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synced 2025-12-31 22:34:25 -05:00
Second week without fest
This commit is contained in:
103
S3/ExPhyIII/VL/ExIIIVL3.typ
Normal file
103
S3/ExPhyIII/VL/ExIIIVL3.typ
Normal file
@@ -0,0 +1,103 @@
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// Main VL template
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#import "../preamble.typ": *
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// Fix theorems to be shown the right way in this document
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#import "@preview/ctheorems:1.1.3": *
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#show: thmrules
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// Main settings call
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#show: conf.with(
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// May add more flags here in the future
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num: 3,
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type: 0, // 0 normal, 1 exercise
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date: datetime.today().display(),
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//date: datetime(
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// year: 2025,
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// month: 5,
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// day: 1,
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//).display(),
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)
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= Uebersicht
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Ende der Herleitung der Wellengleichung fuer Schall.
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Kompressibilitaet
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$
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kappa = -1/(Delta p) ((Delta V)/V) \, space K = 1/kappa "Kompressibilitaetsmodul" \
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(Delta V) / (V) = (diff v) / (diff x) Delta t = Delta p ((Delta V) / (V) 1/(Delta p)) \, space (diff v) / (diff t) - 1/rho (diff p) / (diff x) \
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(diff v) / (diff x) = - (Delta p) / (Delta t) kappa = ^(lim_(Delta t -> oo) ) - (diff p) / (diff t) kappa \
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diff / (diff t) (- (diff p) / (diff t) kappa) = diff / (diff t) (diff v) / (diff x) = diff / (diff x) (diff v) / (diff t) = - 1/rho (diff ^2 p) / (diff x^2 ) \
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kappa (diff ^2 p) / (diff t^2 ) = 1/rho (diff ^2 p) / (diff x^2 ) ==> c^2 = 1/ (rho kappa) = kappa/rho \
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(diff p^2 ) / (diff t^2 ) - c^2 (diff p^2 ) / (diff x^2 ) = 0.
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$
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Hier werden Gleichgewichtswerte als Linearisierung genommen.
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Woher kommt $kappa$ beziehungsweise das Kompressibilitaetsmodul $K$? Es gilt
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p V = N k T
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die ideale Gasgleichung.
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Wir rechnen
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p V^(gamma) = p_0 V_0 ^(gamma) "Adiabatenexponent" \
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gamma = (c_(p) ) / (c_(V) ) = (f + 2) / (f) = 1.4 "bei Luft" \
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p = V^(- gamma) p_0 V_0 ^(gamma) \
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(diff p) / (diff V) = - gamma V^(- gamma - 1) p_0 V_0 ^(gamma) \
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==> K_0 = V (diff p) / (diff V) = - gamma p_0 .. "beziehungsweise" .. K_(0) = 1/(gamma p_0 ) \, space p = rho k T \
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c_(s) = 1/(sqrt(rho k)) = sqrt((gamma p_0 ) / (rho_0 ) ).
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Fuer Luft folgt
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c_(s) approx sqrt((1.4 10^(5) ) / (1.25) ) ("m") / ("s") = sqrt((1.4 * 10 ^(4) ) / (1 * 12.5) ) = 3.35 * 100 ("m") / ("s") = 335 ("m") / ("s").
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Druck und Dichte sind alle durch harmonische Wellenfunktionen gegeben. Die Linearisierung des Drucks ist durch die enorm kleineen Schwankungen gerechtfertigt.
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Schallschnelle $v$ und Impedanz (Wellenwiderstand) $z = p/v$. Dann ist
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I = p v = z v^2 = p^2 /z \
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d W = arrow(F) * d arrow(s) \
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[I] = ("J") / ("m"^3 ) ("m") / ("s") = "W" 1/"m"^2 .
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Schall kann anhad der Frequenz und der Schalldruck Amplidude klassifiziert werden. Die Lautstaerke ist eine Logarithmische Funktion des Schalldruckpegels. Es ist fuer den Schalldruckpegel
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L_(p) := 10 log_(10) (p^2 ) / (p_(s)^2 ) = 20 log_(10) p/p_(s) \
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[L_(p) ] = "dB"\
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L := 10 log_(10) (I (nu)) / (I_("min") (nu)) \
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[L] = "Phon"
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Wie funktioniert das Hoeren anhand der Physiologie?
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Helmholtz
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arrow(nabla) ^2 u + k ^2 u = 0 \
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u (arrow(r)) * e ^(i omega t) .
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Raummoden visualisieren.
