imported>Mike Krüger am 23. Dezember 2024 um 06:54 Uhr

2024-12-23T06:54:46Z

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{{Begriffsklärungshinweis|Zur älteren, umgangssprachlichen Bezeichnung des Einphasenwechselstroms, dem Gegensatz zu ''Starkstrom,'' siehe [[Lichtnetz]].}}
{{Infobox Physikalische Größe
|Name = Lichtstrom
|Größenart =
|Formelzeichen = <math>\Phi_\mathrm{v},F\ </math>
|Dim =
|AbgeleitetVon =
|SI = [[Lumen (Einheit)|Lumen]] (lm)
|SI-Dimension = [[Lichtstärke (Photometrie)|J]]
|cgs =
|cgs-Dimension =
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|esE-Dimension =
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|Astro-Dimension =
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|Anglo-Dimension =
}}

'''Lichtstrom''' ({{enS|luminous flux}},<ref name="IEC_845-21-039" /> Formelzeichen <math>\Phi_\mathrm v</math>) ist eine [[Photometrie|photometrische Größe]], die angibt, wie viel für das menschliche Auge wahrnehmbares [[Licht]] eine [[Lichtquelle]] pro Zeitspanne abstrahlt. Er entspricht der physikalischen ([[Radiometrie|radiometrischen]]) [[Strahlungsleistung]], berücksichtigt aber zusätzlich die Empfindlichkeit des menschlichen Auges. Er wird in der Maßeinheit [[Lumen (Einheit)|Lumen]] (lm) angegeben.

== Definition ==
[[Datei:V-lambda-phot-scot.svg|mini|340px|[[V-Lambda-Kurve|Relative Hellempfindlichkeitskurven]] für Tagsehen ''V(λ)'' (rot) und Nachtsehen ''V'(λ)'' (blau)]]

Jede Lichtquelle gibt Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung ab. Die pro Zeitspanne abgestrahlte Energie wird als Strahlungsleistung oder Strahlungsfluss <math>\Phi_\mathrm e</math> bezeichnet. Für das menschliche Auge ist aber nur ein begrenzter Spektralbereich zugänglich, und auch im sichtbaren Bereich hängt die Empfindlichkeit des Auges stark von der [[Wellenlänge]] <math>\lambda</math> ab. Für die Beschreibung des Helligkeitseindrucks wird der sichtbare Anteil der Strahlungsleistung daher mit der [[V-Lambda-Kurve|Hellempfindlichkeitskurve]] des menschlichen Auges bewertet (gewichtet). Das Ergebnis ist der Lichtstrom <math>\Phi_\mathrm v</math> („v“ für „visuell“ kennzeichnet den Lichtstrom als photometrische Größe).<ref name="BergmannSchäfer" /> Um zu betonen, dass der Lichtstrom eine speziell auf das menschliche Auge abgestimmte Größe ist, wird er ''nicht'' in der Maßeinheit [[Watt (Einheit)|Watt]] (W) angegeben, sondern hat seine eigene Maßeinheit, das Lumen (lm).

Der Umrechnungsfaktor zwischen Strahlungsleistung und Lichtstrom ist das [[Photometrisches Strahlungsäquivalent|spektrale photometrischen Strahlungsäquivalent]]

: <math>K(\lambda) = K_\mathrm{m} \cdot V(\lambda)\ .</math>

Dabei ist ''V''(λ) die Hellempfindlichkeitskurve für [[Photopisches und skotopisches Sehen|Tagsehen]]. Ihr Maximum ''V''(λ) = 1 liegt bei der Wellenlänge λ = 555 nm (grünes Licht). Der Skalierungsfaktor ''K''m wurde auf 683 lm/W festgelegt, damit die so definierte Maßeinheit Lumen möglichst gut mit ihrer früheren Definition übereinstimmte.<ref group="Anm.">Die exakte Festlegung ist ''K''cd = 683 lm/W für Strahlung der Frequenz 540 THz, was in Luft λ = 555,016 nm entspricht. Bei λ = 555 nm hat ''K'' seinen maximalen Wert ''K''m = 683,002 lm/W ([http://eilv.cie.co.at/term/730 Terminologie der IEC])</ref>

