Helmholtz-Gleichung

Die Helmholtz-Gleichung (nach Hermann von Helmholtz) ist eine partielle Differentialgleichung. Sie lautet:

$\Delta \varphi= \lambda \cdot \varphi$

in einem Gebiet Ω mit geeigneten Randbedingungen auf dem Rand $\partial \Omega$. Dabei ist

$\Delta=\sum_{k=1}^n {\partial^2\over \partial x_k^2}.$

der Laplace-Operator in kartesischen Koordinaten.

Die Helmholtz-Gleichung ist dementsprechend eine partielle Differentialgleichung (PDE) zweiter Ordnung aus der Klasse der elliptischen PDE. Sie ergibt sich auch z. B. aus der Wellengleichung nach Trennung der Variablen und Annahme harmonischer Zeitabhängigkeit.

Setzt man λ = 0, so erhält man die Laplace-Gleichung.

Beispiel: Partikuläre Lösung der inhomogenen Maxwellgleichungen

Eine Anwendung aus der Physik ist z. B. die Lösung der inhomogenen Maxwellgleichungen (Maxwellgleichungen mit Strömen und Ladungen). Aus diesen folgen in Gaußschen Einheiten mit der Lorenz-Eichung $\vec{\nabla}\cdot\vec{A}+\frac{1}{c}\frac{\partial\Phi}{\partial t}=0$ die inhomogenen Wellengleichungen für das elektrische Skalarpotential Φ sowie für das magnetische Vektorpotential $\vec{A}$:

$\Delta\Phi(\vec{r},t)-\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2\Phi(\vec{r},t)}{\partial t^2}=-4\pi\varrho(\vec{r},t)$

$\Delta A_i(\vec{r},t)-\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 A_i(\vec{r},t)}{\partial t^2}=-\frac{4\pi}{c} j_i(\vec{r},t)$

(hier für die einzelnen Komponenten mit: $\vec{A}=\sum_{i=1}^3 A_i\hat{e}_i$)

Exemplarisch wird nun die Lösung für Φ durchgeführt, die Herleitung für $\vec{A}$ geht analog.

Die allgemeine Lösung dieser Differentialgleichungen ist die Linearkombination der allgemeinen Lösung der dazugehörigen homogenen DGL sowie einer partikulären Lösung der inhomogenen DGL:

Φ = Φ_hom. + Φ_part.

Die Lösung der homogenen DGL sind die elektromagnetischen Wellen; wir beschränken uns hier auf die Herleitung einer partikulären Lösung.

Um die Wellengleichung auf die Helmholtz-Gleichung zurückzuführen betrachten wir die Fourier-Transformation von Φ und $\varrho$ bezüglich t:

$\Phi(\vec{r},t)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int d\omega\,\Phi_\omega(\vec{r}) e^{-i\omega t}$

$\varrho(\vec{r},t)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int d\omega\,\varrho_\omega(\vec{r}) e^{-i\omega t}$

Einsetzen in die Wellengleichung liefert:

$\Delta\int d\omega\,\Phi_\omega(\vec{r}) e^{-i\omega t}-\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2}\int d\omega\,\Phi_\omega(\vec{r}) e^{-i\omega t}=-4\pi\int d\omega\,\varrho_\omega(\vec{r}) e^{-i\omega t}$

$\Rightarrow\int d\omega\,\left(\Delta-\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial^2 t}\right)\Phi_\omega(\vec{r}) e^{-i\omega t}=-4\pi\int d\omega\,\varrho_\omega(\vec{r}) e^{-i\omega t}$

$\Rightarrow\int d\omega\,\left(\Delta+\frac{\omega^2}{c^2}\right)\Phi_\omega(\vec{r}) e^{-i\omega t}=-4\pi\int d\omega\,\varrho_\omega(\vec{r}) e^{-i\omega t}$

Beide Integranden müssen gleich sein, da sich die dω-Integration über die gleichen Bereiche erstreckt:

$\left(\Delta+\frac{\omega^2}{c^2}\right)\Phi_\omega(\vec{r})=-4\pi\varrho_\omega(\vec{r})$

Für die homogene Wellengleichung $\left(\varrho(\vec{r},t)=0\right)$ erkennen wir mit $\left(\Delta+\frac{\omega^2}{c^2}\right)\Phi_\omega(\vec{r})=0$ die Helmholtz-Gleichung wieder.

