Strömungsfeld

Das Strömungsfeld ist ein Begriff der Feldtheorie und wird unter anderem in der Strömungsmechanik (Fluidmechanik) und in der Elektrodynamik verwendet. Das Strömungsfeld beschreibt Flüsse (Strömungen), welche materielle oder andere Eigenschaften wie beispielsweise Kraftwirkungen (Wechselwirkungen) innerhalb eines räumlichen Gebietes transportieren. Da an Flüsse in räumlichen Gebieten primär deren Dichten interessant sind und Flüsse als meist schwieriger zu handhabende Flächenintegrale beschrieben werden, werden in Strömungsfeldern primär die damit verknüpften Flussdichten betrachtet. Je nach konkretem Anwendungsgebiet kann es sich bei Flüssen und ihren Dichten beispielsweise um Flüssigkeiten, elektrische Ladungsträger, Gase oder magnetische Flüsse handeln.

Man unterscheidet zwischen stationären Strömungsfeldern, in denen keine Veränderung der Flüsse über die Zeit auftreten - diese Strömungen sind meist relativ einfach zu modellieren, und instationären Strömungsfeldern, in denen sich die Flussverteilungen auch zeitlich ändern.

Ist eine Flussverteilung in einem bestimmten Raumsegment des Strömungsfelds konstant, spricht man auch von einem homogenen Strömungsfeld. Nur in diesem Fall ist die Dichte D des Feldes gleich dem einfachen Quotienten aus Fluss F durch Fläche A. Bei einem inhomogenen, d.h. räumlich nicht konstanten Strömungsfeld dagegen ist die Flussdichte an jedem Raumpunkt anders und damit als Ableitung dF nach dA zu berechnen.

Strömungsfeld in der Elektrodynamik

In der Elektrodynamik dienen Strömungsfelder unter anderem zur Beschreibung der räumlichen Verteilung von elektrischen Strömen, welche durch die Stromdichte beschrieben wird. Beispielsweise ergibt der Ladungsträgerstrom (Elektronen) in einem elektrischen Leiter (Kabel) eine bestimmte, im allgemeinen nicht über den Ort konstante Stromdichte (Stromverteilung). Der Strom von Ladungsträgern stellt dabei den elektrischen Strom I dar, die damit verknüpfte Dichte ist die erwähnte Stromdichte J.

Weiterhin stellt eine räumliche Verteilung von elektrischen Ladungen ein Strömungsfeld des elektrischen Flusses dar. Der dabei auftretende Strom entspricht den verteilten elektrischen Ladungen (Raumladungen) Q, die damit verknüpfte Flussdichte ist die elektrische Flussdichte D.

Ein letztes Beispiel von einem Strömungsfeld in der Elektrodynamik sei der magnetische Fluss Φ erwähnt. Dieser wird primär durch räumliche verteilte Ströme, Ladungsträgerbewegungen, verursacht. Die damit verknüpfte magnetische Flussdichte B wird in Tesla angegeben.

Strömungsfeld in der Mechanik

Die Strömungsmechanik behandelt strömende Flüssigkeiten und Gase, deren Strömung durch Druckunterschiede und Schwerkraftwirkung zustande kommen. Das strömende Medium besitzt eine Geschwindigkeitsverteilung, die durch das Strömungsfeld charakterisiert wird. Ein Strömungsfeld ist dadurch gekennzeichnet, dass jedem Raumpunkt zu jedem Zeitpunkt die Geschwindigkeit des dort strömenden Mediums (Gas- bzw. Flüssigkeitsteilchen) zugeordnet wird. Somit werden in der Strömungsmechanik Massenströme beobachtet.

Man unterscheidet zeitlich unabhängige (stationäre) und zeitlich abhängige (nichtstationäre) Strömungsfelder sowie ortsunabhängige (homogene) und ortsabhängige (inhomogene) Strömungsfelder.

Ein Strömungsfeld wird durch Stromlinien gekennzeichnet. Die Tangente von jedem Punkt der Stromlinien gibt die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit in diesem Raumpunkt an. Für den Betrag der Geschwindigkeit wurde folgende Vereinbarung getroffen: Die Dichte der Stromlinien, welche die Zahl der Stromlinien pro senkrecht durchsetzte Fläche ist, wird als Betrag der Strömungsgeschwindigkeit definiert. Betrag der Geschwindigkeit = $\tfrac{N}{A_\perp}$

Quasistatisches Strömungsfeld

Quasistatische Strömungsfelder treten in wechselstromdurchflossenen Leitern oder etwas in Impulsstrommesswiderständen auf, solange Stromverdrängungserscheinungen keine Rolle spielen. Ob ein Strömungsfeld als quasistatisch bezeichnet werden kann oder nicht, hängt von der betrachteten Anordnung und der Änderungsgeschwindigkeit der den Leitungsstrom treibenden veränderlichen Spannung ab. Daher gilt für das quasistatische Strömungsfeld ohne Stromverdrängung das gleiche wie für ein statisches Strömungsfeld.

Siehe auch

• Geschwindigkeitsfeld

Literatur

• Adolf J. Schwab: Begriffswelt der Feldtheorie, Springer Verlag, ISBN 3-540-42018-5