Verallgemeinerung Coulomb Gesetz und das el-Feld

Hallo Leute,
Wir haben heute in der Schule das Coulomb Gesetz und das elektrische Feld auf N Ladungen verallgemeinert.

Also

\vec{F}(\vec{r})= \frac{1}{4\pi\epsilon_{0}} \cdot \frac{q \cdot q_{1}}{|r-r_{1}|} \cdot \frac{(\vec{r}-\vec{r_{1}})}{|\vec{r}-\vec{r_{1}}|^2}

\vec{F}(\vec{r})=\sum_{k=1}^N \frac{1}{4\pi\epsilon_{0}} \cdot \frac{q \cdot q_{k}}{|r-r_{k}|^2} \cdot \frac{(\vec{r}-\vec{r_{k}})}{|\vec{r}-\vec{r_{k}}|}

\vec{F}(\vec{r})=q \cdot \sum_{k=1}^N \underbrace{\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}} \cdot \frac{q_{k}}{|r-r_{k}|^2} \cdot \frac{(\vec{r}-\vec{r_{k}})}{|\vec{r}-\vec{r_{k}}|}}_{\vec{E}(\vec{r})}

\vec{F}(\vec{r})=q \cdot \sum_{k=1}^N \vec{E}(\vec{r_{k}})

\vec{E}(\vec{r_{k}})=\frac{\vec{F}(\vec{r})}{q} \rightarrow \lim_{q \to \0}\frac{\vec{F}(\vec{r})}{q}

eingesetzt

\vec{E}(\vec{r})=\sum_{k=1}^N \frac{1}{4\pi\epsilon_{0}} \cdot \frac{ q_{k}}{|r-r_{k}|^2} \cdot \frac{(\vec{r}-\vec{r_{k}})}{|\vec{r}-\vec{r_{k}}|}

Dann haben wir die Summe durch die Ladungsdichte ausgedrückt

\rho(\vec{r})=\frac{ dq}{dV}
\Rightarrow q=\int_{V}\rho(\vec{r}) , dV

\vec{E}(\vec{r})=\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\int_{V} , d^3r \frac{\rho(\vec{r})}{|r-r_{k}|^2} \cdot \frac{(\vec{r}-\vec{r_{k}})}{|\vec{r}-\vec{r_{k}}|}

\vec{E}(\vec{r})=\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\int_{V} , d^3r \frac{\rho(\vec{r})}{|r-r_{k}|^2} \cdot \vec{e}_{r}

So, dass war unser Ergebnis.
Jetzt sínd wir allerdings nicht mehr auf dieses Ergebnis eingegangenbzw. sollen uns selbst damit beschäftigen.
Mein Problem besteht darin, dass wir in der Schule bis jetzt nur Eindimensionale Integrale behandelt haben, kann mir jemand erklären wie ich diese Integralform Löse/integriere.
Vielleicht hat auch jemand eine Beispielaufgabe für mich, die mir das Prinzip verdeutlicht :wink:
Vielen Dank für eure Mühe!

Gruß Christof

Hallo!

Erstmal eine Rückfrage: Was für eine „Schule“ ist denn das um Gottes Willen?

So, dass war unser Ergebnis.
Jetzt sínd wir allerdings nicht mehr auf dieses Ergebnis
eingegangenbzw. sollen uns selbst damit beschäftigen.
Mein Problem besteht darin, dass wir in der Schule bis jetzt
nur Eindimensionale Integrale behandelt haben, kann mir jemand
erklären wie ich diese Integralform Löse/integriere.
Vielleicht hat auch jemand eine Beispielaufgabe für mich, die
mir das Prinzip verdeutlicht :wink:
Vielen Dank für eure Mühe!

Leider kann ich Latex nicht, deswegen sieht es bei mir nicht so hübsch aus wie bei Dir, aber diese Integral ist kein Hexenwerk

∫dV ist eine Abkürzung für ∫∫∫dx dy dz

(Natürlich nur für kartesische Koordinaten. Bei Eurem Lehrer scheint man diese Einschränkung machen zu müssen …)

Das Integral wird dann sozusagen von innen nach außen gelöst.

