Kugelkoordinaten

In diesem Artikel betrachten wir die Kugelkoordinaten und deren Transformation mit kartesischen Koordinaten genauer. Dazu zählen auch die Transformationen der Differentiale, des Flächen-, Volumen– und Linienelements sowie die Transformation der Basisvektoren, des Nabla– und des Laplaceoperators.

Das Wichtigste zum Thema Kugelkoordinaten haben wir außerdem in einem kurzen Video für dich aufbereitet. Das fördert die Vorstellung und kann dir das Thema einfacher näher bringen.

Inhaltsübersicht

Kugelkoordinaten Definition
im Text
Kugelkoordinaten umrechnen
im Text
Transformation von Differentialen
im Text
im Video
Transformation von Basisvektoren und Vektoroperatoren
im Text
Sphärische Koordinaten
im Text

Kugelkoordinaten Definition

Merke

In Kugelkoordinaten wird ein Punkt im Raum durch seinen Abstand vom Koordinatenursprung, und zwei Winkel angegeben. Diese beiden Winkel werden je nach Konvention unterschiedlich definiert.

Wird der Abstand vom Ursprung konstant gehalten, so spricht man von sphärischen Koordinaten. Die betrachteten Punkte liegen dann auf einer Kugeloberfläche.

Kugelkoordinatensystem

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(00:20)

Um einen Punkt im Raum beschreiben zu können, ist ein Koordinatensystem von Nöten. In Kugelkoordinaten ist das Koordinatensystem durch folgende Punkte festgelegt:

das Zentrum bzw. der Ursprung des Koordinatensystems.
eine gerichtete Gerade durch den Ursprung. Diese nennt man Polachse und ihre Richtung wird als Polrichtung bezeichnet. Die Polachse gibt zudem die sogenannte Äquatorebene vor. Diese Ebene liegt orthogonal zur Polrichtung und verläuft durch den Ursprung.
eine Bezugsrichtung, d.h. eine Halbgerade in der Äquatorebene.

Um Umrechnungen mit den kartesischen Koordinaten zu vereinfachen, lassen sich die genannten Punkte so festlegen, dass der Ursprung des Kugelkoordinatensystems dem des kartesischen Systems entspricht. Des weiteren kann die -Achse als Polachse verwendet werden, sodass die –-Ebene der Äquatorebene entspricht. Die positive -Achse kann zudem als Bezugsrichtung gewählt werden.

Kugelkoordinatensystem, Koordinatenursprung, Zentrum, Ursprung, Polachse, Polrichtung, Äquatorebene — Kugelkoordinatensystem

Kugelkoordinatendarstellung

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(01:34)

Wie bereits erwähnt, wird ein Punkt in Kugelkoordinaten unter anderem durch zwei Winkel angegeben. Wie diese gewählt werden unterscheidet sich allerdings je nach Konvention. Im Folgenden soll derjenigen Konvention gefolgt werden, welche in der Mathematik und der Physik üblich ist. Ein Punkt im Raum ist dann durch folgende drei Koordinaten gegeben:

den Abstand des Punktes vom gewählten Koordinatenursprung . Dieser wird auch als Radius bezeichnet und definiert eine Kugeloberfläche, auf der sich der Punkt befindet. Er entspricht der Länge der Strecke .
den Winkel $\theta$ zwischen der Strecke und der oberen Halbgerade der Polachse. Der Winkel wird nur von bis $\pi$ ( $0^{\circ}$ bis $180^{\circ}$ ) gezählt und er legt eine Kreislinie auf der Kugeloberfläche fest, auf der sich der Punkt befindet. Man nennt ihn Polarwinkel oder Poldistanzwinkel.
den Winkel $\phi$ zwischen der Bezugsrichtung und der Projektion der Strecke auf die Äquatorebene. Man misst den Winkel gegen den Uhrzeigersinn zwischen und $2\pi$ ( $0^{\circ}$ und $360^{\circ}$ ) oder $-\pi$ und $\pi$ ( $-180^{\circ}$ und $180^{\circ}$ ) und nennt ihn auch Azimutwinkel. Er definiert nun den Ort des Punktes auf der Kreislinie.

Ein Punkt im Raum wird also durch die Angabe dieser drei Koordinaten $(r,\theta,\phi)$ in Kugelkoordinaten beschrieben.

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Kugelkoordinaten umrechnen

Zur Vereinfachung von Rechnungen sind häufig Umrechnungen zwischen dem kartesischen und dem Kugelkoordinatensystem erforderlich. Diese sollen im Folgenden in beide Richtungen aufgezeigt werden.

