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Mathematik-Online-Kurs: Vektoranalysis - Differentiation - Koordinatentransformation

Differentialoperatoren in Kugelkoordinaten


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Für Kugelkoordinaten

$\displaystyle x=r\cos\varphi\sin\vartheta,\quad
y=r\sin\varphi\sin\vartheta,\quad
z=r\cos\vartheta
$

gelten für räumliche Skalarfelder

$\displaystyle U(x,y,z)=\Phi(r,\vartheta,\varphi)
$

und Vektorfelder

$\displaystyle \vec{F}(x,y,z)=
F_x\vec{e}_x+F_y\vec{e}_y+F_z\vec{e}_z =
\Psi_r \...
...{e}_\vartheta + \Psi_\varphi \vec{e}_\varphi
= \vec{\Psi}(r,\vartheta,\varphi)
$

die Transformationsregeln

$\displaystyle \operatorname{grad} U$ $\displaystyle = \partial_r \Phi \vec{e}_r + \frac{1}{r}\partial_\vartheta \Phi ...
..._\vartheta + \frac{1}{r\sin\vartheta} \partial_\varphi \Phi \vec{e}_\varphi \,,$    
$\displaystyle \Delta U$ $\displaystyle = \frac{1}{r^2}\partial_r \left(r^2\partial_r \Phi\right) + \frac...
...rtheta} \partial_\vartheta \left(\sin\vartheta\partial_\vartheta \Phi\right)\,,$    
$\displaystyle \operatorname{div} \vec{F}$ $\displaystyle = \frac{1}{r^2} \partial_r \left(r^2\Psi_r\right) + \frac{1}{r\si...
...1}{r\sin\vartheta}\partial_\vartheta\left(\sin\vartheta\Psi_\vartheta\right)\,,$    
$\displaystyle \operatorname{rot}\vec{F}$ $\displaystyle = \frac{1}{r\sin\vartheta} \left(\partial_\vartheta(\sin\vartheta\Psi_\varphi)-\partial_\varphi \Psi_\vartheta\right)\vec{e}_r$    
  $\displaystyle +\frac{1}{r\sin\vartheta} \left(\partial_\varphi \Psi_r - \sin\va...
...\partial_r (r\Psi_\vartheta)-\partial_\vartheta\Psi_r\right)\vec{e}_\varphi \,.$    


Für das radialsymmetrische Skalarfeld $ U(x,y,z)=\Phi\left(\sqrt{x^2+y^2+z^2}\right)=\Phi(r)$ ist

$\displaystyle \operatorname{grad}U =
\partial_r\Phi \vec{e}_r
$

und

$\displaystyle \Delta U =
\frac{1}{r^2}\partial_r\left(r^2\partial_r \Phi
\right) =
\Phi'' +
\frac{2}{r}\Phi'
\,.
$

Speziell erhält man für $ U(x,y,z)=r^s$

\begin{displaymath}
\operatorname{grad}U =
sr^{s-1}\vec{e}_r =
s(x^2+y^2+z^2)^{s/2-1}\,\left(
\begin{array}{c}
x\\ y\\ z\\
\end{array}\right)
\end{displaymath}

und

$\displaystyle \Delta U = s(s+1) r^{s-2}
\,.
$

Für $ s=-1$ ist $ U$ bis auf die Singularität im Ursprung harmonisch.

Die Divergenz des quellenförmigen Feldes

$\displaystyle \vec{F}(x,y,z)=
\psi(r)\vec{e}_r
$

ist

$\displaystyle \operatorname{div} \vec{F} =
\frac{1}{r^2}\partial_r\left(r^2\partial_r \psi\right) =
\psi' + \frac{2}{r} \psi
\,.
$

Speziell erhält man für $ \vec{F}(x,y,z)=r^s \vec{e}_r$

$\displaystyle \operatorname{div}\vec{F}=
(s+2)r^{s-1}
\,.
$

Für $ s=-2$ ist das Feld bis auf die Singularität im Ursprung divergenzfrei.
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  automatisch erstellt am 9.10.2013