Einfaches Beispiel: f(x,y,z) = x + y + z

Die Integrationsgrenzen seien jeweils von 0 bis 1.

Dann gilt

∫∫∫ f(x,y,z) dx dy dz

= ∫∫∫ (x + y + z) dx dy dz

… Integration über x von x=0 bis x=1: …

= ∫∫ [1/2 x² + yx + zx] (x von 0 bis 1) dy dz

= ∫∫ (1/2 + y + z - 0) dy dz

… Integtation über y von y=0 bis y=1: …

= ∫ [1/2 y + 1/2 y² + zy] (y von 0 bis 1) dz

= ∫ (1/2 + 1/2 + z - 0) dz

= ∫ (1 + z) dz

… Integration über z von z=0 bis z=1: …

= [z + 1/2 z²] (z von 0 bis 1)

= 1 + 1/2 - 0

= 3/2

Michael

Hallo Michael

Erstmal eine Rückfrage: Was für eine „Schule“ ist denn das um
Gottes Willen?

Ich bin auf einem üblichen Gymnasium in der Stufe MSS11.
Unsere LK Lehrerin ist allgemein sehr anspruchsvoll.
Da ja bei uns, in RLP, in einer Woche die Ferien beginnen wollte sie, dass wir die verbleibende Zeit nutzen um unsere Kenntnisse noch etwas zu vertiefen.
Ich gehe also mal davon aus, dass es nicht mehr relevant für die kursarbeit ist :smile:

Zur Antwort:

Vielen Dank für dein ausführliches und verständliches Beispiel, dass hat mir sehr geholfen.
Hast du, oder irgendjemand anderes, eventuell noch ein physikalisches Beispiel, wo man die Coulomb Kraft oder das el-Feld über die Ladungsdichte berechnen muss?
Gerne auch einen Link, habe leider nichts passendes gefunden.

Gruß Christof

Hallo!

Hast du, oder irgendjemand anderes, eventuell noch ein
physikalisches Beispiel, wo man die Coulomb Kraft oder das
el-Feld über die Ladungsdichte berechnen muss?

Nein, habe ich nicht - und ich bezweifle auch, dass das sehr viel Praxisrelevanz hat. Ich würde es mal eher unter physikalisch-mathematische Fingerübung verbuchen.

Michael

Hast du, oder irgendjemand anderes, eventuell noch ein
physikalisches Beispiel, wo man die Coulomb Kraft oder das
el-Feld über die Ladungsdichte berechnen muss?

Nein, habe ich nicht - und ich bezweifle auch, dass das sehr
viel Praxisrelevanz hat.

Da irrst Du Dich. Die Poisson-Gleichung spielt beispielsweise eine wichtige Rolle in Computersimulationen. Die numerische Integration über die Ladungsdichte (bzw. die Dichte, wenn es um die Gravitation geht) kann (in Abhängikeit von Partikelzahl und räumlicher Diskretisierung) im Vergleich zur Berechnung aller Partikel-Partikel-Wechselwirkungen sehr viel Rechenzeit einsparen.

Guten Abend.

Du brauchst noch mehrere Semester Theorie in einem ingenieurwissenschaftlichen oder naturwissenschaftlichen Studiengang, um diese Integrale gut verstehen und korrekt berechnen zu können.

Ich absolvierte ein mathematisch-naturwissenschaftliches Abitur und unsere Lehrer erlaubten sich niemals solche Irrungen und Wirrungen wie Deiner.
Die Notation

\int \mathrm{d}^3 f

kenne ich aus meinem Physikstudium; Physiker neigen dazu, Integrale auf diese unkonventionelle Weise zu schreiben.

In Deiner Herleitung handelt es sich um ein Volumenintegral. Die genaue Bezeichnung ist räumliches Bereichsintegral oder Raumintegral. Wie ein Raumintegral integriert werden muß, kommt in erster Linie auf die Koordinaten an.

