Candela (cd): La unidad SI de intensidad luminosa

La candela (símbolo: cd) es la unidad básica del SI para la intensidad luminosa, que cuantifica el brillo percibido de la luz visible emitida por una fuente en una dirección particular. A diferencia de otras unidades del SI basadas únicamente en constantes físicas invariantes, la candela incorpora de manera única un aspecto fisiológico—la visión fotópica humana—lo que la convierte en la única unidad básica del SI fundamentalmente vinculada a la percepción humana.

Definición y fundamento

La candela se define oficialmente de la siguiente manera:

“La candela, símbolo cd, es la unidad SI de intensidad luminosa en una dirección dada. Se define tomando el valor numérico fijo de la eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia 540 × 10¹² hertz, Kcd, igual a 683 cuando se expresa en la unidad lm·W⁻¹, que es igual a cd·sr·W⁻¹.”

Esto significa que una candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática a 540 × 10¹² Hz (correspondiente a una longitud de onda de 555 nm en aire—luz verde, donde la sensibilidad del ojo humano es máxima) con una intensidad radiante de 1/683 vatio por estereorradián en esa dirección.

La función de luminosidad fotópica CIE (V(λ)) muestra la sensibilidad del ojo humano a las longitudes de onda visibles. La definición de la candela utiliza el máximo en 555 nm.

La candela es direccional y perceptual:

• Direccional: Mide la intensidad en una dirección específica, no la salida total de luz.
• Perceptual: Está ponderada por la respuesta del ojo humano, descrita por la función de luminosidad fotópica CIE (V(λ)), no solo por la energía física.

Alcance y limitaciones

¿Qué mide la candela?

• Intensidad luminosa (cd): la potencia de luz visible emitida por unidad de ángulo sólido en una dirección específica, según la percibe el ojo humano promedio.
• No mide la salida total de luz (lumen), la luz incidente sobre una superficie (lux), ni la radiación no visible (infrarroja/ultravioleta).

¿Dónde se utiliza?

• Diseño de iluminación (focos, faros de vehículos, pantallas de visualización)
• Señalización en aviación, automoción, marítima y ferroviaria
• Regulación y cumplimiento de la seguridad (por ejemplo, señales de salida de emergencia, luces de obstrucción)
• Tecnología de visualización y pantallas
• Estudios de ergonomía y confort visual

¿Cuáles son sus limitaciones?

• Solo se aplica a la luz visible, según la respuesta del observador estándar (V(λ)).
• No es adecuada para aplicaciones de percepción no humana (por ejemplo, visión artificial, sistemas IR/UV).
• No indica la salida total de la fuente—es direccional, no integral.

Desarrollo histórico

La candela evolucionó a partir de los primeros intentos de estandarizar la luz usando velas y lámparas:

• Siglo XIX: Las “velas estándar” (por ejemplo, vela de esperma inglesa, lámpara Carcel francesa) definían la salida de luz, pero eran muy variables.
• 1909: La vela internacional se definió mediante una lámpara de filamento de carbono.
• 1933: Cambio a referencia física—cuerpo negro en el punto de congelación del platino.
• 1948: El sistema SI formaliza esto como la unidad básica.
• 1979: Definición moderna basada en radiación monocromática a 555 nm (540 × 10¹² Hz), alineada con la sensibilidad máxima del ojo humano.
• 2019: La revisión actual del SI vincula la candela a constantes fundamentales y a la eficacia luminosa fija de 683 lm/W a 555 nm.

Esta progresión refleja el paso de estándares de referencia empírica a definiciones reproducibles basadas en la física y la fisiología.

Magnitudes fotométricas: la familia de la medición de la luz

La candela es central en la fotometría, que cuantifica la luz en términos significativos para la visión humana. Las magnitudes relacionadas incluyen:

• Intensidad luminosa (cd): I = Φ/Ω
• Flujo luminoso (lm): Φ = I × Ω
• Iluminancia (lx): E = Φ/A o E = I/r² (superficie perpendicular)
• Luminancia (cd/m²): L = I/A (área proyectada)

Ejemplo de cálculo

Una fuente puntual emite 1 candela uniformemente en todas las direcciones. Como una esfera tiene 4π estereorradianes, el flujo luminoso total es:

[ \Phi = 1,\text{cd} \times 4\pi,\text{sr} \approx 12.57,\text{lm} ]

El ojo humano y la curva fotópica CIE

Los ojos humanos no son igualmente sensibles a todas las longitudes de onda visibles. La función de luminosidad fotópica CIE V(λ) modela esto, con un pico en 555 nm (verde-amarillo). La definición de la candela utiliza este pico para la máxima eficacia luminosa:

• 1 vatio a 555 nm = 683 lúmenes
• Para otras longitudes de onda, la eficacia es menor (por ejemplo, ~73 lm/W a 435 nm azul)

Los instrumentos y cálculos fotométricos siempre ponderan la luz mediante V(λ), diferenciando la fotometría de la radiometría (que trata todos los fotones por igual).

