Candela

De Comment mesure-t-on ?
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Crayon.png En bref: La candela (cd) est l'unité de mesure du système international qui sert à mesurer l'intensité lumineuse.
Elle est définie de cette manière : La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence [math]540.10^{12}[/math] hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian. (BIPM) .
L'intensité lumineuse "normale" d'une bougie est proche de 1cd, l'intensité énergétique choisie pour la définition a été prise pour se rapprocher de celle d'une bougie.


Postit.png Le stéradian est une mesure "d'angle solide" (noté sr) : c'est à dire un angle en trois dimensions, pouvant être représenté par un cône ayant pour sommet le centre d'une sphère. L'angle solide d'une sphère complète vaut 4[math]\pi[/math] stéradian


Des unités photométriques

Sensibilité oculaire humaine en fonction de la longueur d'onde reçue
Par Skatebiker, vector by Adam Rędzikowski — File:Evesensitivity.svg, vectorised, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24492291

Il existe deux types d’unités pour observer un rayonnement électromagnétique (dont fait partie la lumière). Les unités radiométriques et photométriques. Alors que les unités radiométriques servent pour toutes les longueurs d'onde, et ne tiennent pas compte de la perception humaine, les unités photométriques tiennent compte de la perception humaine de la lumière, et ne sont donc utilisées que pour les rayonnements visibles.
En effet, pour une intensité lumineuse donnée, l’être humain ne percevra pas autant de lumière, selon la couleur du rayonnement. C’est ce qui explique que la définition de la candela est à une fréquence bien précise, c’est la fréquence où l’être humain perçoit le mieux la lumière (celle pour laquelle on a le meilleur rapport intensité perçue/intensité reçue).


Unités dérivées de la candela

  • le lumen (lm) : Est l’unité d’éclairement total émis par une source. Il est défini en fonction de la candela :

[math] 1lm=1cd.sr [/math] Pour une sphère complète avec une source à 1cd on aura [math]1lm . 4\pi = 12.57 lm[/math]

Avant septembre 2010, dans les pays de l'Union Européenne, la puissance des ampoules était donnée en Watts, ce qui correspond à la puissance électrique que l'on envoie dans l'ampoule. Avec l'arrivée des ampoules à LED (diode électroluminescente) et fluocompactes, l'Union Européenne a fait changer cette unité pour les lumens, indicateur de la quantité totale de lumière émise par l'ampoule.


Un luxmètre avec : à gauche la cellule réceptrice de lumière, à droit le boitier donnant la valeur mesurée par la cellule.
  • le lux (lx) : Est l’unité d’éclairement reçu par unité de surface. Il est défini en fonction de la candela, ou du lumen :

[math]1lx= \frac{1cd.sr}{m²}[/math] et [math]1lx=\frac{1lm}{m²}[/math]

Le lux est l'unité utilisée pour déterminer les niveaux d'éclairement nécessaires dans différents milieux (dans un bureau, dans la rue...)
On peut mesurer l’éclairement d’un lieu à l’aide d’un luxmètre. C’est un appareil composé d’une cellule qui reçoit une certaine quantité de lumière, et qui émet un signal électrique dont l’intensité est proportionnelle à la quantité de lumière reçue. Ce signal est reçu par un boitier et visualisé de différentes manières (aiguilles sur un cadran, valeur numérique affichée, allumage d’une diode…)


Quelques valeurs d'éclairement reçu :

-Lumière directe du soleil : 32 000 à 100 000 lx (dépend de l'heure, de la saison, et de divers autres facteurs)
-Sur un plateau de télévision : 1 000 lx
-Dans un bureau : 200 à 750 lx selon le type de travail effectué, plus un travail est précis, plus il demande une luminosité importante (Régi par la loi UNI EN 12464 de l'UE)
-Lors d'un jour très couvert : 100 lx
-Une nuit de pleine lune : 0.05-0.36 lx

La naissance de la candela

Avant la création de la candela et son utilisation, de nombreux pays utilisaient des lampes à flamme ou à incandescence comme base pour les mesures d'intensité lumineuse. En France, l'étalon de la candela était la lumière d'une bougie. Après 1948 (lors de la 9ème CGPM), ces étalons furent remplacés par la candela. La candela était alors égale à l’intensité lumineuse émise par un corps noir (voir l'encadré ci-dessous) de surface 1/600000 mètre carré sous une pression de 101 325 Newtons par mètre carré (équivaut à la pression atmosphérique moyenne sur Terre) à 2042 Kelvin.
Cependant, les expériences permettant de définir la candela étaient difficiles à mettre en place, et de nouvelles technologies de radiométrie ont commencé à voir le jour, rendant alors obsolète l'ancienne définition de la candela. En 1979, la 16ème CGPM a adopté la définition actuelle de la candela.


Postit.png
Par Brews ohare - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18197115
Un corps noir est un objet théorique (impossible à reproduire exactement) capable d’absorber tout rayonnement qu’il reçoit, et dont le spectre d’émission électromagnétique ne dépend que de sa température.
On peut créer un objet semblable en utilisant une simple boîte noire et opaque, dans laquelle on perce un petit trou. C'est un outil simple et performant pour simuler un corps noir (une infime quantité de lumière peut encore s'échapper du corps noir, mais suffisamment peu pour ne pas gêner les calculs). Ici on voit que très peu de rayons entrants dans la boîte pourront en ressortir, les autres seront absorbés après réflexion sur les parois de cette boîte.
On peut aussi se placer dans un four à parois opaques et noires, qui aura alors presque le même comportement qu'un corps noir.



Bibliographie/Webographie

BIPM: Résolution 3 de la 16e CGPM, 1979 [en ligne, consulté le 4 juillet 2016]. Disponible sur internet: <http://www.bipm.org/fr/CGPM/db/16/3/>