Magnetisches Vektorpotential

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Zur Navigation springen Zur Suche springen
Physikalische Größe
Name magnetisches Vektorpotential
Formelzeichen
Größen- und
Einheitensystem
Einheit Dimension
SI T·m = V·s·m−1 M1 L1 T−2 I−1

Das magnetische Vektorpotential , oft auch nur als Vektorpotential bezeichnet, ist in der klassischen Elektrodynamik ein Vektorfeld dessen Rotation die magnetische Flussdichte ergibt

.

Historisch wurde es als mathematisches Hilfsmittel entwickelt, um die magnetische Flussdichte leichter zu beschreiben. Es lässt sich u. a. auch dazu verwenden, die zur Beschreibung des elektromagnetischen Felds verwendeten Maxwell-Gleichungen zu entkoppeln und dadurch leichter lösbar zu machen.

Obwohl es zunächst nur als mathematisches Hilfsmittel eingeführt wurde, kommt ihm in der Quantenmechanik physikalische Realität zu, wie das Aharonov-Bohm-Experiment zeigt.

Das magnetische Vektorpotential hat die SI-Einheit .

Das magnetische Vektorpotential ist ein Vektorfeld, das zusammen mit dem elektrischen Potential durch die Gleichungen

definiert ist. steht für die magnetische Flussdichte, für das elektrische Feld. In der Magnetostatik ist das magnetische Vektorpotential nicht zeitabhängig. Es ist deshalb vollständig durch die erste Gleichung unabhängig vom elektrischen Potential definiert.

Das magnetische Vektorpotential ist eine Anwendung des rein mathematischen Vektorpotentials.

In der Magnetostatik erfüllt das Vektorpotential die Poisson-Gleichung (mit der Vakuumpermeabilität ):

.

Diese Differentialgleichung kann mit einer Faltung (siehe Greensche Funktion) gelöst werden, um das magnetische Vektorpotential zu erhalten:

Diese Beziehung gilt nur, wenn die Stromdichte im Unendlichen verschwindet und dabei mindestens so schnell wie gegen null geht.

In der Elektrodynamik erweitert sich die Poisson-Gleichung zur (inhomogenen) Wellengleichung für das Vektorpotential

,

wobei der D’Alembert-Operator ist.

Die inhomogenen Lösungen dieser Gleichung sind das retardierte bzw. avancierte Vektorpotential

, mit .

Weil die Divergenz einer Rotation immer Null ist, gilt

Die Definition sorgt so dafür, dass Induktionsgesetz und das Gaußsches Gesetz für Magnetfelder, also zwei der Maxwell-Gleichungen, automatisch erfüllt sind.

Das magnetische Vektorpotential ist als Vektorfeld außerdem nicht konservativ. Andernfalls wäre es durch den Gradienten eines skalaren Feldes darstellbar und es würde gelten:

Skalares Potential und Vektorpotential werden in der Relativitätstheorie und der Quantenelektrodynamik zum Viererpotential

zusammengefasst.

  • Das Vektorpotential ist nur bis auf ein Gradientenfeld bestimmt, weil die Rotation eines Gradientenfeldes immer verschwindet. Für jede skalare Funktion gilt also
Verschieden geeichte Vektorpotentiale führen also auf dasselbe magnetische Feld. Dies wird als Eichinvarianz bezeichnet.
.
  • In der Elektrodynamik, d. h. bei nicht-statischen Verhältnissen, benutzt man dagegen meist die folgende Lorenz-Eichung, die für die Berechnung elektromagnetischer Wellenfelder nützlich ist:
Dabei ist das skalare Potential (s. u.) und die Lichtgeschwindigkeit.

Elektrisches Vektorpotential

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der Berechnung von Feldern in ladungs- und leitungsstromfreien Gebieten, z. B. in Hohlleitern begegnet man dem elektrischen Vektorpotential , es hat die Einheit einer Linienladungsdichte .

Aufgrund der Quellenfreiheit der betrachteten Felder gilt

      bzw.
      sowie
.

Um einen funktionalen Zusammenhang zwischen und zu erhalten, subtrahiert man die Gleichungen und voneinander und erhält:

Das Wirbelfeld nennt man elektrisches Vektorpotential. Es beschreibt nur zeitlich veränderliche elektrische Felder.

Beziehungen zwischen Vektor- und Skalarpotential

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gemäß dem helmholtzschen Theorem kann (fast) jedes Vektorfeld als Superposition zweier Komponenten und aufgefasst werden, deren erste der Gradient eines Skalarpotentials ist, die zweite dagegen die Rotation eines Vektorpotentials :

Ist ein konservatives Kraftfeld, in dem die Kraft dem Prinzip des kleinsten Zwanges folgend stets der Richtung des maximalen Anstiegs des Potentials entgegengerichtet ist, gilt alternativ die Schreibweise