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== Schallwellen in Festkoerpern
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Wir fuehren den Spannungstensor ein. Der Festkoerper reagiert auf die Spannung $sigma = F/A$ mit Dehnung $epsilon = (diff xi) / (diff x) $ $epsilon_(i j) = (diff xi_(i) ) / (diff x_(j) ) $
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underbrace(sigma, "Matrix") = underbrace(E, "Tensor 3. Stufe") .. underbrace(epsilon, "Matrix") .. "Hooke".
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$F$ ist die Kraft und $A$ die Flaeche.
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$sigma$, $epsilon$ sind Tensoren und $E$ ist der Young'sche Modul.
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Wir stellen uns Massen und Federn in einem Gitter vor. Alle Potentiale koennen als Parabel genaehert werden und somit als Feder modelliert. Wir definieren das Verzerrungsfeld
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xi (x, y) \
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==> epsilon_(i, j) = (diff xi_(i) ) / (diff x_(j) ) .
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Bei Stahl ist $E tilde.equiv 2 * 10 ^(11) ("N") / ("m"^2 ) ("Pa") = 210 "GPa"$.
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Es folgt fuer die BWGL
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Delta m dot.double(xi) = A Delta sigma = A E ( epsilon (x + Delta x) - epsilon (x)) \
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epsilon A Delta x dot.double(xi) = A (diff sigma) / (diff x) Delta x ==> dot.double(xi) = E/sigma xi'' \, space c = sqrt(E/sigma)
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182
S3/KFT/VL/KftVL3.typ
Normal file
182
S3/KFT/VL/KftVL3.typ
Normal file
@@ -0,0 +1,182 @@
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// Main VL template
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#import "../preamble.typ": *
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// Fix theorems to be shown the right way in this document
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#import "@preview/ctheorems:1.1.3": *
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#show: thmrules
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// Main settings call
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#show: conf.with(
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// May add more flags here in the future
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num: 3,
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type: 0, // 0 normal, 1 exercise
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date: datetime.today().display(),
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//date: datetime(
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// year: 2025,
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// month: 5,
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// day: 1,
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//).display(),
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)
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= Uebersicht
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Elektrostatik
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$
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arrow(nabla) * arrow(E) (arrow(x)) = (rho (arrow(x))) / (epsilon_0 ) \
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arrow(nabla) times arrow(E) (arrow(x)) = 0.
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$
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In der Ebene gilt
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$
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arrow(E) (z) = sign z (sigma) / (2 epsilon_0 ) hat(z).
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Verallgemeinerung fuer beliebige Flaechen. Wir koennen keine allgmeeine Formen angeben. Es lassen sich aber Aussagen ueber die unmittelbare Naehe treffen. Wir betrachten eine Flaeche $A$ mit Normalenvektor $hat(n)$ und Ladungsdichte $sigma$ und einem elektrischen Feld $arrow(E)$. Wir setzen einen Zylinder mit der Hoehe $h$ in die Ebene. Es gilt
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$
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integral.surf _(partial V) dif arrow(s) * arrow(E) = (sigma A) / (epsilon_0 ) \
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lim_(h -> 0) ==> (sigma A) / (epsilon_0 ) = ( hat(n) * arrow(E)_(+) - hat(n) * arrow(E)_(-) ) * A \
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==> hat(n) * arrow(E)_(+) - hat(n) * arrow(E)_(-) = sigma/epsilon_0.
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Das elektrische Feld hat also einen Sprung von $sigma/epsilon_0 $ an einer leitenden Ebene.
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Wir betrachten eine Schleife $S$
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#figure(
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image("typst-assets/drawing-2025-11-07-14-30-30.rnote.svg"),
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)
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in der Seitenansicht von einer Ebene. Es gilt
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$
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integral.cont_(S) dif arrow(r) * arrow(E) = integral _(partial S) dif arrow(s) (arrow(nabla) times arrow(E)) = 0 \
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a -> 0 ==> L (E_(+) ^(parallel) - E_(-) ^(parallel ) ).
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Die Parallelkomponente des Feldes bleibt also stetig.
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Wir betrachten zwei parallele Ebenen
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#figure(
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image("typst-assets/drawing-2025-11-07-14-36-36.rnote.svg"),
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)
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#remark[
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Alle Gleichungen der Elektrostatik sind linear $==>$ Die Loesungen fuer die Felder koennen nach dem *Superpositionsprinzip* addiert werden
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arrow(E)_(1), arrow(B)_(1) "Loesungen fuer" rho_(1) arrow(j)_(1) \
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arrow(E)_(2), arrow(B)_(2) "Loesungen fuer" rho_(2) arrow(j)_(2) \
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==> arrow(B) = arrow(B )_(1) + arrow(B)_(2) and arrow(E) = arrow(E)_(1) + arrow(E)_(2) "sind Loesungen fuer" rho = rho_(1) + rho_(2) and arrow(j) = arrow(j)_(1) + arrow(j)_(2).
