Orthogonale Koordinatensysteme:Übersicht: Unterschied zwischen den Versionen
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Version vom 9. Oktober 2012, 11:33 Uhr
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Einführung
Koordinatensysteme werden zur eindeutigen Positionsbeschreibung von Punkten und Anordnungen (z. B. Ladungen oder stromführende Leiter) im Raum verwendet und ermöglichen erst die eindeutige Formulierung von Vektoren. Weiterhin lassen sich ortsabhängige Größen wie beispielsweise elektrische und magnetische Felder beschreiben. In der Lehrverstaltung sind neben den bekannten kartesischen Koordinaten besonders Zylinder- und Kugelkoordinaten von Bedeutung. Auch bei diesen beiden Koordinatensystemen dient das kartesische Koordinatensystem jedoch immer als Referenz. In der Regel ist es vorteilhaft, ein auf die jeweilige Problemstellung „zugeschnittenes“ Koordinatensystem zu verwenden. Das elektrische Feld einer Punktladung ist beispielsweise radialsymmetrisch und der Betrag hängt ausschließlich vom Abstand
zur Punktladung ab, so dass sich die Verwendung von Kugelkoordinaten anbietet. Mit Hilfe eines entsprechenden Einheitsvektors lässt sich die elektrische Feldstärke wie folgt angeben:
Die äquivalente Beschreibung in kartesischen Koordinaten ist weniger kompakt und lautet wie folgt (vgl. Formelsammlung Koordinatensysteme):
Mit Hilfe von trigonometrischen Funktionen können auch die aus dem Kugelkoordinatensystem stammenden Winkel und
ersetzt werden, so dass die Gleichung nur noch von
,
und
abhängt. Dadurch wird der Ausdruck noch umfangreicher. Eine „geschickte“ Wahl des Koordinatensystems kann außerdem zu erheblichen Vereinfachungen führen, beispielsweise bei der Bestimmung von Feldgrößen auf Basis von Mehrfachintegralen. Diesbezüglich ist es oft vorteilhaft, wenn der Koordinatenursprung – sofern frei wählbar – passend zu den Symmetrieeigenschaften einer Anordnung positioniert wird.
Bei den vorgestellten Koordinatensystemen handelt es sich um orthogonale Koordinatensysteme. Dabei stehen die in Richtung wachsender Koordinatenwerte zeigenden Einheitsvektoren senkrecht aufeinander. Werden diese allgemein mit ,
und
bezeichnet, so folgt mit dem Skalarprodukt:
Da die Koordinatenlinien bei den Zylinder- und Kugelkoordinaten nicht geradlinig verlaufen, werden diese als krummlinige orthogonale Koordinatensysteme bezeichnet. Bei dem kartesischen Koordinatensystem handelt es sich also um ein geradliniges orthogonales Koordinatensystem. Darüber hinaus handelt es sich um Rechtssysteme (prinzipiell sind auch andere Konventionen möglich), so dass das Vektorprodukt von zwei aufeinander folgenden Einheitsvektoren den jeweils nächsten Einheitsvektor liefert:
Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Übersicht der verschiedenen Koordinatensysteme.
Übersicht
Kartesische Koordinaten
Bei dem kartesischen Koordinatensystem wird ein Punkt |
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Zylinderkoordinaten
Bei den Zylinderkoordinaten wird ein Punkt |
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Kugelkoordinaten
Bei dem Kugelkoordinatensystem wird ein Punkt |
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Literatur
- Manfred Albach, Grundlagen der Elektrotechnik 1: Erfahrungssätze, Bauelemente, Gleichstromschaltungen, 3. Auflage (Pearson Studium, 2011)