Vektorfeld

In der mehrdimensionalen Analysis und der Differentialgeometrie ist ein Vektorfeld eine Funktion, die jedem Punkt eines Raumes einen Vektor zuordnet. Vektorfelder sind von großer Bedeutung in der physikalischen Feldtheorie, zum Beispiel um die Geschwindigkeit und Richtung eines Teilchens einer bewegten Flüssigkeit anzugeben, oder um die Stärke und Richtung einer Kraft, wie der magnetischen oder der Schwerkraft, zu beschreiben.

Beispiel eines Vektorfeldes. Die Vektoren sind als Pfeile dargestellt, welche Richtung und Betrag (Pfeillänge) wiedergeben

Definition

Vektorfelder im euklidischen Raum

Unter einem Vektorfeld $v$ auf einer Menge $\Omega \subset \mathbb {R} ^{n}$ versteht man eine Abbildung, die jedem Punkt $x\in \Omega$ einen Vektor $v(x)\in \mathbb {R} ^{n}$ zuordnet, $v:\Omega \rightarrow \mathbb {R} ^{n}$. Ist $v$ k-mal differenzierbar, so spricht man von einem $C^{k}$-Vektorfeld. Anschaulich wird also an jedem Punkt der Menge $\Omega$ ein „Pfeil angebracht“.

Beispiele

• Gradientenfeld: Ist $f:\Omega \rightarrow \mathbb {R}$ eine differenzierbare Funktion auf einer offenen Menge $\Omega \subset \mathbb {R} ^{n}$, so wird das Gradientenfeld $\operatorname {grad} f\colon \Omega \rightarrow \mathbb {R} ^{n}$ von $f$ definiert durch die Zuordnung

  $x\mapsto \operatorname {grad} f(x)=\left({\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}(x),\ldots ,{\frac {\partial f}{\partial x_{n}}}(x)\right)$.

Oft schreibt man es mit dem Nabla-Symbol: $\operatorname {grad} f=\nabla f$. Ist ein Vektorfeld das Gradientenfeld einer Funktion $f$, so bezeichnet man in der Physik die Größe $\,\phi =-f$ oft als Potential.

Beispiele von Gradientenfelder sind das von einer Punktquelle nach allen Seiten gleichmäßig fließende Feld einer Strömung und das elektrische Feld um eine Punktladung.

• Zentralfelder: Sei $I$ ein Intervall, welches die Null enthält, und $K(I)=\{x\in \mathbb {R} ^{n}:\|x\|\in I\}\subset \mathbb {R} ^{n}$ eine Kugelschale. Zentralfelder auf der Kugelschale sind definiert durch

$v(x)=a(\|x\|)\cdot x$ mit $a:I\rightarrow \mathbb {R}$.

• In $\mathbb {R} ^{3}\backslash \{0\}$ ist das Gravitationsfeld $v(x)=-{\frac {x}{\|x\|^{3}}}$ ein solches Zentralfeld.
• Weitere Beispiele sind im $\mathbb {R} ^{3}$ die mathematisch diffizileren sogenannten „Wirbelfelder“. Sie lassen sich als Rotation eines Vektorpotentials $\mathbf {A}$ beschreiben, nach der Formel $\mathbf {v} (\mathbf {r} )=\mathbf {rot\,\,} \mathbf {A}$ (s.u.).

Prägnantes Beispiel eines Wirbelfeldes ist das in Kreislinien um den Ausfluss einer „Badewanne“ herumwirbelnde Strömungsfeld, oder das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Draht.