Im Fall von [[Monochromatisches Licht|monochromatischem Licht]] (nur eine Wellenlänge) ist der Lichtstrom

:<math>\Phi_\mathrm{v} = K(\lambda)\cdot\Phi_\mathrm{e} = K_\mathrm m \cdot V(\lambda)\cdot\Phi_\mathrm{e}\ .</math>

Für monochromatisches Licht der Wellenlänge λ = 555 nm entspricht also eine Strahlungsleistung von 1 W einem Lichtstrom von 683 lm, bei anderen Wellenlängen ist der Lichtstrom bei gleicher Strahlungsleistung geringer.

Im Regelfall besteht Licht aber aus einem Gemisch von Wellenlängen. Dann muss die spektrale Strahlungsleistung <math>\textstyle{\mathrm{d}\Phi_\mathrm{e}(\lambda)}/{\mathrm{d}\lambda}</math> für jede Wellenlänge mit dem entsprechenden spektralen photometrischen Strahlungsäquivalent multipliziert werden, d. h. man berechnet das [[Integralrechnung|Integral]] über die Wellenlänge:<ref name="IEC_845-21-039" />

:<math>\Phi_\mathrm{v} = K_\mathrm m \int V(\lambda)\ \frac{\mathrm{d}\Phi_\mathrm{e}(\lambda)}{\mathrm{d}\lambda}\ \mathrm{d}\lambda\ .</math>

Bei geringer Helligkeit (genauer: [[Leuchtdichte]]), dem so genannten [[Photopisches und skotopisches Sehen|Nachtsehen]], wird das Licht im Auge von anderen Zellen registriert, die eine andere Empfindlichkeit aufweisen. Die entsprechenden Größen sind dann ''K′''m =  1700 lm/W und ''V′''(λ). ''V′''(λ) hat sein Maximum bei λ = 507 nm.<ref name="BIPM2019-63" />

Auf analoge Weise können auch andere [[Photometrische Größen und Einheiten|photometrische Größen]] ([[Lichtstärke (Photometrie)|Lichtstärke]], [[Beleuchtungsstärke]], [[Leuchtdichte]], …) messtechnisch oder rechnerisch direkt aus der entsprechenden radiometrischen Größe ([[Strahlstärke]], [[Bestrahlungsstärke]], [[Strahldichte]], …) abgeleitet werden, wenn bekannt ist, aus welchem Wellenlängengemisch sich die betreffende elektromagnetische Strahlung zusammensetzt.

Der auf diese Weise ermittelte sichtbare Anteil der elektromagnetischen Strahlung („Licht“ im photometrischen Sinne) stellt ein quantitatives Maß für den Lichtreiz dar, der im Auge eine Helligkeitsempfindung hervorruft. Die [[Visuelle Wahrnehmung|subjektive Wahrnehmung dieser Helligkeitsempfindung]] mit ihren Anpassungs-, Kontrast- und sonstigen wahrnehmungsphysiologischen Effekten ist nicht mehr Thema der Photometrie.

