Wie misst man die Helligkeit einer Taschenlampe? Lumen, Candela und Lux

📑 Was ist eigentlich Helligkeit?

Um diese letzte Frage genau zu beantworten, brauchen wir zunächst Grundkenntnisse über Helligkeitseinheiten. In der Physik häufig verwendete Einheiten für Helligkeit sind:

✏️ Die Einheit der Lichtstärke: "Candela", das Symbol "Cd"

✏️ Die Einheit des Lichtstroms: "Lumen"

✏️ "Lux", was Beleuchtungsstärke bedeutet.

📑 Gibt es einen Unterschied zwischen diesen 3 Helligkeitseinheiten?

Physik in der Schule ist nicht für alle etwas und wird von vielen auch im späteren Leben gemieden. Geht es nicht mehr darum gute Noten zu bekommen und entfällt der Zwang, merken aber viele, dass mehr Wissen aus diesem Bereich in unserem täglichen Leben nützlich ist.

Kauft man eine Powerbank, um das Handy aufzuladen, ist es relevant zu wissen wie viel Milliampere sie hat, damit klar ist wie oft der Akku des Smartphones aufgeladen werden kann. So kann unterwegs die Zeit, in der das Handy auf Reisen benutzt wird, besser geplant werden.

Kauft man eine Taschenlampe, macht es Sinn über die Helligkeitseinheiten Bescheid zu wissen und sie unterscheiden zu können, um besser einschätzen zu können welche Helligkeit der Taschenlampe für die eigenen Bedürfnisse geeignet ist.

📑 Ist Watt eine Einheit für Helligkeit? Je höher die Wattzahl, desto heller ist das Licht?

Die meisten von uns kennen von früher noch Glühbirnen. Dann hieß es als Kind zum Beispiel: "Geh in den Laden und kauf eine 10 Watt Glühbirne mit E14 Gewinde." Was das genau die 10 Watt bedeuten, war wahrscheinlich vielen von uns nicht klar, wir konnten die richtige Glühbirne so finden.

Auf der Glühbirne stand dann irgendwo klein 10W, wobei "W" die Maßeinheit "Watt" in der Physik ist und für Leistung steht. Eine Glühbirne, die 50 Watt verbraucht, ist aber nicht heller als eine 10-Watt-LED-Taschenlampe. Watt ist also keine Einheit für Helligkeit.

📑 Was ist also "Lichthelligkeit"?

Finden wir also heraus, was Helligkeit ist. Das menschliche Auge sieht einen Gegenstand leuchten weil es die elektromagnetische Wellenenergie empfängt, die dieser Gegenstand im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts aussendet. Je höher die empfangene Energie, desto heller ist der Gegenstand für unser Auge. Diese ausgesendete Energie ist der Lichtstrom, der in Lumen angegeben wird.

Helligkeit hängt zwar mit dem Lichtstrom zusammen, reicht aber noch nicht aus, um die Helligkeit von Licht vollständig zu beschreiben. Es ist etwas mehr notwendig.

📑 In der Physik häufig verwendete Einheiten für Helligkeit sind

✏️ "Candela" steht für die Lichtstärke

✏️ "Lumen" ist die Maßeinheit des Lichtstroms

✏️ "Lux" bedeutet Beleuchtungsstärke

1. Lichtstärke – Candela

Die grundlegendste dieser Einheiten ist die Lichtstärke in Candela. Die Abkürzung ist cd auf Englisch und gibt die Intensität der Lichtstärke der Lichtquelle in eine Richtung an. Candela hat, wie viele andere physikalische Einheiten, eine komplizierte Definition: Die Lichtstärke in vertikaler Richtung beträgt bei einem Atmosphärendruck von 101325 Newton pro Quadratmeter, ausgehend von einem „schwarzen Körper" (d.h. ohne Teile externen Lichts zu reflektieren) mit einer Fläche von 1/60cm² Quadratzentimeter bei der Erstarrungstemperatur von reinem Platin (Pt) (etwa 2042K oder 1769°C) 1 Candela (1cd).