Kugelkoordinaten in kartesische Koordinaten umrechnen

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(02:54)

Will man die Kugelkoordinaten $(r,\theta,\phi)$ in kartesische Koordinaten (x,y,z) umrechnen, so gelangt man durch geometrische Überlegungen zu folgenden Formeln:

$x=r\cdot\sin{\theta}\cdot\cos{\phi}$

$y=r\cdot\sin{\theta}\cdot\sin{\phi}$

$z=r\cdot\cos{\theta}$

Kartesische Koordinaten in Kugelkoordinaten umrechnen

Wird der Azimutwinkel $\phi$ zwischen und $2\pi$ ( $0^{\circ}$ und $360^{\circ}$ ) angegeben, so können die Kugelkoordinaten wie folgt berechnet werden:

$r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$

$\theta=\arccos{\frac{z}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}}=\arccos{\frac{z}{r}}$

$\phi=\begin{cases} \arctan{\frac{y}{x}}&\text{,wenn}\, x>0,y\geq 0,\\ \arctan{\frac{y}{x}}+2\pi&\text{,wenn}\, x>0,y<0,\\ \arctan{\frac{y}{x}}+\pi&\text{,wenn}\, x<0,\\ \end{cases}$

Andere Konventionen

In der beschriebenen Konvention entspricht der Polarwinkel $\theta$ nicht der geographischen Breite, welche nämlich den Winkel zwischen dem Ortsvektor und der Äquatorebene beschreibt. Sie nimmt also im Gegensatz zum Polarwinkel nach obiger Konvention Werte zwischen $-\pi /2$ und $\pi /2$ an. Man kann allerdings mit $\Theta=\pi /2-\theta$ auch die folgende Darstellung der Kugelkoordinaten verwenden:

$x=r\cdot\cos{\Theta}\cdot\cos{\phi}$

$y=r\cdot\cos{\Theta}\cdot\sin{\phi}$

$z=r\cdot\sin{\Theta}$

Dann entspricht der Winkel $\theta$ der geographischen Breite. In beiden Konventionen kann der Winkel $\phi$ als geographische Länge identifiziert werden.

Transformation von Differentialen

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(03:46)

Im Folgenden sollen die wichtigsten Differentiale mithilfe der Jacobi-Matrix und der Funktionaldeterminante transformiert werden.

Jacobi-Matrix und Funktionaldeterminante

Die Jacobi-Matrix der Transformation von Kugelkoordinaten in kartesische Koordinaten lautet folgendermaßen:

$J=\frac{\partial (x,y,z)}{\partial (r,\theta, \phi)}=\left( \begin{array}{ccc} \sin{\theta}\cdot\cos{\phi}&r\cdot\cos{\theta}\cdot\cos{\phi}&-r\cdot\sin{\theta}\cdot\sin{\phi}\\ \sin{\theta}\cdot\sin{\phi}&r\cdot\cos{\theta}\cdot\sin{\phi}&r\cdot\sin{\theta}\cdot\cos{\phi}\\ \cos{\theta}&-r\cdot\sin{\theta}&0\\ \end{array} \right)$

Dementsprechend lautet die Funktionaldeterminante folgendermaßen:

det $J=r^2\cdot \sin{\theta}$

Differentiale (Volumenelement, Flächenelement, Linienelement)

Mithilfe der Jacobi-Matrix lassen sich die Differentiale durch folgende Lineare Abbildung bestimmten:

$\left( \begin{array}{ccc} \mathrm{d} x\\ \mathrm{d} y\\\mathrm{d} z\\ \end{array} \right)=J\cdot\left( \begin{array}{ccc} \mathrm{d} r\\\mathrm{d}\theta \\\mathrm{d}\phi \\ \end{array} \right)$

So können nun auch das Volumen-, Flächen– und Linienelement bestimmt werden.

Diese lassen sich auch auf anderem Wege ermitteln. Das Volumenelement $\mathrm{d}V$ kann nämlich ganz einfach mithilfe der Funktionaldeterminante bestimmt werden:

$\mathrm{d}V=\mathrm{det}J\cdot\mathrm{d}\phi \mathrm{d}\theta \mathrm{d}r=r^2\cdot \sin{\theta}\cdot\mathrm{d}\phi \mathrm{d}\theta \mathrm{d}r$

Das Flächenelement $\mathrm{d}A$ ergibt sich dann durch Differentiation:

$\mathrm{d}A=\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r}=r^2\cdot \sin{\theta}\cdot\mathrm{d}\phi \mathrm{d}\theta$

Für das Linienelement $\mathrm{d}s$ gilt:

$\mathrm{d}s^2=\mathrm{d}x^2+\mathrm{d}y^2+\mathrm{d}z^2=\mathrm{d}r^2+r^2\mathrm{d}\theta^2+r^2\cdot\sin^2{\theta}\mathrm{d}\phi^2$

Transformation von Basisvektoren und Vektoroperatoren

Neben den Einheitsvektoren sollen im Folgenden auch der Nabla– und der Laplaceoperator in Kugelkoordinaten bestimmt werden.