== Frühere Definition ==
Photometrische Messungen erfolgten ursprünglich anhand von genormten Lichtquellen („Standardkerzen“), die ein Gemisch von Wellenlängen emittierten. Größen und Einheiten der Photometrie waren von denen der Radiometrie und des übrigen SI getrennt. Als fundamentale photometrische Größe wurde die [[Lichtstärke (Photometrie)|Lichtstärke]] (Lichtstrom durch [[Raumwinkel]]: <math display="inline">\mathrm{d}\Phi_\mathrm{v}/{\mathrm{d}\Omega}</math>) gewählt, weil der [[Visuelle Photometrie|visuelle Vergleich von Lichtquellen]] im Vordergrund stand und die Lichtstärke diejenige Eigenschaft der Quellen war, die am einfachsten einem Vergleich zugänglich war.<ref name="Blevin" /> Die Einheit der Lichtstärke (seit 1947 die [[Candela]]) galt als Basiseinheit. In mathematisch vereinfachter Darstellung lautete die Definition des Lichtstroms (die inhaltlich auch heute noch gilt):<ref name="Keitz_S25" />
: Wenn die Lichtstärke innerhalb eines Raumwinkels konstant ist, dann ist der in diesem Raumwinkel abgestrahlte Lichtstrom das Produkt aus der Lichtstärke und dem Raumwinkel: <math>\,\Phi_\mathrm{v} \, = \, I_\mathrm{v}\cdot\Omega\,</math>.
1979 wurde die [[Candela#Definition|Candela neu definiert]], indem das Lumen über das photometrische Strahlungsäquivalent an das Watt angebunden wurde. Da der Lichtstrom nunmehr die fundamentalere Größe war,<ref name="BIPM2019-1" /> plädierte das zuständige internationale Gremium im Vorfeld dafür, dass der Lichtstrom die Lichtstärke als Basisgröße und das Lumen die Candela als Basiseinheit ablösen sollte.<ref name="CIPM1977" /> Der Antrag wurde jedoch verworfen, um die Zustimmung zur Neudefinition der photometrischen Einheiten insgesamt nicht zu gefährden.

== Beispiele typischer Lichtströme ==
Im Folgenden werden beispielhaft die Lichtströme gebräuchlicher Leuchtmittel gelistet.

Die hier tabellierte in lm/W gemessene [[Lichtausbeute]] ist nicht zu verwechseln mit dem oben erwähnten, ebenfalls in lm/W gemessenen photometrischen Strahlungsäquivalent. Letzteres beschreibt, wie viele Lumen auf jedes Watt der ''abgestrahlten'' elektromagnetischen Leistung entfallen. Die Lichtausbeute beschreibt, wie viele Lumen auf jedes Watt der von der Lichtquelle ''aufgenommenen'' (meist elektrischen) Leistung entfallen, schließt also technische Umwandlungsverluste mit ein.

=== Glühlampen ===
Typische Werte für Alltagsgebrauchslampen der Hauptreihe 230 V, Lampen mit Doppelwendel:<ref name="Hentschel_128" />
{| class="wikitable" centered
|-
! Leistung W || Lichtstrom lm || Lichtausbeute lm/W
|- style="text-align:right"
| 40 || 430 || 10,8
|- style="text-align:right"
| 60 || 730 || 12,2
|- style="text-align:right"
| 100 || 1380 || 13,8
|- style="text-align:right"
| 500 || 8400 || 16,8
|}

Typische Werte für Niedervolt-Halogenglühlampen ohne Reflektor, [[Farbtemperatur]] 3000 K:<ref name="Hentschel_131" />
{| class="wikitable"
|-
! Spannung V || Leistung W || Lichtstrom lm || Lichtausbeute lm/W
|- style="text-align:right"
| 12 || 10 || 140 ||style=text-align:left| 14
|- style="text-align:right"
| 12 || 20 || 350 ||style=text-align:left| 17,5
|- style="text-align:right"
| 12 || 50 || 950 ||style=text-align:left| 19
|- style="text-align:right"
| 24 || 50 || 850 ||style=text-align:left| 17
|- style="text-align:right"
| 12 || 100 || 2300 ||style=text-align:left| 23
|- style="text-align:right"
| 24 || 100 || 2200 ||style=text-align:left| 22
|}

=== Leuchtstofflampen ===
Typische Werte für Leuchtstofflampen der Lichtfarbe hellweiß, Bauform Stab (Durchm. 26 mm):<ref name="Hentschel_134" />
{| class="wikitable"
|-
! Leistung W || Rohrlänge mm ||Lichtstrom lm || Lichtausbeute lm/W|| [[Leuchtdichte]] cd/m2
|- style="text-align:right"
| 15 || 438 || 650 || 43 ||{{0}}7000
|- style="text-align:right"
| 30 || 895 || 1600 || 53 ||{{0}}7500
|- style="text-align:right"
| 36 || 1200 || 3350 || 93 || 11400
|- style="text-align:right"
| 58 || 1500 || 5200 || 90 || 14500
|}
(Leistungsaufnahme ohne Berücksichtigung des Vorschaltgeräts)

