Einleitung

Bearbeiten

Diese Seite zum Thema Kontinuitätsgleichung kann als Wiki2Reveal Folien angezeigt werden, um z.B. in Lehrveranstaltungen in die Kontinuitätsgleichung einzuführen

Animation

Bearbeiten

Betrachten Sie die folgende Animation eines 2D-Schnitts einer Tragfläche bzgl. der Strömungsdynamik einzelner Teilchen.

 

Erläuterung

Bearbeiten
  • in der obigen Abbildung können Sie einen Teilchentransport bzgl. eines an der Tragfläche fixierten Koordinatensystems erkennen,
  • engerer Abstand zwischen den Punkten im Modell bedeutet höhere Teilchendichte,
  • ein größerer Abstand zwischen den Punkten im Modell bedeutet geringere Teilchendichte,

Einführende Aufgaben

Bearbeiten
  • Was können Sie bzgl. einzelner Teilchen oberhalb und unterhalb der Tragfläche erkennen?
  • Auftrieb entsteht durch Druckunterschiede. Begründen Sie, warum das Tragflächenprofil Auftrieb liefert.

Bemerkung 2D - 3D

Bearbeiten

Betrachtet man zu dem obigen Beispiel eine Realsituation, so kann man z.B. die Dichtefunktion   zeitabhängig zu jedem Zeitpunkt   und an jedem Ort   angeben. Nun gehen wir für die Motivation der Kontinuitätsgleichung von der 2D-Animation zu einer 3D-Situation über, bei die Dichte und der Transport von Masse als Einstiegsbeispiel dient.

Motivation

Bearbeiten

Dabei betrachtet man z.B. ein Raum   mit folgenden Eigenschaften betrachtet:

  • (1) In dem System befindet sich ein Fluid
  • (2) Dieses Fluid hat an dem Ort   zum Zeitpunkt   eine Dichte  
  • (3) Die Abbildung   gibt zum Zeitpunkt   und Ort   über über den Vektor   an, in welche Richtung das Fluid fließt.

Bemerkung - Richtung

Bearbeiten

Die Bezeichnung "Richtung" meint dabei nicht, dass alle Teilchen in dem Modell zum Zeitpunkt   und in einer kleinen Umgebung um   sich in die Richtung   bewegen. Diffusion führt z.B. zu einem Teilchenaustauch in alle Richtungen, dessen Teilchenbewegung insgesamt aber zu keiner örtlichen Veränderung der Teilchendichte führt - also in diesem Fall in der Massebilanz an dem Ort   und dem Zeitpunkt   die Gleichung   gilt.

Richtung und Dichteausgleich

Bearbeiten

In diesem einführenden Beispiel kann man die Abbildung   auch wieder in Abhängigkeit von Dichtefunktion Dichte   betrachten. Bei der Betrachtung von Wetter bestimmt die Temperatur die Dichte der Luft   zum Zeitpunkt   an dem Ort  . Der Wind sorgt dabei für einen Luftmassentransport von Hochdruckgebieten in Tiefdruckgebiete.

Partielle Ableitungen

Bearbeiten

Partielle Ableitungen beschreiben das Veränderungsverhalten bzgl. der Komponente der Funktion. Betrachtet man die Funktion   mit den Argumenten   und  , so unterscheidet man prinzipiell

  • zeitliche Ableitungen nach   und
  • räumliche partielle Ableitungen   bzgl. der Koordinatenachse  .

Dichteveränderung - räumliche partielle Ableitung

Bearbeiten

Veranschaulicht man Dichte mit Nebel im Raum, so schaut bei   an dem Ort   in Richtung der Koordinatenachse  . Ist   nimmt von diesem Ort aus die Dichte des Nebels in  -Richtung zu und die Sicht wird schlechter. Wenn man von dem gleichen Ort   zum Zeitpunkt   nach oben in  -Richtung in schaut und der Sicht in diese Richtung besser wird, nimmt die Dichte des Nebels in ab und man hat  

Masseveränderung - räumliche partielle Ableitung

Bearbeiten

Die partiellen Ableitungen   der Komponentenfunktionen   mit   und   beschreiben die Masseveränderung in die Koordinatenrichtung  .