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Die Elektrostatik ist deshalb eine einfache Theorie, da sie linear ist.
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]
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In der Mitte der beiden Platten ist ein Feld von
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arrow(E) = sigma/epsilon_0 hat(z).
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Aussherhalb ist es feldfrei.
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= Kugelschale
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Wir betrachten den Rand einer Kugel mit Radius $R$. Auf der Kugelschale ist gleichmaessig $sigma$. Die Gesamtladung ist
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Q = 4 pi R^2 sigma.
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Ausserhalb der Kugelschale ist durch den Gausschen Satz
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arrow(E) (arrow(r)) = Q/(4 pi epsilon_0 r^2 ) hat(r).
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Und innerhalb folgt dann
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arrow(E) = 0,
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da dort keine Ladung eingeschlossen ist.
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Pruefen der Unstetigkeit am Rand der Kugel
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E_(+ ) ^(perp) = Q/(4 pi epsilon_0 R^2 ) - 0 \
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= sigma/epsilon_0.
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= Loesungen fuer beliebige Ladungsverteilungen
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Betrachte das elektrostatische Potential
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arrow(nabla) * arrow(E) = rho/epsilon_0 \
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arrow(nabla) times arrow(E) = 0.
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Wir nutzen, dass in einem einfach zusammenhaengenden Gebiet folgt aus $arrow(nabla) * arrow(E) = 0$, dass es ein skalares Feld $phi$ gibt mit
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arrow(E) = - arrow(nabla) phi.
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Hier wird $phi$ als elektrostatisches Potential bezeichnet.
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#definition[
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Einfach zusammenhaengendes Gebiet $G subset RR^3 $. Jede geschlossene Kurve in $G$ laesst sich in $G$ auf einen Punkt zusammenziehen. Dieses ist dann *Nullhomotop*.
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]
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Es folgt also
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arrow(nabla) times arrow(E) = arrow(nabla) times (- arrow(nabla) phi) = 0.
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Verbleibende Gleichungen der Elektrostatik
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arrow(nabla) * arrow(E) = arrow(nabla) * (- arrow(nabla) phi) = - Delta phi = rho/epsilon_0.
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Der Laplace Operator
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Delta = diff^2 / (diff x ^2 ) + diff^2 / (diff y ^2 ) + diff^2 / (diff z ^2 ).
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Die Poissongleichung
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Delta phi = - rho/ epsilon_0.
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In Regionen wo die Ladungsdichte verschwindet gilt
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Delta phi = 0.
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#remark[
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+ $phi$ ist bis auf eine lineare Funition eindeutig definiert $phi (arrow(x)) -> phi (arrow(x)) + ( a + arrow(b) * arrow(x))$ ist auch eine Loesung. Die Konvention ist hier $phi (arrow(x)) -> ^(abs(arrow(x)) -> oo) 0$
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+ Hamiltonfunction fuer Testladung $q$
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$
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H = (arrow(p)^2 ) / (2 m) + q phi (arrow(x)) ==> dot(p)_(alpha) = - (diff H) / (diff x_(alpha) ) = - q (diff phi) / (diff x_(alpha) ) \
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dot(x)_(alpha) = (diff H) / (diff p_(alpha) ) = p_(alpha) /m \
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==> m dot.double(arrow(x)) = - q arrow(nabla) phi = q arrow(E)
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$
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+ Die Loesung der Laplacegleichung nennt man harmonische Funktionen. Fuer diese gibt es das Max-Prinzip.
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Harmonische Funktionen koennen im Inneren des Definitionsbereiches kein echtes maximum oder Minimum annehmen. Es gilt auch
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Delta phi (arrow(x)) = 0 "fuer Definitionsbereich" G.
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Deshalb kann es auch keine stationaere Konfiguration fuer Ladungsverteilungen geben.
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]
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= Potential einer Punktladung
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Es muss gelten
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arrow(E) = - arrow(nabla) phi \
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rho (arrow(x)) = Q delta ^((3)) (arrow(x)) \
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==> Delta phi = - Q/epsilon_0 delta ^((3)) (arrow(x)) \
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phi (arrow(x)) = (Q) / (4 pi epsilon_0 abs(arrow(x))).
