Mario Sedlak
Maßeinheiten
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Maßeinheiten für Licht

Licht ist eine elektromagnetische Welle und wird daher physikalisch mit den Maßeinheiten für elektromagnetische Strahlung beschrieben.

Wellenlänge
(Farbe)
Gewichtung
(Helligkeit)
380 nm 0,01 lm/W
385 nm 0,05 lm/W
390 nm 0,17 lm/W
400 nm 1,4 lm/W
450 nm 61 lm/W
500 nm 315 lm/W
550 nm 677 lm/W
555 nm 682 lm/W
560 nm 681 lm/W
600 nm 450 lm/W
650 nm 74 lm/W
700 nm 2,5 lm/W
750 nm 0,07 lm/W
780 nm 0,01 lm/W

So kommt man von Watt zu Lumen.[1]

Für den Menschen ist wichtig, wie hell das Licht erscheint. Je nach Farbe sind für den gleichen Helligkeitseindruck mehr oder weniger Watt Strahlungsleistung erforderlich. Gewichtet man nun für jede Farbe die in Watt gemessene Strahlungsleistung mit der Helligkeit, die sie erzeugt, erhält man ein Maß für die vom Menschen empfundene Helligkeit. Diese Maßeinheit wird Lumen genannt und bildet die Grundlage für alle anderen Lichtmaßeinheiten, die sich auf den Menschen beziehen. (In Naturgesetzen kommen diese Maßeinheiten daher nicht vor.)

Wichtigste Größen

Größe Einheit Abk. Anmerkung
  • Lichtstrom
Lumen lm wie viel Licht von einer Lichtquelle ausgesandt wird
  • Beleuchtungsstärke
Lumen pro Quadratmeter = Lux lx wie viel Licht auf einer Fläche ankommt
  • Lichtstärke
Lumen pro Steradiant = Candela cd wie viel Licht in einer bestimmten Richtung ausgesandt wird

Verwirrung

Lichtstärke ist im Internationalen Einheitensystem eine Basiseinheit, baut aber eigentlich auf dem Lichtstrom auf. Viele Einführungen in das Thema beginnen mit der Basiseinheit Candela, was für Neulinge dann schwer zu verstehen ist, weil da dann plötzlich Lumen auftauchen. Werden Lumen als Candela mal Steradiant definiert, kann man sich auch nicht so leicht etwas darunter vorstellen. Was soll überhaupt ein "Lichtstrom" sein? Tatsächlich braucht man "nur" eine Umrechnung von Watt in Lumen. Zumindest für mich ist das am einfachsten, da ich mich mit Physik auskenne. Ich denke mir bei Lumen, dass das "eigentlich Watt" sind und kann mir so auch die Einheiten Lumen pro Quadratmeter und Lumen pro Steradiant gut vorstellen.

Noch dazu klingen die Größen Lichtstrom, Beleuchtungsstärke und Lichtstärke alle irgendwie ähnlich und Steradiant sind auch kaum jemandem vertraut, da die Maßeinheit für Raumwinkel eigentlich nur bei den Lichteinheiten vorkommt.

Beispiele für Verwirrung

Verwendung und Umrechnung

Der Zweck einer Lampe ist üblicherweise, eine gewisse Helligkeit (Beleuchtungsstärke in Lux) zu erzielen. Die erzielbare Helligkeit hängt aber vom Abstand zwischen Lampe und bestrahlter Fläche ab und kann daher nicht als Eigenschaft der Lampe angegeben werden. Man kann aber die in 1 m erzielbare Helligkeit angeben. Das sind dann Candela.

1 Candela = 1 Lux in 1 m Entfernung.

Candela ist also lediglich eine "normierte" Beleuchtungsstärke. Die Verwendung von Raumwinkeln ist gar nicht erforderlich!

Das gesamte Licht einer Lampe (Lichtstrom in Lumen) kann wie Candela als Maß für die erzielbare Helligkeit genommen werden, wenn die Lampe in alle Richtungen ungefähr gleich stark scheint. Dann ist die Zahl in Lumen ca. das 12-Fache von der Zahl in Candela (weil es in 1 m Abstand ca. 12, genau: 4π m2 gibt).