Quellen und Senken

Bearbeiten

Mit der Divergenz   summiert man die Masseänderung in alle Koordinatenrichtungen. Ist die Divergenz positiv, fließt anschaulich über alle Koordinatenrichtungen betrachtet mehr Fluid von dem Ort   zum Zeitpunkt   weg (divergiert von dem Punkt - Quelle). Ist die Divergenz und Ort   zum Zeitpunkt   negativ, fließt anschlaulich Fluid in die Senke.

Erhaltung

Bearbeiten

Wenn Masse bei negativer Divergenz   in die Senke   zum Zeitpunkt   fließt und sich dabei die Dichte   durch den Massestrom an den Ort   zum Zeitpunkt   entsprechend erhöht, dann beschreibt die Kontinuitätsgleichung diesen Zusammenhang. Analog erhält man bei positiver Divergenz   und über alle Koordinatenrichtungen in Summe auseinanderstrebenden (divergierenden) Massen als Resultate eine Dichtereduktion an dem Ort   zum Zeitpunkt  .

Zeitableitung der Dichtefunktion

Bearbeiten

Die Zeitableitung der Dichtefunktion   beschreibt, wie sich die Dichte an dem Ort   zum Zeitpunkt   in der Zeit ändert.

  • Positiver Wert der Zeitableitung bedeutet Dichtetzunahme,
  • Negativer Wert der Zeitableitung bedeutet Dichtetabnahme,
  • Zeitableitung 0 bedeutet Dichte bedeutet, dass die Dichte an dem Ort   zum Zeitpunkt   weder steigt noch fällt.


Erhaltungsgleichung

Bearbeiten

Die Kontinuitätsgleichung beschreibt dann, dass sich die räumliche Divergenz des Massenstromes   und die Dichteänderung   durch die umgekehrten Vorzeichen in der Summe gegenseitig ausgleichen. Dies führt zu der Kontinuitätsgleichung, die zu jedem Ort   und Zeitpunkt   die Masseerhaltung wie folgt angibt:

 

Dabei ist die räumliche Divergenz als   definiert ist.

Zur Notation - Nabla-Operator

Bearbeiten

Formal ist der Nabla-Operator ein Vektor, dessen Komponenten die partiellen Ableitungsoperatoren   sind:

 

Nabla-Operator - räumliche Divergenz

Bearbeiten

Wenn man den Nabla-Operator allerdings auf eine Funktion   anwendet, die von einem dreidimensionalen Ort   und der Zeit über das Argument   abhängt, würde das den folgenden Nabla-Operator ergeben:

 

räumliche Divergenz in Kontinuitätsgleichung

Bearbeiten

Da in der Kontinuitätsgleichung allerdings der Nabla-Operator nur auf die räumlichen partiellen Ableitungen angewendet wird, wurde die Notation   mit

 

statt der in der Physik gebräuchlichen Schreibweise   verwendet.

Definition der Kontinuitätsgleichung

Bearbeiten

Sei   eine Teilmenge eines Vektorraumes, die die betrachteten Orte beinhaltet. Ferner sei   eine Zeitmenge, über die ein System modelliert wird.

  •   ist die Dichtefunktion, die zu jedem Ort   und zu jedem Zeitpunkt   die Dichte   angibt.
  •   eine partiell differenzierbare Funktion, die die räumliche Änderung in alle Koordinatenrichtungen an dem Ort   zm Zeitpunkt   über   angibt.

Die Kontinuitätsgleichung ist dann die partielle Differentialgleichung  


Anwendungen in der Physik

Bearbeiten

In der Physik beschreibt die Kontinuitätsgleichung als partielle Differentialgleichung den Zusammenhang bzgl. einer Erhaltungsgröße (z.B. der Masse). Dabei verbindet diese die zeitliche Änderung   bzgl. der räumlichen Dichte  , mit der diese Erhaltungsgröße an einem Punkt und der räumlichen Änderung ihrer Stromdichte  :

 

Zur mathematischen Definition von   siehe Divergenz eines Vektorfeldes.

Erhaltungsgrößen in der Physik

Bearbeiten

Die Kontinuitätsgleichung tritt in allen Feldtheorien der Physik auf. Die erhaltenen Größen können sein:


Bermerkung zur Notation in der Physik

Bearbeiten

Die Stromdichte   in der Physik ist in der Regel auch eine zeitabhängige Funktion, da sich die Stromdichte im zeitlichen Verlauf ändert. Daher muss man   in der Skalarproduktnotation und der Definition des Nabla-Operator nur angewendet auf die räumlichen Komponenten von   als   lesen.