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Nachpruefen des Ansatzes
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arrow(x) != 0 \
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arrow(nabla) 1/arrow(x) = - (arrow(x)) / (abs(arrow(x))^3 ) \
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==> Delta 1/arrow(x) = arrow(nabla) * arrow(nabla) 1/arrow(x) = - arrow(nabla) (arrow(x)) / (abs(arrow(x))^3 ) \
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= - (1) / (abs(arrow(x))^3 ) arrow(nabla) arrow(x) - sum _(alpha = 1) ^(3) x_(alpha) diff / (diff x_(alpha) ) 1/(abs(arrow(x))^3 ) \
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= - 3/abs(arrow(x))^3 - x_(alpha) ((- 3/2) * 2 x_(alpha) ) / (abs(arrow(x))^3 ) = 0.
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$
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Eine kleine Kugel um den Ursprung
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integral.vol dif^3 x arrow(nabla) * arrow(E) = integral_(partial V ) dif arrow(s) * arrow(E) \
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= - integral _(partial V ) dif arrow(s) * arrow(nabla) phi \
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= - Q/(4 pi epsilon_0 ) integral _(partial V) dif arrow(s) * arrow(nabla) 1/abs(arrow(x)) = 1/epsilon_0 Q \
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||||
= (Q) / (4 pi epsilon_0 ) integral _(partial V) dif arrow(s) * (arrow(x)) / (abs(arrow(x))^3 ) = (Q) / (4 pi epsilon_0 ) 4 pi R^2 * 1/R^2.
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$
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= Elektrisches Feld einer Punktladung
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Es folgt nach Berechnung
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arrow(E) (arrow(x)) = - arrow(nabla) phi \
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= (Q) / (4 pi epsilon_0 ) (arrow(x)) / (abs(arrow(x))^3 ) = (Q) / (4 pi epsilon_0 abs(arrow(x))^2 ) hat(x).
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$
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Dies ist also genau wieder das Coulomb-Gesetz.
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BIN
S3/KFT/VL/typst-assets/drawing-2025-11-07-14-30-30.rnote
Normal file
BIN
S3/KFT/VL/typst-assets/drawing-2025-11-07-14-30-30.rnote
Normal file
Binary file not shown.
File diff suppressed because one or more lines are too long
|
After Width: | Height: | Size: 89 KiB |
BIN
S3/KFT/VL/typst-assets/drawing-2025-11-07-14-36-36.rnote
Normal file
BIN
S3/KFT/VL/typst-assets/drawing-2025-11-07-14-36-36.rnote
Normal file
Binary file not shown.
File diff suppressed because one or more lines are too long
|
After Width: | Height: | Size: 15 KiB |
23
S3/MaPhyIII/VL/MaPhIIIVL2.typ
Normal file
23
S3/MaPhyIII/VL/MaPhIIIVL2.typ
Normal file
@@ -0,0 +1,23 @@
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||||
// Main VL template
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#import "../preamble.typ": *
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// Fix theorems to be shown the right way in this document
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#import "@preview/ctheorems:1.1.3": *
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#show: thmrules
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// Main settings call
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#show: conf.with(
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// May add more flags here in the future
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num: 5,
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type: 0, // 0 normal, 1 exercise
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date: datetime.today().display(),
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//date: datetime(
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// year: 2025,
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// month: 5,
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// day: 1,
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//).display(),
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)
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= Uebersicht
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Diese Vorlesung ist ausgefallen.
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108
S3/MaPhyIII/VL/MaPhIIIVL3.typ
Normal file
108
S3/MaPhyIII/VL/MaPhIIIVL3.typ
Normal file
@@ -0,0 +1,108 @@
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||||
// Main VL template
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#import "../preamble.typ": *
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// Fix theorems to be shown the right way in this document
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#import "@preview/ctheorems:1.1.3": *
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#show: thmrules
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// Main settings call
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#show: conf.with(
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// May add more flags here in the future
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num: 3,
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type: 0, // 0 normal, 1 exercise
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date: datetime.today().display(),
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//date: datetime(
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// year: 2025,
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// month: 5,
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// day: 1,
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//).display(),
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)
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= Uebersicht
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Wiederholung der *Bessel'schen Ungleichung*. Betrachte $f in RR [- pi, pi] \, space c^(k) = 1/(2 pi) integral _(- pi) ^(pi) f (x) e ^(i k x) dif x$
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$
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==> sum abs(c^(k) )^2 <= norm(f)_(L^2 ) ^2 \
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norm(f)_(L^2 ) ^2 = lr(angle.l f, f angle.r) \
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||||
lr(angle.l f, g angle.r) = 1/(2 pi) integral _(- pi) ^(pi) overline(f (x)) g (x) dif x
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$
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Im Beweis
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$
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norm(f - sum _(- n) ^(n) c_(k) e_(k) )^2 = lr(angle.l f - sum c_(k) e_(k) , f - sum c_(k) e_(k) angle.r) \
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||||
= norm(f)^2 - sum abs(c_(k))^2 -> 0 .. (n -> oo) "wenn" sum c_(k) e_(k) "gegen" f "bezueglich" norm(*)_(L^2 ) \
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||||
e_(k) (x) = e ^(i k x).