=== Andere Lichtquellen ===
{| class="wikitable"
|-
| Glühwürmchen
| style="text-align:right"| 0,0144 lm<ref name="Ives_1922" /> pro cm2 Leuchtfläche
|-
| Anzeige-LED
| style="text-align:right"| ca. 0,001 – 1 lm<ref name="Steigerwald_2002" />
|-
| Kerze
| style="text-align:right"| ca. 10 lm<ref name="Kerze" />
|-
| „High-Power“-LED
| style="text-align:right"| bis 4250 lm<ref>[https://www.cree.com/led-components/landing-pages/xhp Cree High Power XHP]</ref> bis 250 lm/W<ref>{{Internetquelle |autor=Licht.de |url=https://www.licht.de/de/grundlagen/beleuchtungstechnik/traditionelle-lichtquellen/lichtausbeute/ |titel=Effizienz von Lichtquellen (Übersicht ohne Betriebsverluste) |abruf=2020-01-19}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Licht.de |url=https://www.licht.de/fileadmin/bildarchiv/bilder/04_Grafiken/Infografiken/18_lw17_35_LI_Effizienz.jpg |titel=Effizienz von Lichtquellen (Grafik) |abruf=2020-01-19}}</ref><ref name="Steigerwald_2002" />
|-
| Sonne
| style="text-align:right"| 3,7·1028 lm<ref name="Darula_2005" />
|}

Eine umfangreiche Tabelle gibt es in [[Lichtquelle#Beispiele]].

== Messverfahren ==
=== Ulbrichtsche Kugel (Kugelphotometer) ===
Die gängige, jedoch relative Messung mit Hilfe einer [[Ulbrichtsche Kugel|Ulbrichtschen Kugel]] führt zu einem vergleichsweise schnellen Ergebnis, welches im Millisekunden-/Sekundenbereich vorliegt. Unter Beachtung der Vorbereitungszeiten, wie kontrolliertes Altern (48 h für Halogenlampen) oder thermisches Stabilisieren (2 h für LED-Leuchten und -Lampen), der Lichtquelle wird der Zeitvorteil jedoch reduziert. Ein an der Ulbrichtkugel angeschlossenes Photometer/Spektrometer erlaubt das sofortige Ablesen des Lichtstroms. Präzise Messungen sind unter drei Voraussetzungen durchführbar:
* Die (relativ) messende Kugel muss durch eine geeignete Lichtquelle identischer räumlicher Abstrahlung kalibriert worden sein, da die Lichtdurchmischung bei gängiger Photometerfarbe (Innenauskleidung der Kugel) nicht ausreichend ist. Eine Erhöhung des Reflexionsgrades zu Werten von größer 90 % wird durch die CIE nicht mehr empfohlen, da die Langzeitstabilität durch unumgängliches Einstauben der unteren Kugelhälfte nicht gewährleistet werden kann.
* Zweitens muss die Kugel entweder mit einer bekannten Lichtquelle identischer Spektralverteilung kalibriert werden oder das Gesamtsystem „Kugel mit montiertem Photometerkopf“ muss eine spektrale Empfindlichkeit ähnlich zur Hellempfindlichkeitsfunktion des (menschlichen) Auges haben. Dieser Anspruch ist jedoch nur für Photometer (schnell auslesbar) mit [[Partialfilterung]] sowie Spektrometer (deutlich langsamer auslesbar) mit integrierter Streulichtmatrix-Korrektur erfüllbar.
* Drittens muss die Bauform (Abmessungen, [[Absorption (Physik)|Eigenabsorption]]) der Kalibrierlichtquelle mit der Bauform des Prüflings übereinstimmen. Eine Zusatzkalibrierung mit sog. Hilfslampe ist oftmals nicht ausreichend, speziell bei hoher Eigenabsorption.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Kugel hervorragende Messergebnisse liefert, wenn „Gleich gegen Gleich“ und somit relativ gemessen wird. Weichen die räumliche oder spektrale Ausstrahlung oder die Bauform der Kalibrierlichtquelle vom Messobjekt ab, so ist die Messunsicherheit erheblich vergrößert.