Bilanzgleichungen als Verallgemeinerung

Bearbeiten

Die Verallgemeinerung der Kontinuitätsgleichung auf physikalische Größen, die keine Erhaltungsgrößen sind, ist die Bilanzgleichung. In ihr tritt auf der rechten Seite der Gleichung ein zusätzlicher Quellterm auf. Der Quellterm in der Differentialgleichung beschreibt dann z.B. die Masseveränderung im modellierten System.

Zusammenhang mit einer Erhaltungsgröße

Bearbeiten

Die in einem Volumen V enthaltene „Ladung“ (das Volumenintegral über die Dichte) kann sich aufgrund der Kontinuitätsgleichung nur dadurch ändern, dass unausgeglichene Ströme aus der Oberfläche des Volumens hinausfließen. Demnach ändert sich die Gesamtladung für   zeitlich nicht und ist eine Erhaltungsgröße, wenn keine (Netto-)Ströme durch die Oberfläche des betrachteten Volumens fließen.

Änderung der Ladung

Bearbeiten

Denn die zeitliche Änderung der Ladung  , gegeben durch

 

in einem zeitlich unveränderlichen Volumen  , ist wegen der Kontinuitätsgleichung

 

gleich dem Flächenintegral über die Randfläche   des Volumens über den Anteil der Stromdichte  , der in Richtung der Flächennormalen   nach außen fließt.

Randflächen und Landungsänderung

Bearbeiten

Die Ladung im Volumen ändert sich nur, sofern unausgeglichene Ströme in der angegebenen Weise durch die Randfläche fließen.

Begründung - Umformung

Bearbeiten

Neben der Kontinuitätsgleichung geht oben in die Umformung der Integralsatz von Gauß ein.

Spezielle Kontinuitätsgleichungen

Bearbeiten

Nun werden spezielle Anwendung der Kontinuitätsgleichung aus den Bereichen:

  • Hydrodynamik,
  • Elektrodynamik und
  • Quantenmechanik

behandelt.

Hydrodynamik

Bearbeiten

Verändert sich in der Hydrodynamik die Massendichte  , weil die Flüssigkeit mit der Geschwindigkeit   längs der Bahnkurven   strömt, so ist die zugehörige Stromdichte

 

und die Kontinuitätsgleichung lautet

  (Begründung: Produktregel)

Für die zeitliche Änderung der Dichte bei einem Teilchen, das die Bahn   durchläuft, besagt dies:

  (Begründung: totales Differential).

Entlang einer Trajektorie ändert sich also die Dichte mit der Divergenz der Strömung  

Die Strömung ist inkompressibel, wenn die Dichte entlang einer Trajektorie konstant bleibt:

 

Daraus folgt, dass in diesem Fall die Divergenz der Strömung Null ist:

 

Elektrodynamik

Bearbeiten

In der Elektrodynamik ergibt sich die Kontinuitätsgleichung für die elektrische Ladungsdichte   und die elektrische Stromdichte   mithilfe der Identität   und den beiden inhomogenen Maxwellgleichungen

 

d. h., es folgt mit der anderen inhomogenen Maxwell-Gleichung[1]

 

In Halbleitern beschreibt die Verletzung der Kontinuitätsgleichung

 

die Änderung der Raumladungsdichte   durch die Rekombinationsrate pro Volumen,  , und die Generationsrate  .

Aus den Maxwellgleichungen der Elektrodynamik folgt (in CGS-Einheiten) für die Energiedichte

 

und die Energiestromdichte (auch Poynting-Vektor)

 

nahezu eine Kontinuitätsgleichung:

 

Die Kontinuitätsgleichung für die Energie im elektromagnetischen Feld ist dort erfüllt, wo die elektrische Stromdichte   verschwindet, beispielsweise im Vakuum. Dort kann sich Energiedichte nur durch Energieströme ändern. Wo die elektrische Stromdichte   nicht verschwindet, leistet das elektrische Feld   Arbeit und tauscht Energie mit den Ladungsträgern aus.

Die Kontinuitätsgleichung für die elektromagnetische Feldenergie ist der Satz von Poynting.