Zur Lösung der inhomogenen Gleichung $\left(\varrho(\vec{r},t) \neq 0\right)$ kann eine Greensche Funktion $G(\vec{r},\vec{r}')$ verwendet werden, welche die Gleichung

$\left(\Delta+\frac{\omega^2}{c^2}\right)G(\vec{r},\vec{r}')=-4\pi\delta(\vec{r}-\vec{r}')$

erfüllt.

Diese lautet:

$G(\vec{r},\vec{r}')=\frac{\exp(\pm i\omega |\vec{r}-\vec{r}'|/c)}{|\vec{r}-\vec{r}'|}$

Physikalisch beschreibt diese Funktion eine Kugelwelle.

Damit erhalten wir für die gesamte Ladungsverteilung:

$\Phi_\omega(\vec{r})=\int d^3r'\,\varrho_\omega(\vec{r}')G(\vec{r},\vec{r}')=\int d^3r'\,\varrho_\omega(\vec{r}')\frac{\exp(\pm i\omega |\vec{r}-\vec{r}'|/c)}{|\vec{r}-\vec{r}'|}$

Dieses Ergebnis setzen wir in die Fourierdarstellung von $\Phi(\vec{r},t)$ ein und erhalten

$\Phi(\vec{r},t)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int d\omega\,\int d^3r'\, \varrho_\omega(\vec{r}')\frac{\exp(\pm i\omega |\vec{r}-\vec{r}'|/c)}{|\vec{r}-\vec{r}'|}e^{-i\omega t} =\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int d\omega\,\int d^3r'\, \frac{\varrho_\omega(\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}\exp\left(-i\omega (\mp|\vec{r}-\vec{r}'|/c+ t)\right)$

Mit $t':= t \mp |\vec{r}-\vec{r}'|/c$ folgt:

$\Phi(\vec{r},t)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int d\omega\,\int d^3r'\, \frac{\varrho_\omega(\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}\exp(-i\omega t') =\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int d^3r'\,\frac{1}{|\vec{r}-\vec{r}'|}\int d\omega\,\varrho_\omega(\vec{r}')e^{-i\omega t'}$

$\Rightarrow\Phi(\vec{r},t)=\int d^3r'\,\frac{\varrho(\vec{r}',t')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}$

Dies ist die gesuchte partikuläre Lösung der inhomogenen Gleichung. Für A_i folgt analog:

$A_i(\vec{r},t)=\frac{1}{c}\int d^3r'\,\frac{j_i(\vec{r}',t')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}$

$\Rightarrow\vec{A}(\vec{r},t)=\frac{1}{c}\int d^3r'\,\frac{\vec{j}(\vec{r}',t')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}$

Die physikalische Bedeutung ist, dass das zur Zeit t am Ort $\vec{r}$ beobachtete Potential von Ladungen bzw. Strömen zur Zeit t' am Ort $\vec{r}'$ verursacht wurde.

Diskussion: Retardierte und avancierte Lösung

Noch steht das Vorzeichen im Argument $t\pm |\vec{r}-\vec{r}'|/c$ nicht fest. Physikalisch scheint aber plausibel, dass die zeitliche Änderung einer Ladungsverteilung bei $\vec{r}'$ erst zu einem späteren Zeitpunkt bei $\vec{r}$ beobachtet werden kann, da sich elektromagnetische Wellen mit der (konstanten) Lichtgeschwindigkeit c ausbreiten. Daher wählen wir das Minuszeichen als physikalisch praktikable Lösung:

$\Phi(\vec{r},t)_{ret.}=\int d^3r'\,\frac{\varrho(\vec{r}',t-|\vec{r}-\vec{r}'|/c)}{|\vec{r}-\vec{r}'|}$

Man nennt das Potential bei Wahl des Minuszeichens auch retardiertes Potential. Wählt man das Pluszeichen, so spricht man vom avancierten Potential.

Weblinks

• Helmholtzgleichung bei Weisstein