In der Schule rechnet ihr in cartesischen Koordinaten. Es gibt aber noch Polarkoordinaten, Kugelkoordinaten, Zylinderkoordinaten, Ellipsoidkoordinaten und, weit verallgemeinert, das allgemeine krummlinige Koordinatensystem.

Wir mußten in den 60ern in der schriftlichen Reifeprüfung noch Integralrechnung in Polarkoordinaten beherrschen, doch sind diese Anforderungen seit Jahrzehnten aus dem Lehrplan und der Prüfung gestrichen.

Je nach Koordinatensystem verändert sich das Volumenelement \mathrm{d}V. Berechnet wird es aus einer Vorschrift, die Funktioanldeterminante heißt und auf topologische Begrifflichkeiten des \mathbb R^n und Differentialrechnung im \mathbb R^n zurückgreift.

Die Integrationsgrenzen ergeben sich aus der Beschaffenheit des räumlichen Bereiches, über den integriert werden soll.

Eine weitere Schwierigkeit ist die Funktion der Ladungsdichte. Die meisten Funktionen könnt ihr in der Schule leider nicht lösen, weil die Integralrechnung inzwischen ein reines Stiefkind in der Abiturstufe ist und sämtliche theoretischen Höhungen nach und nach zugunsten anderer Stoffkapitel entfielen. Das schwierigste, was ihr behandelt, sind Integrale, die Logarithmen reinbringen.

Beispiel, wo man über die Ladungsdichte berechnen muss?

Ladungsdichten kommen überall vor.

In Physik habt ihr in der 9. und 10. Klasse bestimmt Leitungsvorgänge, Entladungen und Röhren besprochen. In einer Kathodenröhre ist der Kathodendunkelraum (Hittorfscher Dunkelraum) bspw. eine Raumladungszone. In der Hochspannungstechnik gibt es die Streamer-Entladung, die durch wandernde Raumladungswolken entsteht.

Eine Tesla-Spule verursacht Streamer. Streamer (Stielbüschelentladungen) sind die verzweigten, ungerichteten, kurzen Entladungsfunken.

http://www.youtube.com/watch?v=MsM2maBGuZo

Die langen, hellen Entladungen, die einen deutlichen Kanal aufweisen, heißen jedoch nicht mehr Streamer, sondern der Hochspannungsingenieur spricht von Leader. Die Leader-Entladung existiert erst bei einer Schlagweite von 1 Meter und mehr. Unter einem Meter gibt es keine Leader. (Sämtliche Blitze eins Gewitters stellen Leader dar!)

Raumladungsdichten findest du auch beim pn-Übergang in elektronischen und leistungselektronischen Bauelementen und in Elektrolyten.

In der Hochspannungstechnik (Feldberechnung) konnen Elektrodenanordnungen wie z.B. eine aufgeladene Kugelelektrode mit Oberflächenladungsdichten beschrieben werden.

Linien-, Flächen- und Raumladungsdichten sind dementsprechend Verallgemeinerungen der Anhäufung von Punktladungen in ein ausgedehntes Ladungskontinuum. Diese Anschauung ist geeignet, wenn bei makroskopischen Körpern sozusagen ein einzelnes Elektron keine nennenswerte Rolle mehr spielt.

reinerlein

Hallo,
macht doch dem Menschen seine Schule nicht so schlecht! An solchen Aufgaben wächst man und wie man sieht weckt man das Interesse offensichtlich sehr begabter Schueler - und das ist auch was wert! Weiter so!!
Gruss
r

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Pädagogisch gegen den Baum
Guten Abend.

Ich sehe es sehr viel kritischer.

Die Schule soll Grundlagen schaffen und festigen. Lehrer sollten methodisch und fachsystematisch sinnvoll vorgehen. Die Frage, die sich mir stellt, ist: Welchen Nutzen soll ein Schüler der 11. Klasse von der hingeschmierten Herleitung gewinnen können? Bringt das einen Mehrwert? Hilft das? Nein, überhaupt nicht.