Diese Definition ist auch nach mehrfachem Lesen nicht einfach zu verstehen und lässt schlechte Erinnerungen an den Physikunterricht hochkommen. Es geht aber auch greifbarer: Candela ist die lateinische Bezeichnung für Kerze. Die Helligkeit einer Kerze beträgt 1 Candela. Um zu sehen wie hell 1 Candela ist, reicht es also eine handelsübliche Kerze zu kaufen und anzuzünden. Das bedeutet ein LED-Spot mit 100 cd ist so hell wie 100 Kerzen. Mit dieser Grundeinheit der Helligkeit, Candela, können wir andere Einheiten definieren.

2. Lichtstrom – Lumen

Taschenlampenfans achten oft darauf, wie viele Lumen eine Taschenlampe hat. Lumen ist misst die Gesamthelligkeit der Lichtquelle und ihre Definition lautet: Der Lichtstrom ist die Lichtmenge, die von einem 1-Candela-Leuchtkörper in einer kugelförmigen Fläche von einem Quadratgrad durchgelassen wird. Im Gegensatz zu Candela wird hier also nicht die Lichtstärke in einem einzigen punktuellen Lichtstrahl gemessen, sondern das gesamte abgestrahlte Licht.

2.1 Candela & Lumen

Der Lichtstrom von Taschenlampen, die im Alltag verwendet werden, liegt häufig zwischen zehn bis zweihundert Lumen, wobei der Lichtstrom einiger besonders leistungsfähiger Taschenlampen tausende oder sogar zehntausende von Lumen erreichen kann.

3. Beleuchtungsstärke – Lux

Scheint Licht auf ein Objekt, sprechen wir davon, dass die Oberfläche des Objekts beleuchtet wird. Doch wie stark wird die Oberfläche dieses Objekts beleuchtet und wie viel Licht fällt auf dieses Objekt? Diese Angabe erfolgt durch Ermittlung der Beleuchtungsstärke und ist der Quotient aus dem Lichtstrom, der auf eine bestimmte Flächeneinheit eingestrahlt wird, und der Fläche dieser Flächeneinheit.

Einmal auf Taschenlampen übertragen: Ist der Lichtstrahl sehr fokussiert, sieht er bei gleicher Leistung sehr hell aus. Vergrößert man jedoch den Punkt und verteilt die Leistung auf eine größere Fläche, wird er weniger hell. Hier geht es um Lichtstrom (Lumen).

Die Einheit der Beleuchtungsstärke ist Lux (lx). Die Definition von Lux ist der Lichtstrom pro Flächeneinheit. Wird der Lichtstrom von 1lm gleichmäßig auf eine Fläche von 1m² gestrahlt, ist die Beleuchtungsstärke auf dieser Fläche 1lx. Die Umrechnungsformel lautet also 1lx = 1lm / m².

📑 Die Beziehung zwischen Lux und Lumen

Um die Beziehung zwischen Lux und Lumen zu verstehen, ziehen wir einen Vergleich mit der Einheit des Drucks heran: Eine Kraft von 10 Newton fühlt sich nicht zu stark an, wenn sie mit einer Fliese auf die Hand gedrückt wird. Wird dieselbe Kraft jedoch durch eine Nadel auf die Hand ausgeübt, wird es zu einer schmerzhaften Verletzung kommen.

Ähnlich verhält es sich, wenn eine Taschenlampe mit 100 Lumen ein Fußballfeld ausleuchten soll. Es wird kaum etwas zu erkennen sein. Wird das vorhandene Licht jedoch zu einem Laserstrahl gebündelt, ist er so hell und schillernd wie ein Schwert!

Leuchtdichte - Candela pro Quadratmeter (cd/m²)

Beleuchtungsstärke - Lumen pro Quadratmeter (lm/m²)

Die Beleuchtungsstärke steht in direktem Zusammenhang mit dem Reflexionsvermögen des beleuchteten Objekts. Objekte mit glatten Oberflächen haben einen hohen Reflexionsgrad. Bei gleicher Beleuchtungsstärke empfinden wir unterschiedliche Leuchtdichten, wenn wir Objekte mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen beleuchten. Die Beleuchtungsstärke bleibt aber relativ konstant. Aus diesem Grund sind Reflektorstreifen auf Kleidung oder anderen Gegenständen auch noch aus weiter Entfernung bei wenig Licht sehr gut sichtbar.