表面電力密度

物理学および工学において、表面電力密度とは単位面積あたりの電力のことである。

• 電磁放射の強度はW/m ²で表すことができます。そのような量の例として太陽定数があります。
• 風力タービンは、タービンディスク面積1平方メートルあたりのワット数を測定する特定の出力を使用して比較されることが多い。$\displaystyle \pi r^{2}}$ここで、rはブレードの長さです。この尺度は、少なくとも一般的な用途においては、ソーラーパネルにもよく使用されます。
• 放射輝度とは、特定の方向における単位立体角（ステラジアン）あたりの表面パワー密度です。 スペクトル放射輝度とは、特定の周波数（またはその関数）における単位周波数（ヘルツ）あたりの放射輝度、あるいは特定の波長（またはその関数）における単位波長（例：nm ）あたりの放射輝度です。

表面電力密度は、産業用エネルギー源を比較する上で重要な要素です。^{[ 1 ]}この概念は地理学者のヴァーツラフ・スミルによって広められました。関連文献では通常「電力密度」と略されますが、同音異義語や関連用語との混同を招く可能性があります。

測定されるのは、特定のエネルギーシステムが使用する地球表面積単位あたりに得られる電力の量であり、すべての支援インフラ、製造、燃料の採掘（該当する場合）、および廃止措置が含まれます。^{[ 2 ]、[ 3 ]}化石燃料と原子力発電は電力密度が高いことが特徴であり、これは比較的小さな面積を占める発電所から大きな電力を引き出すことができることを意味します。再生可能エネルギー源の電力密度は少なくとも3桁小さく、同じエネルギー出力を得るにはそれに応じてより大きな面積を占める必要があり、これはドイツのエネルギー転換（Energiewende）ですでに再生可能エネルギーの制限要因として強調されています。^{[ 4 ]}W/m2

以下の表は、再生可能エネルギー源と非再生可能エネルギー源の表面電力密度の中央値を示しています。^{[ 5 ]}

電磁波が空間を伝搬する際、エネルギーは発生源から他の物体（受信機）へと伝達されます。このエネルギー伝達速度は、電磁場成分の強さに依存します。簡単に言えば、単位面積あたりのエネルギー伝達速度（電力密度）は、電界強度（E）と磁界強度（H）の積です。^{[ 6 ]}

Pd (ワット/メートル² ) = E × H (ボルト/メートル × アンペア/メートル)、ここで

• Pd = 電力密度、
• E = 実効電界強度（ボルト/メートル）
• H = RMS磁場強度（アンペア/メートル）^{[ 6 ]}

上記の式では、W/m ²の単位が得られます。米国では、調査を行う際に mW/cm ²の単位がより頻繁に使用されます。1 mW/cm ^{2は 10 W/m 2}と同じ電力密度です。次の式を使用して、これらの単位を直接取得できます。^{[ 6 ]}

Pd = 0.1 × E × H mW/ ^cm²

上記の簡略化された関係は、放射源から約2波長以上の距離で適用されます。この距離は低周波数ではかなり遠く、遠方界と呼ばれます。ここでは、EとHの比は一定の値（377オーム）となり、自由空間の特性インピーダンスと呼ばれます。このような条件下では、E電界成分（またはH電界成分）のみを測定し、そこから電力密度を計算することで、電力密度を決定できます。^{[ 6 ]}

この固定関係は、無線周波数またはマイクロ波（電磁場）の測定に役立ちます。電力はエネルギー伝達率であり、EとHの2乗は電力に比例するため、E2^とH2は、特定の物質のエネルギー伝達率とエネルギー吸収に比例します。[??? これは、吸収がない場合、EとHの両方がゼロ、つまり光や電波は真空中を伝搬できないことを意味します。この記述の意図する意味は不明です。] ^{[ 6 ]}