Ich muß jedes Semeseter Studenten in den Grundlagen quälen, die eigentlich der Schulunterricht zu entwickeln hat. Die Herleitung mit dem Raumintegral ist für mich eines dieser symptomatischen Beispiele, das zeigt, wie schief gewickelt wir in Deutschland Schule betreiben. Statt sich auf das Wesentliche zu konzentrieren, vielfältig zu wiederholen und zu festigen, um dem fatalen Matthäus-Prinzip vorzubeugen, werden die Schüler in einer Unart überfahren, wie sie von deutschen Universitäten oftmals zur Rechtfertigung des größten didaktischen Stumpfsinns verwendet wird.

Nichts gegen eigenverantwortliche Beschäftigung mit dem Stoff, doch Lehrer und Hochschullehrer tragen Verantwortung für einen optimalen didaktisch-methodischen Prozeß und sollten ihre Schüler und Studenten möglichst intensiv betreuen. Es mutet wie eine schwere geistige Störung der Universitäten an, didaktische Unsitten, Schwächen und Kritik immer mit dem Eigenständigkeitsanspruch abzublocken. Guter Nachwuchs entsteht durch gute Lehre, keinesfalls durch Hinkotzen irgendeiner Mathematik mit der Bemerkung „Kümmert euch.“ oder „Wer es blöd findet, der kann gehen.“.

Und was sagt bitte der Mathelehrer? Der Mathelehrer ist froh, wenn heutzutage die Schüler zur schriftlichen Prüfung das Summenzeichen \Sigma zumindest wiedererkennen. Er schreibt seine Integrale richtig herum und freut sich, wenn die Schüler keine Angst mehr vor den „Fleischerhaken“ zeigen. Er freut sich ebenfalls, wenn die Schüler in der Prüfung kochrezeptartig die bis zur Vergasung geübten Standardaufgaben herunterreißen können.

Mir ist deswegen unbegreiflich, was der Physiklehrer mit seiner überdrehten Machetation bezwecken wollte. Ich würde es verstehen, wenn er diese Herleitung mit vielen Abbildungen und didaktisch hervorragenden Erklärungen der Physik dahinter in Form eines Lehrervortrages gegeben hätte. Somit hätte er maximale Anschaulichkeit und Verständlichkeit gesichert. Statt dessen prügelt er förmlich mit der mathematischen Keule rücksichtslos auf seine Schüler ein. Prima. Wie man es in der Uni traditionell von richtig schlechten Professoren kennt, die wahrscheinlich die Physik selber nie verstanden haben und ihre Schwächen durch mathematische Ejakulation tarnen. Entweder ich erkläre die Raumladungsdichte ordentlich oder ich lasse solchen Scheiß wie Bereichtsintegrale weg. Lösen können sowas Abiturienten ohnehin nicht, so daß der Formalismus sperrig und unverstanden bleibt.

Gute Nacht :wink:

Hallo Reinerlein,

interessant - ich bin radikal anderer Ansicht. Vielleicht die 2 wichtigsten Punkte:

  1. Was ist „gute Didaktik“:
    In Deutschland ist gute Didaktik das was diejenigen vetreten die sich im Kultusministerium unter erhablicher Gehirnwäsche und mit Parteibuch nach oben geschleimt haben. Dies sind daher meist Paradigmen wie sie vor mehreren Jahrzehten modern wurden als diese Damen und Herren einst studierten.
    Zur Zeit ist zum Beispiel „interaktionsbezogener“ Unterricht ganz modern und das non-plus-ultra. Dass dies komplett an der Realität unserer Kinder vorbeigeht sehen und begreifen viele junge Referndare aber die werden radikal kurz- und kleingestutzt vom Ministerialbeamtentum und deren Handlangern den Seminarleherern. Wer sich mit unseren Kindern wirklich beschäftigt weiss, dass sie gleichzeitig Fernsehen, Musikhören und Computerspielen - und von allem was mitbekommen. Dennoch wird man als Referendar genötigt immer eins nach dem anderen vorgekaut und von linke nach rechts und von oben nach unten linear zu Präsentieren. Eben genau das Gegenteil von dem auf was die Kinder ihre Wahrnehmung traineren. Die Folge ist gähende Langeweille und Schulfrust pur. Solche Beispiele idiotischer sog. „diadaktischer Prinzipien“ gibt es zuhauf.