In der relativistischen Formulierung der Elektrodynamik mit Minkowski-Vektoren fasst man und j zu einem Vierervektor zusammen  . Wie oben, folgt aus den Maxwellgleichungen, dass dessen Viererdivergenz verschwindet  [2] Diese Formulierung ist unabhängig von der gewählten Minkowski-Signatur, äquivalent zur Kontinuitätsgleichung und kann auf relativistische Feldtheorien verallgemeinert werden.

Quantenmechanik

Bearbeiten

In der nichtrelativistischen Quantenmechanik wird der Zustand eines Teilchens, etwa eines einzelnen Elektrons, durch eine Wellenfunktion   beschrieben.

Das Betragsquadrat

 

gibt die Wahrscheinlichkeitsdichte dafür an, ein Teilchen zur Zeit   am Ort   vorzufinden. Mit der zugehörigen Wahrscheinlichkeitsstromdichte

 

gilt ohne äußeres Magnetfeld als Folge der Schrödingergleichung die Kontinuitätsgleichung

 .

Ist ein äußeres Magnetfeld vorhanden, muss auf die Pauli-Gleichung zurückgegriffen werden und es ergibt sich

 

wobei   für die Pauli-Matrizen stehen. Der letzte Term verschwindet zwar bei der Divergenzbildung und ist nicht direkt aus der Pauli-Gleichung ableitbar, ergibt sich aber aus dem nichtrelativistischen Grenzfall der Dirac-Gleichung.

Im Rahmen der relativistischen Quantenmechanik gehorchen Teilchen der Klein-Gordon-Gleichung (für Skalarbosonen) beziehungsweise der Dirac-Gleichung (für Fermionen). Da die Gleichungen der Speziellen Relativitätstheorie gehorchen, können die Kontinuitätsgleichungen für diese Fälle in manifest kovarianter Form

 

geschrieben werden und es ergibt sich

 
 

wobei   beziehungsweise   für die skalare bosonische/vektorwertige fermionische Wellenfunktion stehen und   die Dirac-Matrizen sind.

Im Rahmen der Klein-Gordon-Kontinuitätsgleichung kann – im Gegensatz zum nichtrelativistischen oder fermionen Fall – die Größe   nicht als Wahrscheinlichkeitsdichte gedeutet werden, da diese Größe nicht positiv semidefinit ist.

Weitere Anwendungen: Allgemeine Erhaltungsgrößen

Bearbeiten

Man erkennt an der Analogie zum „elektrischen“ Fall, dass Kontinuitätsgleichungen immer dann gelten müssen, wenn eine ladungsartige Größe und eine stromartige Größe wie oben angegeben zusammenhängen. Als weiteres konkretes Beispiel könnte man etwa den in der Thermodynamik wichtigen Wärmestrom angeben. Die „Ladungsdichte“ muss bei Integration über den Gesamtraum eine Erhaltungsgröße ergeben, z. B. die elektrische Gesamtladung, bzw. – im Falle der Quantenmechanik – die Gesamtwahrscheinlichkeit, 1, oder im dritten Fall, die gesamte zugeführte Wärme, bei Systemen, deren Wärmeinhalt als „erhalten“ angesehen werden kann (z. B. Wärmediffusion).

In der Strömungsmechanik folgt aus der Kontinuitätsgleichung das Kontinuitätsgesetz für (inkompressible) Fluide.

Literatur

Bearbeiten
Bearbeiten
  • Video: Kontinuitätsgleichung. Institut für den Wissenschaftlichen Film (IWF) 2004, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi:10.3203/IWF/C-14818.

Einzelnachweise und Fußnoten

Bearbeiten
  1. Bei der Herleitung wird u. a. die Divergenz der sog. Maxwellschen Ergänzung   gebildet und die Vertauschbarkeit der partiellen Ableitung   mit dem Divergenzoperator benutzt.
  2. Torsten Fließbach: Elektrodynamik Spektrum Akademischer Verlag, 3. Auflage, S. 159.

Siehe auch

Bearbeiten

Seiteninformation

Bearbeiten

Diese Lernresource können Sie als Wiki2Reveal-Foliensatz darstellen.

Wiki2Reveal

Bearbeiten

Dieser Wiki2Reveal Foliensatz wurde für den Lerneinheit Kurs:Mathematische Modellbildung' erstellt der Link für die Wiki2Reveal-Folien wurde mit dem Wiki2Reveal-Linkgenerator erstellt.

Wikipedia2Wikiversity

Bearbeiten

Diese Seite wurde auf Basis der folgenden Wikipedia-Quelle erstellt: