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chrbeckm committed Oct 1, 2024
1 parent ed44ecb commit 6ce16cd
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78 changes: 36 additions & 42 deletions exercises-latex/06-math/loesung.tex
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Expand Up @@ -29,9 +29,12 @@ \section{Biot--Savart}
Das Magnetfeld $\symbf{B}$ am Ort $\symbf{r}$ eines stromdurchflossenen Leiters ergibt sich zu
\begin{equation}
\symbf{B}(\symbf{r}) = \frac{\mu_0}{4 \symup{\pi}}
\int_V \symbf{j}(\symbf{r}') \times \frac{\symbf{r} - \symbf{r}'}{\lvert \symbf{r} - \symbf{r}' \rvert^3} \, \symup{d}V' .
\int_V \symbf{j}(\symbf{r}') \times
\frac{\symbf{r} - \symbf{r}'}{\lvert \symbf{r} - \symbf{r}' \rvert^3}
\, \symup{d}V' \, .
\end{equation}
Hierbei bezeichnet $\symbf{j}$ die Stromdichte am Ort $\symbf{r}'$ und $\mu_0$ die magnetische Feldkonstante.
Hierbei bezeichnet $\symbf{j}$ die Stromdichte am Ort $\symbf{r}'$
und $\mu_0$ die magnetische Feldkonstante.

\section{Fehlerfortpflanzung}

Expand Down Expand Up @@ -59,38 +62,30 @@ \section{Wellengleichung}
\nabla \cdot \symbf{B} &= 0 \label{eqn:max2} \\
\nabla \times \symbf{E} &= - \partial_t \symbf{B} \label{eqn:max3} \\
\nabla \times \symbf{B} &= \mu_0 \varepsilon_0 \partial_t \symbf{E} \label{eqn:max4}
\intertext{reduzieren.
Nach erneuter Anwendung der Rotation auf~\eqref{eqn:max3} ergibt sich}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= \nabla \times \left( - \partial_t \symbf{B} \right) \, .
\intertext{Nach dem Satz von Schwarz lassen sich die partiellen Ableitungen vertauschen,
was zu}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= - \partial_t \! \left( \nabla \times \symbf{B} \right)
\intertext{führt. Wir setzen auf der rechten Seite~\eqref{eqn:max4} ein:}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= - \mu_0 \varepsilon_0 \partial_t^2 \symbf{E} \, .
\intertext{Aus der linken Seite wird mit}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= \nabla \cdot \left( \nabla \cdot \symbf{E} \right) - \increment \symbf{E}
\shortintertext{und Ausnutzen von~\eqref{eqn:max1}}
- \increment\symbf{E} &= -\mu_0 \varepsilon_0 \partial_t^2 \symbf{E} .
\intertext{Dies ist die Wellengleichung für das elektrische Feld,
in der sich die Lichtgeschwindigkeit}
\symup{c} &= \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}}
\intertext{identifizieren lässt.
Damit können wir}
\left(\increment - \frac{1}{\symup{c}^2} \frac{\partial^2}{\partial t^2} \right)
\! \symbf{E} &= 0
\end{align}
reduzieren.
Nach erneuter Anwendung der Rotation auf~\eqref{eqn:max3} ergibt sich
\begin{equation}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right) = \nabla \times \left( - \partial_t \symbf{B} \right) .
\end{equation}
Nach dem Satz von Schwarz lassen sich die partiellen Ableitungen vertauschen, was zu
\begin{equation}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right) = - \partial_t \! \left( \nabla \times \symbf{B} \right)
\end{equation}
führt.
Wir setzen auf der rechten Seite~\eqref{eqn:max4} ein:
\begin{equation}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right) = - \mu_0 \varepsilon_0 \partial_t^2 \symbf{E} .
\end{equation}
Aus der linken Seite wird mit
\begin{equation}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right) = \nabla \cdot \left( \nabla \cdot \symbf{E} \right) - \increment \symbf{E}
\end{equation}
und Ausnutzen von~\eqref{eqn:max1}
\begin{equation}
- \increment\symbf{E} = -\mu_0 \varepsilon_0 \partial_t^2 \symbf{E} .
\end{equation}
Dies ist die Wellengleichung für das elektrische Feld, in der sich die Lichtgeschwindigkeit
\begin{equation}
\symup{c} = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}}
\end{equation}
identifizieren lässt.
Damit können wir
\begin{equation}
\left(\increment - \frac{1}{\symup{c}^2} \frac{\partial^2}{\partial t^2} \right) \! \symbf{E} = 0
\end{equation}
schreiben.

\section{Wellengleichung}
Expand All @@ -115,11 +110,12 @@ \section{Multipolentwicklung}
\Phi(\symbf{r}) = \frac{1}{4 \symup{\pi} \varepsilon_0} \left(
\frac{Q}{r} + \frac{\symbf{r} \cdot \symbf{p}}{r^3}
+ \frac{1}{2} \sum_{k, l} Q_{k l} \frac{r_k r_l}{r^5} + \dotsb
\right) ,
\right) \, ,
\end{equation}
wobei
\begin{equation*}
Q_{k l} = \sum_{i\,=\,1}^n q_i \left( 3 r_{i k} r_{i l} - r_i^2 \symup{\delta}_{k l} \right)
Q_{k l} = \sum_{i\,=\,1}^n q_i
\left( 3 r_{i k} r_{i l} - r_i^2 \symup{\delta}_{k l} \right) \, .
\end{equation*}

\section{Jacobi-Matrix}
Expand All @@ -139,12 +135,10 @@ \section{Harmonischer Oszillator}
\ddot{x} + 2 \gamma \dot{x} + \omega_0^2 x = 0
\end{equation}
Reelle Lösung:
\begin{equation}
x(t) = \symup{e}^{-\gamma t} (A \cos(\omega t) + B \sin(\omega t))
\end{equation}
mit
\begin{equation}
\omega = \sqrt{\omega_0^2 - \gamma^2} .
\end{equation}
\begin{align}
x(t) &= \symup{e}^{-\gamma t} (A \cos(\omega t) + B \sin(\omega t)) \, ,
\shortintertext{mit}
\omega &= \sqrt{\omega_0^2 - \gamma^2} \, .
\end{align}

\end{document}

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