=== Aus der Lichtstärkeverteilung (Goniophotometer) ===
Die weitaus genauere, weil absolute Messung des Lichtstromes wird mit Hilfe eines Photometerkopfes, montiert an einem Goniometer durchgeführt. Das Goniometer bewegt den Photometerkopf (eigentlich Beleuchtungsstärkemesskopf) auf einer virtuellen Kugelfläche um das Messobjekt. Je nach Verteilung der winkelabhängigen Lichtstärke der Lichtquelle liegt die Messdauer im Bereich von Minuten/Stunden. Wichtig ist hierbei, dass die zu vermessende Lichtquelle über die Messdauer stabil arbeitet. Die vom Goniometer gefahrenen Bahnen liegen historisch begründet auf [[Loxodrome]]n (Spiralbahnen) oder bilden [[Großkreis]]e/[[Kleinkreis]]e nach. Ist die Lichtstärkeverteilung (LVK) ansatzweise bekannt, kann per CNC jedes denkbare Raster abgetastet werden und somit der zeitliche Messaufwand erheblich reduziert werden. Liegt nach Beendigung der Messwertaufnahme eine sinnvolle räumliche Verteilung der Messwerte vor, so ist mit Hilfe von numerischen Methoden möglich, den Lichtstrom aus der Lichtstärkeverteilung zu errechnen. Ebenso wie bei der Messung am Kugelphotometer ist die spektrale Anpassung des Messkopfes wichtig, nach DIN 5032 Teil 7 ergibt sich ein Klasse L Messkopf ausschließlich bei einem Gesamtfehler kleiner 1,5 %. Der Einsatz von Beleuchtungsstärkemessköpfen mit [[Partialfilterung]] ist notwendig. Weiterhin ist auf ein hinreichend enges Messraster zu achten.

== Zusammenhang mit anderen radiometrischen und photometrischen Größen ==
{{Radiometrische und photometrische Größen}}

== Literatur ==
* Hans R. Ris: ''Beleuchtungstechnik für Praktiker.'' 2. Auflage. VDE-Verlag, Berlin / Offenbach 1997, ISBN 3-8007-2163-5.
* Günter Springer: ''Fachkunde Elektrotechnik.'' (= ''Europa-Lehrmittel.'' 30318). 18., völlig neubearbeitete und erweiterte Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9.
* Wilhelm Gerster: ''Moderne Beleuchtungssysteme für drinnen und draußen.'' Compact Verlag, München 1997, ISBN 3-8174-2395-0.
* [[Horst Stöcker]]: ''Taschenbuch der Physik.'' 4. Auflage. Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4.

== Weblinks ==
* [http://www.stromsparlampen.eu/fotometrie_applet.html Fotometrie Applet – Veranschaulichung fotometrischer Größen]