  2. Stoff vorkauen bis Unkenntlichkeit (didaktische Reduktion) ist der nächste Irrweg. Wir müssen uns Rückbesinnen auf frühere Zeiten als die Menschen noch eine echte Erziehung und Bildung genossen haben. Denn einst hat es funktioniert. Alles andere ist graue Theorie und Experiment mit ungewissem Ausganz auf Kosten der nächsten Generationen.

Gruß
r

Hallo Reiner,

du sprachst mir aus der Seele und ich habe herzhaft über deinen Beitrag gelacht.

Ich würde die integrale Orgie der Lehrerin von Christof nicht allzu bierernst nehmen.
Die Dame hat meiner Meinung nach lediglich versucht, die Schüler und Schülerinnen bis zum Ferienbeginn ohne chemische Mittel ruhig zu stellen. Siehe die Angaben von Christof:

„Da ja bei uns, in RLP, in einer Woche die Ferien beginnen wollte sie, dass wir die verbleibende Zeit nutzen um unsere Kenntnisse noch etwas zu vertiefen.
Ich gehe also mal davon aus, dass es nicht mehr relevant für die kursarbeit ist :smile:

Es lässt mich hoffen, dass Christof - selbst bei seiner Berauschung an mathematischem Formelgeklingel - den Humor mit „:smile:" anscheinend nicht ganz verloren hat.
Man sollte Christof sagen, dass er die verbleibend Zeit auch nutzen könnte um seine Kenntnisse in Orthografie „noch etwas zu vertiefen“.

Viele Grüße

watergolf

Typische Aufgabe
Hallo Omikron,

Du kennst das elektrische Feld einer einzelnen Punktladung. Durch Superposition kannst Du daraus sofort das elektrische Feld einer Ansammlung von vielen einzelnen Punktladungen gewinnen. Wenn Du aber unendlich viele Punktladungen hast, die eine Linie oder eine Flaeche oder auch einen Raum ausfuellen, dann kannst Du nicht mehr „von Hand“ addieren und verwendest statt dessen dazu den Formalismus der Integralrechnung. Eine typische Beispielaufgabe aus dem Studium ist etwa die Berechnung des elektrischen Feldes einer geladenen metallischen Kugel alleine im weiten Raum. Dazu solltest Du dann allerdings vernuenftigerweise in Kugelkoordinaten rechnen und wirst mit der diracschen delta-Funktion hantieren. (An die Experten: Ja, ich weiss, es ist eigentlich eine Distribution, aber fuer physikalische Rechenaufgaben ist das nicht so wichtig. :smile: )

Fuer Dich einfacher ist vielleicht eine rechteckige gleichmaessig geladene Platte. Fuer so eine Aufgabe waehlt man zuerst die Bezeichner: Wir geben der Platte z. B. die Laenge a und die Breite b und legen sie so, dass sie im ersten Quadranten der x-y-Ebene liegt. Ausserdem geben wir ihr die Gesamtladung Q, also damit die Flaechenladungsdichte Q/(ab). Jetzt kannst Du versuchen, daraus das elektrische Feld an einem bestimmten Punkt \vec{r}=(x,y,z) zu berechnen. Vernuenftigerweise wird man das Problem aber nicht sofort allgemein betrachten, sondern waehlt bestimmte interessante Punkte aus. Also z. B. die Punkte mittig ueber der Platte mit Koordinaten \vec{r}=(a/2,b/2,z). Ich habe das jetzt nicht selber gerechnet, aber Du kannst ja ausprobieren, ob Du etwas sinnvolles herausbekommst. Dein Integral \int dV \rho … reduziert sich auf das Integral ueber die Flaeche, weil die Ladungsdichte \rho ja ueberall anders Null ist. Wir schreiben also

\int dV \rho … = \int_0^a dx \int_0^b dy Q/(ab) …

Die Punkte stehen fuer alles, was sonst noch im Integral steht.