Leuchtet die Lampe nur einen gewissen Lichtkegel aus, dann ist Lumen als Maß ergänzend zu Candela nützlich, um die Größe des Lichtkegels abzuschätzen. Wenn der Lichtkegel gleichmäßig hell und in 1 m Entfernung 1 m2 groß ist, dann sind Lumen-Zahl und Candela-Zahl annähernd gleich groß. Ist er nur 0,5 m2 groß, dann ist die Lumen-Zahl ungefähr die Hälfte der Candela-Zahl usw.

Wie gleichmäßig der Lichtkegel ausgeleuchtet wird, kann auch die Lumen-Zahl nicht sagen. Aber grundsätzlich gilt:

Je kleiner die Lumen-Zahl im Verhältnis zur Candela-Zahl ist, desto stärker ist das Licht der Lampe gebündelt.

(Erstaunlicherweise gibt es für dieses Verhältnis keinen eigenen Namen wie z. B. Bündelung.)

Fazit

Welche der Einheiten Lumen, Lux und Candela am zweckmäßigsten ist, wird von Experten, die ich befragt habe oder von denen ich gelesen habe, unterschiedlich beantwortet. Meines Erachtens hängt es ganz vom Zweck ab. Jede Einheit hat ihre Berechtigung. Manchmal braucht man mehrere Einheiten; manchmal reichen alle nicht aus und man braucht noch weitere Informationen, um eine Entscheidung treffen zu können. Es ist klar, dass ein, zwei Zahlen nicht ein u. U. komplexes Lichtbild exakt beschreiben können.

Abgeleitete Einheiten

Größe Einheit Abk. Anmerkung
Candela pro Quadratmeter cd/m2 Genau das wird als "Helligkeit einer Lampe" wahrgenommen.
Lumen pro Watt lm/W
  • Lichtmenge
Lumensekunden lms
  • Belichtung
Luxsekunden lxs
  • spezifische Lichtausstrahlung
Lumen pro Quadratmeter lm/m2 Gleiche Einheit wie Lux, aber Lux misst eintreffendes Licht.

Andere Einheiten

für Pflanzen

Größe Einheit Abk. Definition
  • photosynthetischer Photonenfluss
Mikromol pro Sekunde µmol/s für die Photosynthese nutzbare Photonen
  • photosynthetische Bestrahlungsstärke
Watt pro Quadratmeter W/m2 Strahlungsleistung im für die Photosynthese nutzbaren Spektrum

in der Astronomie

Größe Einheit Abk. Definition umgerechnet
Magnitudo (Größenklasse) mag Basiert auf der empfangenen Strahlungsleistung (in Watt pro Quadratmeter). Diese wird durch die Strahlungsleistung von Wega oder einem anderen Stern(durchschnitt) dividiert. Vom Ergebnis wird der Logarithmus genommen, sodass ein Stern mit 1 mag genau 100 Mal so hell wie ein Stern mit 6 mag ist, und dieser 100 Mal heller als einer mit 11 mag usw.
  • 1 mag = 8 nW/m2
  • 6 mag = 0,08 nW/m2
  • –26,73 mag = Sonne = 1025 W/m2
  • visuelle Helligkeit
Es wird nur das sichtbare Licht gerechnet bzw. ein Ausschnitt davon, z. B. bei 550 nm Wellenlänge.
  • 1 mag = 10–6 lx
  • 0 mag = 2,7·10–6 lx
  • –26,73 mag = 130 000 lx

(rein rechnerisch, ohne Effekte durch Staubwolken, Sonnenatmosphäre etc.!)

für Linsen

Fällt etwas aus dem Rahmen, hat aber auch mit Licht zu tun:

Größe Einheit Abk. Anmerkung
  • Brechkraft
Dioptrie dpt Kehrwert der Brennweite

Weblinks

Falls du mir nicht glaubst, kannst du hier nachlesen:

Das sind auch gut verständliche, sachkundige Einführungen in das Thema.

Literatur

Quellen

[1] Auszug aus einer Tabelle der Internationalen Beleuchtungskommission (XLS), Blatt "1964 col observer", Spalte C, multipliziert mit 683 – Vgl. englische Wikipedia, Luminosity function, wo diese Datei verlinkt ist.