1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
|
%
% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2
%
% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil
%
\section{Anwendung in der Physik
\label{parzyl:section:teil2}}
\rhead{Anwendung in der Physik}
Die parabolischen Zylinderkoordinaten tauchen auf, wenn man das elektrische Feld einer semi-infiniten Platte, wie in Abbildung \ref{parzyl:fig:leiterplatte} gezeigt, finden will.
\begin{figure}
\centering
\begin{minipage}{.7\textwidth}
\centering
\includegraphics[width=\textwidth]{papers/parzyl/images/halfplane.pdf}
\caption{Semi-infinite Leiterplatte}
\label{parzyl:fig:leiterplatte}
\end{minipage}%
\begin{minipage}{.25\textwidth}
\centering
\includegraphics[width=\textwidth]{papers/parzyl/img/Plane_2D.png}
\caption{Semi-infinite Leiterplatte dargestellt in 2D}
\label{parzyl:fig:leiterplatte_2d}
\end{minipage}
\end{figure}
Die Äquipotentiallinien sind dabei in rot ,die des elektrischen Feldes in grün und semi-infinite Platte ist in blau dargestellt.
Das dies so ist kann im Zweidimensionalen mit Hilfe von komplexen Funktionen gezeigt werden. Die Platte ist dann nur eine Halbgerade, was man in Abbildung \ref{parzyl:fig:leiterplatte_2d} sieht.
Jede komplexe Funktion $F(z)$ kann geschrieben werden als
\begin{equation}
F(s) = U(x,y) + iV(x,y) \quad s = x + iy \qquad s \in \mathbb{C}; x,y \in \mathbb{R}.
\end{equation}
Dabei müssen, falls die Funktion differenzierbar ist, die Cauchy-Riemann Differentialgleichungen
\begin{equation}
\frac{\partial U(x,y)}{\partial x}
=
\frac{\partial V(x,y)}{\partial y}
\qquad
\frac{\partial V(x,y)}{\partial x}
=
-\frac{\partial U(x,y)}{\partial y}
\end{equation}
gelten.
Aus dieser Bedingung folgt
\begin{equation}
\label{parzyl_e_feld_zweite_ab}
\underbrace{
\frac{\partial^2 U(x,y)}{\partial x^2}
+
\frac{\partial^2 U(x,y)}{\partial y^2}
=
0
}_{\displaystyle{\nabla^2U(x,y)=0}}
\qquad
\underbrace{
\frac{\partial^2 V(x,y)}{\partial x^2}
+
\frac{\partial^2 V(x,y)}{\partial y^2}
=
0
}_{\displaystyle{\nabla^2V(x,y) = 0}}.
\end{equation}
Zusätzlich kann auch gezeigt werden, dass die Funktion $F(z)$ eine winkeltreue Abbildung ist.
Der Zusammenhang zum elektrischen Feld ist jetzt, dass das Potential an einem quellenfreien Punkt gegeben ist als
\begin{equation}
\nabla^2\phi(x,y) = 0.
\end{equation}
Dies ist eine Bedingung, welche differenzierbare Funktionen, wie in Gleichung \eqref{parzyl_e_feld_zweite_ab} gezeigt wird, bereits besitzen.
Nun kann zum Beispiel $U(x,y)$ als das Potential angeschaut werden
\begin{equation}
\phi(x,y) = U(x,y).
\end{equation}
Orthogonal zu den Äquipotenzialfläche sind die Feldlinien des elektrische Feld
\begin{equation}
E(x,y) = V(x,y).
\end{equation}
Um nun zu den parabolische Zylinderkoordinaten zu gelangen muss nur noch eine geeignete
komplexe Funktion $F(s)$ gefunden werden,
welche eine semi-infinite Platte beschreiben kann.
Die gesuchte Funktion in diesem Fall ist
\begin{equation}
F(s)
=
\sqrt{s}
=
\sqrt{x + iy}.
\end{equation}
Dies kann umgeformt werden zu
\begin{equation}
F(s)
=
\underbrace{\sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} + x}{2}}}_{U(x,y)}
+
i\underbrace{\sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} - x}{2}}}_{V(x,y)}
.
\end{equation}
Die Äquipotentialflächen können nun betrachtet werden,
indem man die Funktion, welche das Potential beschreibt, gleich eine Konstante setzt,
\begin{equation}
% \sigma = U(x,y) = \sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} + x}{2}}.
c_1 = U(x,y) = \sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} + x}{2}}.
\end{equation}
Die Flächen mit der gleichen elektrischen Feldstärke können als
\begin{equation}
% \tau = V(x,y) = \sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} - x}{2}}
c_2 = V(x,y) = \sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} - x}{2}}
\end{equation}
beschrieben werden. Diese zwei Gleichungen zeigen nun, wie man vom
kartesischen Koordinatensystem ins parabolische Zylinderkoordinatensystem kommt.
%Werden diese Formeln nun nach $x$ und $y$ aufgelöst
%\begin{equation}
% x = \sigma \tau,
%\end{equation}
%\begin{equation}
% y = \frac{1}{2}\left ( \tau^2 - \sigma^2 \right ),
%\end{equation}
%so beschreibe sie, wie man aus dem parabolischen Zylinderkoordinatensystem zurück ins kartesische rechnen kann.
Werden diese Formeln nun nach $x$ und $y$ aufgelöst
\begin{align}
x &= c_1^2 - c_2^2 ,\\
y &= 2c_1 c_2,
\end{align}
so beschreiben sie mit $\tau = c_1 \sqrt{2}$ und $\sigma = c_2 \sqrt{2}$ die Beziehung
zwischen dem parabolischen Zylinderkoordinatensystem und dem kartesischen Koordinatensystem.
|