Einheitsbasisvektoren

Mit dem Richtungsvektor

$\vec{r}=\left( \begin{array}{ccc} r\cdot\sin{\theta}\cdot\cos{\phi}\\r\cdot\sin{\theta}\cdot\sin{\phi} \\r\cdot\cos{\theta} \\ \end{array} \right)$

gilt für die Einheitsvektoren:

$\vec{e_r}=\frac{\frac{\partial\vec{r}}{r}}{\left\vert\frac{\partial\vec{r}}{r}}\right\vert}=\left( \begin{array}{ccc} \sin{\theta}\cdot\cos{\phi}\\\sin{\theta}\cdot\sin{\phi} \\\cos{\theta} \\ \end{array} \right)$

$\vec{e_{\theta}}=\frac{\frac{\partial\vec{r}}{\theta}}{\left\vert\frac{\partial\vec{r}}{\theta}}\right\vert}=\left( \begin{array}{ccc} \cos{\theta}\cdot\cos{\phi}\\\cos{\theta}\cdot\sin{\phi} \\-\sin{\theta} \\ \end{array} \right)$

$\vec{e_{\phi}}=\frac{\frac{\partial\vec{r}}{\phi}}{\left\vert\frac{\partial\vec{r}}{\phi}}\right\vert}=\left( \begin{array}{ccc} -\sin{\phi}\\\cos{\phi} \\0\\ \end{array} \right)$

Partielle Ableitungen (Nabla- und Laplaceoperator)

Die partiellen Ableitungen können mithilfe der Jacobi-Matrix der Transformation und ihrer Inversen auf folgende Art berechnet werden:

$\left(\frac{\partial}{\partial r}, \frac{\partial}{\partial \theta},\frac{\partial}{\partial \phi} \right)=\left(\frac{\partial}{\partial x}, \frac{\partial}{\partial y},\frac{\partial}{\partial z} \right)\cdot J$

$\left(\frac{\partial}{\partial x}, \frac{\partial}{\partial y},\frac{\partial}{\partial z} \right)=\left(\frac{\partial}{\partial r}, \frac{\partial}{\partial \theta},\frac{\partial}{\partial \phi} \right)\cdot J^{-1}$

Durch entsprechende Transformation der partiellen Ableitungen und der Einheitsvektoren ergibt sich der Nablaoperator in Kugelkoordinaten:

$\nabla=\vec{e_r}\frac{\partial}{\partial r}+\vec{e_{\theta}}\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial \theta}+\vec{e_{\phi}}\frac{1}{r\cdot\sin{\theta}}\frac{\partial}{\partial \phi}$

Mithilfe dieses Nablaoperators kann dann für ein Skalarfeld der Gradient in Kugelkoordinaten bestimmt werden. Ist ein Vektorfeld $\vec{A}=A_r\cdot \vec{e_r}+A_{\theta}\cdot\vec{e_{\theta}}+A_{\phi}\cdot\vec{e_{\phi}}$ gegeben, so lautet die Divergenz in Kugelkoordinaten für dieses Feld folgendermaßen:

$\nabla \cdot\vec{A}=\frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial r}(r^2\, A_r)+\frac{1}{r\, \sin{\theta}}\frac{\partial}{\partial \theta}(\sin{\theta}\, A_{\theta})+\frac{1}{r\,\sin{\theta}}\frac{\partial}{\partial \phi}\,A_{\phi}$

Für die Rotation in Kugelkoordinaten gilt:

$\nabla \times\vec{A}=\frac{1}{r\, \sin{\theta}}\left(\frac{\partial}{\partial\theta}(A_{\phi}\sin{\theta})-\frac{\partial A_{\theta}}{\partial\phi}\right)\vec{e_r}+\frac{1}{r}\left(\frac{1}{\sin{\theta}}\frac{\partial A_r}{\partial \phi}-\frac{\partial}{\partial r}(r\, A_{\phi})\right)\vec{e_{\theta}}+\frac{1}{r}\left(\frac{\partial}{\partial r}(r\, A_{\theta})-\frac{\partial A_r}{\partial \theta}\right)\vec{e_{\phi}}$

Der Laplaceoperator lässt sich nun ganz einfach bestimmen, indem man in der Formel für die Divergenz als Vektorfeld den Nablaoperator einsetzt:

$\triangle=\nabla ^2=\frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial r}(r^2\, \frac{\partial}{\partial r})+\frac{1}{r^2\, \sin{\theta}}\frac{\partial}{\partial \theta}(\sin{\theta}\frac{\partial}{\partial\theta})+\frac{1}{r^2\,\sin^2{\theta}}\frac{\partial ^2}{\partial \phi ^2}$

Sphärische Koordinaten

Hält man in Kugelkoordinaten den Radius konstant und lässt nur für die beiden Winkel $\theta$ und $\phi$ verschiedene Werte zu, so befinden sich alle möglichen Punkte auf der Oberfläche einer Kugel mit dem Radius und dem Mittelpunkt im Koordinatenursprung. Man spricht dann von sphärischen Koordinaten.

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