Realización de la candela en el laboratorio

Realizar la candela implica:

1. Calibración de fotodetectores: Uso de fotodiodos de silicio de precisión con filtros que reproducen la curva V(λ).
2. Fuentes de referencia: Utilización de fuentes monocromáticas a 555 nm para patrones primarios.
3. Medición de potencia radiante: Medición precisa de la potencia de la fuente y su geometría (ángulo sólido).
4. Cálculo: Uso de la potencia radiante, ángulo sólido, ponderación V(λ) y el valor fijo de 683 lm/W.
5. Trazabilidad: Los institutos nacionales de metrología (por ejemplo, NIST, BIPM) diseminan los estándares mediante calibraciones.
6. Patrones secundarios: Uso de lámparas, LED o esferas integradoras calibradas para mediciones rutinarias.

Las esferas integradoras se utilizan para medir el flujo luminoso total y calibrar fuentes en relación con la candela.

Aplicaciones: aviación, diseño de iluminación y más allá

Aviación

• Luces de pista y rodaje: Los valores mínimos de candela son especificados por la OACI y FAA para garantizar visibilidad y seguridad.
• Balizas anticolisión de aeronaves: Deben emitir niveles específicos de candela en sentido horizontal y vertical.
• Luces de obstrucción: Las estructuras altas deben tener luces visibles a kilómetros, especificadas en candela.

Especificación de productos de iluminación

• Focos, faros, luminarias: Las hojas de datos especifican la “candela máxima” y curvas de distribución de candela para el control del haz.
• Iluminación de emergencia: Los códigos de edificación requieren un mínimo de candela en las rutas de evacuación.

Impactos ambientales y en la salud

• Contaminación lumínica: Las regulaciones pueden restringir la candela máxima por encima del plano horizontal para proteger el cielo nocturno y la fauna.
• Deslumbramiento e impacto circadiano: Las normas de iluminación utilizan la candela para garantizar el confort y minimizar la alteración biológica.

Relaciones matemáticas

• Intensidad luminosa: ( I = \Phi / \Omega )
• Flujo luminoso: ( \Phi = I \cdot \Omega )
• Iluminancia: ( E = I / r^2 ) (superficie perpendicular)
• Luminancia: ( L = I / A )
• Ángulo sólido: ( \Omega = A / r^2 )

Ejemplo:
Una lámpara emite 500 cd en un hemisferio de 2π sr:
( \Phi = 500,\text{cd} \times 2\pi,\text{sr} \approx 3142,\text{lm} )

Ejemplos cotidianos

• Llama de vela: ≈ 1 candela en todas las direcciones
• Semáforo: 200–300 candela para visibilidad diurna
• Foco teatral: Más de 10,000 candela en un haz enfocado
• Baliza de aviación: Más de 400 candela para visibilidad anticolisión

¿Por qué se referencia 555 nm (verde)?

El ojo es más sensible (en condiciones de alta luminosidad) a 555 nm. La definición de la candela utiliza esto para asegurar la máxima reproducibilidad y relevancia fisiológica, garantizando que las unidades fotométricas reflejen cómo ve realmente el ser humano.

Realización en laboratorio: herramientas prácticas

• Esferas integradoras: Capturan toda la luz emitida para la calibración del flujo total.
• Goniofotómetros: Mapean la distribución angular de la intensidad (cd) de una fuente.
• Fotodiodos calibrados: Proporcionan señales eléctricas rastreables que reproducen V(λ).

Resumen

La candela une la física y la percepción humana, proporcionando un estándar reproducible y universalmente aceptado para especificar la intensidad de la luz visible. Desde la aviación a la arquitectura, de las pantallas a la protección ambiental, la candela garantiza que la luz se mida, regule y optimice para la visión humana.

Para detalles técnicos o regulatorios adicionales, consulte la Brochure del SI, las normas CIE o su instituto nacional de metrología.

Las curvas de distribución de candela son esenciales en el diseño de iluminación, mostrando la intensidad en función del ángulo.

Referencias

• Brochure del SI (BIPM): https://www.bipm.org/en/measurement-units
• Normas fotométricas de la CIE: https://cie.co.at/
• Fotometría NIST: https://www.nist.gov/pml/weights-and-measures/si-units-candela
• OACI Anexo 14 – Aeródromos
• Circular de asesoramiento FAA 150/5345-43

Si tiene más preguntas sobre la candela o la medición fotométrica, no dude en contactar a nuestros expertos .