== Anmerkungen ==
<references group="Anm." />

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Blevin">W. R. Blevin, B. Steiner: ''Redefinition of the Candela and the Lumen.'' In: ''[[Metrologia]].'' 11, 1975, S. 97–104. [[doi:10.1088/0026-1394/11/3/001]]
</ref>
<ref name="BIPM2019-1">
[http://www.bipm.org/utils/common/pdf/rapportBIPM/RapportBIPM-2019-05.pdf BIPM Rapport BIPM-2019/05 Principles governing photometry], 2nd ed., (PDF, 1,01 [[Byte#Binärpräfixe|KiB]]) – Bericht des [[Internationales Büro für Maß und Gewicht|BIPM]] von 2019, Kap. 1, S. 3 „Luminous flux is the most fundamental quantity in photometry because it has the simplest relationship with radiant power.“
</ref>
<ref name="BIPM2019-63">
[http://www.bipm.org/utils/common/pdf/rapportBIPM/RapportBIPM-2019-05.pdf BIPM Rapport BIPM-2019/05 Principles governing photometry], 2nd ed., (PDF, 1,01 [[Byte#Binärpräfixe|KiB]]) – Bericht des [[Internationales Büro für Maß und Gewicht|BIPM]] von 2019, Kap. 6.3
</ref>
<ref name="Darula_2005">S. Darula, R. Kittler, C. A. Gueymard: ''Reference luminous solar constant and solar luminance for illuminance calculations.'' In: ''Solar Energy.'' Volume 79, Issue 5, November 2005, S. 559–565. [[doi:10.1016/j.solener.2005.01.004]]. Für die Standard-Hellempfindlichkeitskurve V(λ): 3,7497438·1028 lm, für die 1988 modifizierte Hellempfindlichkeitskurve VM(λ): 3,7715109·1028 lm.
</ref>
<ref name="Hentschel_128">H.-J. Hentschel: ''Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik.'' 4. Auflage. Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 128.
</ref>
<ref name="Hentschel_131">H.-J. Hentschel: ''Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik.'' 4. Auflage. Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 131.
</ref>
<ref name="Hentschel_134">H.-J. Hentschel: ''Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik.'' 4. Auflage. Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 134.
</ref>
<ref name="IEC_845-21-039">International Electrotechnical Commission (IEC): ''International Electrotechnical Vocabulary.'' [https://www.electropedia.org/iev/iev.nsf/display?openform&ievref=845-21-039 ref. 845-21-039, Luminous flux] (abgerufen am 26. März 2021).
</ref>
<ref name="Ives_1922">H. E. Ives: ''The Fire-Fly as an Illuminant.'' In: ''Journal of the Franklin Institute.'' vol. 194, no. 2, August 1922, S. 213–230. [[doi:10.1016/S0016-0032(22)90057-2]], „on specimens of the larva of one of the Pennsylvania varieties of fire-fly.“ Das damals gebräuchliche Lumen unterscheidet sich geringfügig vom heutigen SI-Lumen.
</ref>
<ref name="Keitz_S25">H. A. E. Keitz: ''Lichtberechnungen und Lichtmessungen.'' 2. Auflage. Philips Technische Bibliothek, Eindhoven 1967, S. 25.
</ref>
<ref name="Kerze">Typische [[Lichtstärke (Photometrie)|Lichtstärke]] einer Kerze: ''I''v ≈ 1 cd isotrop, daher Lichtstrom ''Φ''v = 4π·''I''v ≈ 10 lm (mit grober Rundung 4π ≈ 10).
</ref>
<ref name="Steigerwald_2002">D. A. Steigerwald u. a.: ''Illumination with solid state lighting technology.'' In: ''IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics.'' vol. 8, no. 2, März/April 2002, S. 310–320. [[doi:10.1109/2944.999186]], S. 310f.
</ref>
<ref name="BergmannSchäfer">{{Literatur |Autor=[[Ludwig Bergmann (Physiker)|Ludwig Bergmann]], [[Clemens Schaefer (Physiker)|Clemens Schaefer]] |Titel=Optik: Wellen- und Teilchenoptik |Sammelwerk=[[Bergmann-Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik]] |Band=3 |Verlag=Walter de Gruyter |Datum=2004 |ISBN=3-11-017081-7 |Seiten=637 |Online={{Google Buch|BuchID=uS9EYEbLsscC|Seite=637}}}}</ref>
<ref name="CIPM1977">
{{Literatur |Titel=Comité International des Poids et Mesures – Procès verbaux des séances |TitelErg=66e session |Sammelwerk= |Band=2e série |Nummer=|Jahr=1977 |Seiten=5-6 | Online=http://www.bipm.org/utils/common/pdf/CIPM-PV-OCR/CIPM1977.pdf}} (7,4 MB): {{"|Recommandation P 3 (lumen comme unité de base avec une définition en fonction du watt) est celle qui a la préférence de la majorité du CCPR.}} Das CCPR (Comité Consultatif de Photométrie et Radiométrie) ist das zuständige Beratungsgremium des [[Internationales Komitee für Maß und Gewicht|Internationalen Komitees für Maß und Gewicht (CIPM)]]. Der Wortlaut der Empfehlung P 3 befindet sich auf Seite 143 desselben Dokuments.
</ref>
</references>

[[Kategorie:Photometrische Größe]]
[[Kategorie:Leuchtmitteltechnik]]

Lichtstrom - Versionsgeschichte

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