كثافة الطاقة السطحية

في الفيزياء والهندسة ، كثافة الطاقة السطحية هي الطاقة لكل وحدة مساحة .

• يمكن التعبير عن شدة الإشعاع الكهرومغناطيسي بوحدة واط/ ^م² . ومن الأمثلة على هذه الكمية الثابت الشمسي .
• تُقارن توربينات الرياح غالبًا باستخدام مقياس طاقة محدد يُقاس بالواط لكل متر مربع من مساحة قرص التوربين، وهو${\displaystyle \pi r^{2}}$حيث يمثل r طول الشفرة. ويُستخدم هذا المقياس أيضاً بشكل شائع في الألواح الشمسية ، على الأقل في التطبيقات النموذجية.
• الإشعاع هو كثافة القدرة السطحية لكل وحدة زاوية مجسمة (ستراديان) في اتجاه محدد. أما الإشعاع الطيفي فهو الإشعاع لكل وحدة تردد (هرتز) عند تردد محدد (أو كدالة لتردد معين)، أو لكل وحدة طول موجي (مثل نانومتر ) عند طول موجي محدد (أو كدالة لطول موجي معين).

تُعدّ كثافة الطاقة السطحية عاملاً مهماً في مقارنة مصادر الطاقة الصناعية. ^{[ 1 ]} وقد شاع هذا المفهوم بفضل الجغرافي فاتسلاف سميل . ويُختصر المصطلح عادةً إلى "كثافة الطاقة" في المراجع ذات الصلة، مما قد يُسبب التباساً مع مصطلحات أخرى تحمل الاسم نفسه أو مصطلحات ذات صلة.

يُقاس هذا المفهوم بكمية الطاقة المُستمدة لكل وحدة مساحة من سطح الأرض التي يستخدمها نظام طاقة مُحدد ، بما في ذلك جميع البنى التحتية الداعمة، والتصنيع، واستخراج الوقود (إن وُجد)، والتفكيك. ^{[ 2 ] ، [ 3 ]} تتميز الوقود الأحفوري والطاقة النووية بكثافة طاقة عالية، مما يعني إمكانية استخلاص كميات كبيرة من الطاقة من محطات توليد الطاقة التي تشغل مساحة صغيرة نسبيًا. أما مصادر الطاقة المتجددة، فكثافة طاقتها أقل بثلاثة مراتب على الأقل، وللحصول على نفس كمية الطاقة المُنتجة، فإنها تحتاج إلى شغل مساحة أكبر تبعًا لذلك، وهو ما سبق تسليط الضوء عليه كعامل مُحدد للطاقة المتجددة في كتاب "تحول الطاقة" الألماني . ^{[ 4 ]}W/m2

يوضح الجدول التالي متوسط ​​كثافة الطاقة السطحية لمصادر الطاقة المتجددة وغير المتجددة. ^{[ 5 ]}

أثناء انتقال الموجة الكهرومغناطيسية عبر الفضاء، تنتقل الطاقة من المصدر إلى الأجسام الأخرى (المستقبلات). يعتمد معدل انتقال الطاقة هذا على قوة مكونات المجال الكهرومغناطيسي. ببساطة، معدل انتقال الطاقة لكل وحدة مساحة (كثافة الطاقة) هو حاصل ضرب شدة المجال الكهربائي (E) في شدة المجال المغناطيسي (H). ^{[ 6 ]}

Pd (واط/متر مربع ⁾ = E × H (فولت/متر × أمبير/متر)، حيث

• Pd = كثافة القدرة،
• E = شدة المجال الكهربائي RMS بالفولت لكل متر،
• H = شدة المجال المغناطيسي RMS بالأمبير لكل متر. ^{[ 6 ]}

تُعطي المعادلة أعلاه وحدات واط/م² ^. في الولايات المتحدة ، تُستخدم وحدات ملي واط/سم² ^{بشكل أكثر شيوعًا عند إجراء المسوحات. 1 ملي واط/ سم²} يُعادل كثافة طاقة 10 واط/م² ^. يمكن استخدام المعادلة التالية للحصول على هذه الوحدات مباشرةً: ^{[ 6 ]}

Pd = 0.1 × E × H mW/cm ²

تنطبق العلاقات المبسطة المذكورة أعلاه على مسافات تعادل طولين موجيين أو أكثر من مصدر الإشعاع. قد تكون هذه المسافة بعيدة عند الترددات المنخفضة، وتُسمى المجال البعيد. في هذه الحالة، تصبح النسبة بين المجال الكهربائي (E) والمجال المغناطيسي (H) ثابتة (377 أوم)، وتُسمى المعاوقة المميزة للفضاء الحر . في ظل هذه الظروف، يمكننا تحديد كثافة القدرة بقياس مُركِّبة المجال الكهربائي فقط (أو مُركِّبة المجال المغناطيسي، إن شئت) وحساب كثافة القدرة منها. ^{[ 6 ]}

تُعدّ هذه العلاقة الثابتة مفيدةً لقياس مجالات الترددات الراديوية أو الموجات الميكروية (الكهرومغناطيسية). بما أن القدرة هي معدل انتقال الطاقة، ومربعا المجال الكهربائي (E) والمجال المغناطيسي (H) يتناسبان طرديًا مع القدرة، فإنّ E² ^و H² ^{يتناسبان} طرديًا مع معدل انتقال الطاقة وامتصاص الطاقة لمادة معينة. [؟؟؟ هذا يعني ضمنيًا أنه في حالة عدم وجود امتصاص، فإنّ كلاً من E وH يساويان صفرًا، أي أن الضوء أو الموجات الراديوية لا يمكنها الانتقال في الفراغ. المعنى المقصود من هذه العبارة غير واضح.] ^{[ 6 ]}