Kleiner Tipp: Im Grenzfall z --> 00 wird sich das elektrische Feld einer Punktladung der Ladungsstaerke Q im Ursprung ergeben. Das kannst Du als Konsistenztest fuer Deine Rechnung verwenden.

Nun wuensche ich Dir viel Freude und Erfolg bei der Rechnung! :smile:

Liebe Gruesse,

The Nameless

Hallo Nameless,

Vielen Dank für die Mühe die du dir gemacht hast!
Es freut mich, endlich mal wieder eine Reaktion auf meinen Artikel zu bekommen, wo es nicht um die Nachteile unseres gegenwärtigen Schulsystems geht oder sich über meine fehlerhafte Zeichensetzung und Rechtschreibung mokiert wird.
Für alle die sich über meine Lehrerin ärgern: ich kann nur sagen, dass sie eine sehr fähige Person ist.
Sie unterrichtet mit Freude und nimmt, trotz ihres allgemein sehr hohen Anspruchs, Rücksicht auf uns.
Zudem verlangt sie von niemandem, dass wir diese Integrale lösen können.
Das ich mich mit dem Thema noch außerschulisch beschäftige, geschieht auf rein freiwilliger Basis, da ich nach meinem Abitur Physik oder Mathematik studieren möchte!
Ich finde es es sehr gut, dass sie sich die Mühe macht, mit uns auch über den konventionellen Schulstoff hinauszugehen.
So hat sie (z.B. als es um das Thema Rotationsbewegung ging) versucht uns zu erklären, wie man die Formeln für die diversen Trägheitsmomente Herleitet. Dort wurde ich zum ersten mal mit Volumenintegralen konfrontiert.
Bitte empfindet diese Nachricht nicht als Kritik, ich gönne jedem seine Meinung.
Für mich kann ich nur sagen, dass ihr Unterricht mich sehr fördert und mein Interesse an der Physik immer mehr anfacht.

mfg Christof

Hallo Omikron.

Vielen Dank für die Mühe die du dir gemacht hast!

Oh, bitte, gerne.

Das ich mich mit dem Thema noch außerschulisch beschäftige,
geschieht auf rein freiwilliger Basis, da ich nach meinem
Abitur Physik oder Mathematik studieren möchte!

Ein Wunsch, den ich sehr unterstuetze! :smile:

Trägheitsmomente Herleitet. Dort wurde ich zum ersten mal mit
Volumenintegralen konfrontiert.

Na bitte, dann „weisst“ Du ja, wie man das Volumenintegral berechnet. Ein Hinweis noch:

In Deiner Formel fuer das elektrische Feld wird ueber eine vektorielle Groesse integriert,

\int_V \mathrm{d}^3r \frac{ \rho(\vec{r}) \vec{e}_r
}{ \left|\vec{r}-\vec{r}_k\right|^2 }

Das ist so zu verstehen, dass man jede Komponente des vektorwertigen Integranden einzeln integriert. Du hast dann also einen Vektor aus drei Integralen da stehen.

Wenn ihr bei den Traegheitsmomenten auch das der Kugel berechnet habt, dann kannst Du Dich ja auch am Feld der homogen geladenen Kugelschale versuchen. Also Flaechenladungsdichte Q/(4\pi R) im Abstand R vom Ursprung. Hinweis: Im Aussenraum (also fuer r>R) kommt das Feld einer Punktladung der Ladungsstaerke Q im Ursprung heraus.

Viel Erfolg und liebe Gruesse,

The Nameless