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$
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||||
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||||
Es folgt die *Parseval'sche Gleichung*
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$
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||||
norm(f)_(2) ^(2) = lim_(n -> oo) sum_(- n)^(n) abs(c_(k) )^2 \
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==> sum abs(c_(k) )^2 < oo.
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$
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$==>$ Eindeutigkeit der Fourierkoeffizienten.
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#proof[
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Sei $f = sum c_(k) e_(k) \, space g = sum d_(k) e_(k) $. Mit $c_(k) = lr(angle.l e_(k) , f angle.r) \, space d_(k) = lr(angle.l e_(k) , g angle.r)$.
|
||||
Ist $f != g$ so gilt
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||||
$
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||||
0 != norm(f - g)_(L^2 ) ^2 = sum abs(lr(angle.l e_(k) , f - g angle.r))^2 = sum abs(c_(k) - d_(k) )^2.
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||||
$
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||||
Angenommen $c_(k) = d_(k) forall k ==> 0 != 0 $. Widerspruch.
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||||
$f ~ g$ bezueglich der $norm(*)_(L_(1) ) :<==> f "und" g "auf Nullmenge verschieden sein duerfen" $.
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||||
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Also $f, g in C [- pi, pi] ==>( f != g ==> exists x_0 in [- pi, pi]: f (x_0 ) != g (x_0 ))$.
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Parseval $==>$ $sum_(k=1)^(oo) 1/k^2 = pi^2 /6$.
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#figure(
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image("typst-assets/drawing-2025-11-07-10-46-32.rnote.svg"),
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)
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$
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f (x) = x "auf" [- pi, pi] \, space c_(k) = (- 1)^(k) ) i/k \, space k != 0, c_0 = 0 \
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==> sum_(- oo)^(oo) abs(c_(k) )^2 = 2 sum_(k=1)^(oo) 1/k^2 =^("Parseval") lr(angle.l f, f angle.r) = 1/(2 pi) integral _(- pi) ^(pi) x^2 dif x = pi^2 /3
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$
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]
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Die Schwingende Rechtecksmembran durch den Tayloransatz loesen
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u (t, x, y) = sum _(n = 1) ^(oo) sum_(m = 1)^(oo) (a_(m, n) cos (sqrt(lambda_(n, m) ) c t) + b_(n, m) sin (sqrt(lambda_(n, m) ) c t)) nu_(n, m).
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Cladni-Figuren in Wolframalpha.
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= Kreisfoernige Membran
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Wellengleichung
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arrow(nabla) ^2 u = 1/v^2 partial _(t) ^2 u.
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Produktansatz $==>$ $u = v (t) w (x, y)$.
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Wenn man auf Polarkoordinaten transformiert, dann muessen die Randbedingungen alle erfuellt sein, was man durch den Limes prueft.
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(partial _(x) ^2 + partial _(y) ^2 ) v = - lambda v
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Es wird dann wieder ein Ansatz gemacht
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V (r, theta) = R (r) A (theta) \
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==> (r^2 R'' + v R')1/R + lambda r^2 = - (A'') / (A).
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$
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1/r partial _(r) (r partial _(r) (R (r) A (theta))) + 1 / r^2 partial _(theta) ^2 (R (r) A (theta)) + lambda R (r) A (theta) = ^(!) 0
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Potenzreihenansatz als
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f (rho ) = sum a_(k) rho^(k).
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Es wird gleichmaessige Konvergenz angennommen. Es folgt
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rho^2 f'' (rho) = rho^2 (sum a_(k) k rho ^(k - 1) )' = rho^2 sum a_(k) k (k - 1) rho ^(k - 2).
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$
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Nachdem die anderen Teile ausgerechnet wurden kann ein Koeffizientenvergleich gemacht werden.
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