Quellenfreie und wirbelfreie Vektorfelder; Zerlegungssatz

Ein mindestens zweimal stetig-differenzierbares Vektorfeld $\mathbf {v} (\mathbf {r} )$ im $\mathbb {R} ^{3}$ heißt quellenfrei (beziehungsweise wirbelfrei), wenn seine Quellendichte (Divergenz) beziehungsweise Wirbeldichte (Rotation) dort überall Null ist. Unter der weiteren Voraussetzung, dass die Komponenten von $\mathbf {v}$ im Unendlichen hinreichend rasch verschwinden, gilt der sogenannte Zerlegungssatz: Jedes Vektorfeld $\mathbf {v} (\mathbf {r} )$ ist eindeutig durch seine Quellen bzw. Wirbel bestimmt, und zwar gilt die folgende Zerlegung in einen wirbelfreien beziehungsweise quellenfreie Anteil:

$\mathbf {v} (\mathbf {r} )\equiv \mathbf {-grad_{\mathbf {r} }\,\,} \int _{\mathbb {R} ^{3}\,}\,d^{3}\mathbf {r} '\,{\frac {\mathrm {{div'}\,\,} \mathbf {v} (\mathbf {r} ')}{4\pi |\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}+\mathbf {rot_{\mathbf {r} }\,\,} \int _{\mathbb {R} ^{3}\,}\,d^{3}\mathbf {r} '\,\,{\frac {{\mathbf {rot'\,\,} }\mathbf {v} (\mathbf {r} ')}{4\pi |\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}\,.$

Dies entspricht der Zerlegung eines statischen elektromagnetischen Feldes in den elektrischen beziehungsweise magnetischen Anteil (siehe Elektrodynamik)  . Es sind also genau die Gradientenfelder (d.h. die „elektrischen Feldkomponenten“) wirbelfrei bzw. genau die Wirbelfelder (d.h. die „magnetischen Feldkomponenten“) quellenfrei. Dabei sind $\mathbf {grad\,\,} \phi (\mathbf {r} ):=\nabla \phi \,,$   $\mathrm {div\,\,} \mathbf {v} :=\nabla \cdot \mathbf {v}$ und $\mathbf {rot\,\,} \mathbf {v} :=\nabla \times \mathbf {v}$ die bekannten, mit dem $\nabla$-Operator der Vektoranalysis gebildeten Operationen.

Vektorfelder auf Mannigfaltigkeiten

Sei $M$ eine differenzierbare Mannigfaltigkeit. Ein Vektorfeld ist ein (glatter) Schnitt im Tangentialbündel $TM$.

Ausführlicher heißt das, ein Vektorfeld ist eine $C^{k}$-Abbildung $v$, so dass $v:M\to TM$ mit $\pi \circ v=\mathop {\operatorname {id} } _{M}$ gilt. Es wird also jedem $x\in M$ ein Vektor $v(x)\in T_{x}M$ zugeordnet. Die Abbildung $\pi$ ist die natürliche Projektion $\pi :TM\rightarrow M$ mit $(p,v)\mapsto p$.

Anmerkungen

Diese Definition verallgemeinert die der Vektorfelder im euklidischen Raum. Es gilt nämlich $\mathbb {R} ^{n}\cong T_{p}\mathbb {R} ^{n}$ und $T\mathbb {R} ^{n}\cong \mathbb {R} ^{n}\times \mathbb {R} ^{n}$.

Im Gegensatz zu Vektorfeldern wird durch ein Skalarfeld jedem Punkt einer Mannigfaltigkeit ein Skalar zugeordnet.

Anwendungen

Vektor- und Kraftfelder haben außer in Physik und Chemie auch große Bedeutung in zahlreichen Fachgebieten der Technik: Elektrotechnik, Geodäsie, Mechanik, Atomphysik, Angewandte Geophysik.

Siehe auch

• Erdschwerefeld, Potential, Potentialtheorie.

Literatur

• Königsberger: Analysis 2, Springer-Verlag, Berlin, 5. Auflage, 2004
• R. Abraham, J. E. Marsden, T. Ratiu: Manifolds, Tensor Analysis, and Applications. 2. Auflage. Springer, Berlin 1988, ISBN 3-540-96790-7 (englisch). 
• John Lee: Introduction to smooth manifolds, Springer-Verlag, 2. Auflage