы, но зависела от влажности и давления воздуха настолько, что результаты приходилось приводить к нормальным условиям.
Международный конгресс электриков ввёл люмен вместе с люксом и фотом. Название взято от латинского lumen — свет; тем же корнем пользовались и в оптике, где люмен означает просвет трубки.
Рядом жила и единица количества света — люмен-час, поток, помноженный на время горения. Так считали расход газовых и керосиновых ламп: не яркость, а сколько света лампа выдала за вечер.
Рихард Ульбрихт предложил полый шар с диффузным покрытием, в котором свет переотражается до полной потери направления. Измерение потока, прежде требовавшее обхода источника по сфере, свелось к одному отсчёту.
Европейская маркировка потребовала указывать световой поток крупнее мощности: ватты перестали говорить о яркости, когда светодиод стал давать вшестеро больше света на ватт. Покупателю пришлось выучить новое число — восемьсот люмен вместо привычных шестидесяти ватт.
Число 683, доставшееся в наследство от свечи
Коэффициент 683 люмена на ватт, стоящий в определении канделы, выглядит произвольным — и он действительно произволен. Его подобрали в 1979 году так, чтобы новая кандела как можно точнее совпала со старой, определённой через излучение платины при температуре затвердевания, а та, в свою очередь, была подогнана под ещё более раннюю свечу. Каждый шаг сохранял преемственность, и в итоге в фундаментальном определении единицы СИ живёт память о фитиле и амилацетате. С 2019 года люмен привязан к ватту точно: коэффициент объявлен константой, как скорость света или заряд электрона. Но точной остаётся только связь с монохроматическим излучением на 540 терагерцах — для любого реального источника поток вычисляется взвешиванием спектра по кривой видности, а та описывает усреднённого наблюдателя, которого в природе не существует. Отсюда предел точности фотометрии: лучшие национальные эталоны воспроизводят люмен с погрешностью около двух десятых процента — на пять порядков хуже, чем электрические единицы.
Эти 683 — максимум для монохроматического света на 555 нанометрах, там, где глаз чувствительнее всего. У белого света предел ниже, около 350 люмен на ватт: часть спектра нужна для белизны, но глазом почти не видна.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные единицы, без которых не обходится ни техника, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи. На 6 языках.
Производные СИ с собственным именем
открыт паспорт люменаБазовые единицы СИ
янтарём — кандела, из которой складывается люменСветовой поток в других записях
Язык паспорта
6 языков. Символ lm международный, а привычка к цветовой температуре разная: в Северной Европе и Америке любят тёплый свет 2700 K, в Азии — холодный дневной, и рекомендации в переводах учитывают местную практику.