9 Vektoren

9.6 Vektorprodukt und Levi-Civita-Symbol

9.6.2 Definition

Wir versuchen deshalb folgenden Ansatz als echte innere Verknüpfung zweier beliebiger Vektoren math formula und math formula:

Vektorprodukt: math formula



Außer dem Sinus des eingeschlossenen Winkels und den Längen der beiden Vektoren haben wir den Einheitsvektor math formula dazugenommen, der senkrecht auf der von den beiden Vektoren aufgespannten Ebene steht und mit den Vektoren math formula und math formula (in dieser Reihenfolge!) eine Rechtsschraube bildet. Zur deutlichen Unterscheidung vom Skalarprodukt verwenden wir als Malzeichen ein Kreuz statt des Punktes und dazu noch eckige Klammern statt der runden. Viele geben sich mit einem der beiden Unterscheidungsmerkmale zufrieden: math formula. Manche nennen das Vektorprodukt auch "äußeres Produkt". Wir wollen diesen Ausdruck für eine echte innere Verknüpfung im Vektorraum jedoch verständlicherweise möglichst vermeiden.

Wie beim Skalarprodukt betrachten wir zunächst wieder die Spezialfälle:

Für math formula und math formula kollinear, d.h. parallel oder antiparallel: math formula folgt math formula,
insbesondere: math formula

Für math formula und math formula orthogonal, d.h. math formula senkrecht auf math formula: math formula folgt math formula,
insbesondere: math formula.

Die Länge des Produktvektors ist in diesem Fall maximal: math formula, d.h. die Rechteckfläche mit den Längen der beiden Faktoren als Kantenlängen:

math formula
Bild 9.21: des Rechtecks math formula

Im allgemeinen Fall ist die Länge des Produktvektors math formula die Fläche des von den beiden Faktoren aufgespannten Parallelogramms oder von gleicher Größe: eine der beiden im nächsten Bild farbig getönten Rechteckflächen mit den Höhen des Parallelogramms.

math formula
Bild 9.22: Veranschaulichung der Größe des Betrags des Vektorprodukts in Abhängigkeit vom Winkel zwischen den beiden Vektoren: Die Flächen sowohl des Parallelogramms als auch jedes der beiden Rechtecke mit den Höhen des Parallelegramms geben den Betrag des Vektorproduktes wieder.

Falls der Winkel zwischen den Faktorvektoren math formula überschreitet, wird der Sinus und folglich auch die Fläche negativ, was hier zu einer Umkehr der Richtung des Produktvektors führt.

Aufgabe 9.32: Physikalische Vektorprodukte

Wie erhalten Sie

a)      bei einer Drehbewegung die lineare Geschwindigkeit math formula aus der Winkelgeschwindigkeit math formula und dem Ort math formula? Lösung
b)      bei der Kepler-Bewegung die Flächengeschwindigkeit math formula aus Ort math formula und Geschwindigkeit math formula des Planeten? Lösung
c)      den Bahndrehimpuls math formula aus Ortsvektor math formula und Impuls math formula? Lösung
d)      das mechanische Drehmoments math formula aus Kraft math formula und Hebelarm math formula? Lösung
e)      das Drehmoment auf einen elektrischen Dipol mit Dipolmoment math formula in einem homogenen elektrischen Feld math formula? Lösung
f)      das Drehmoment auf einen magnetischen Dipol mit Dipolmoment math formula in einem homogenen Magnetfeld math formula? Lösung
g)      die Dichte der elektromagnetischen Lorentz-Kraft math formula aus der Geschwindigkeit math formula eines Elektrons mit Masse math formula und Ladung math formula und der magnetischen Induktion math formula? Lösung
h)      den Poynting-Vektor math formula des elektromagnetischen Strahlungsflusses aus dem elektrischen math formula und magnetischen Feld math formula der Strahlung? Lösung
i)      das Magnetfeld math formula im Abstand math formula von einem elektrischen Stromfaden math formula nach dem Biot-Savartschen Gesetz? Lösung




Aufgabe 9.33: Drehmomente

Diskutieren Sie den Betrag und die Richtung des Drehmoments auf eine Kompaßnadel im magnetischen Erdfeld, wenn der Winkel math formula zwischen Dipolmoment math formula und Feld math formula:
math formula Lösung , math formula Lösung, math formula Lösung, math formula Lösung, math formula Lösung, math formula Lösung beträgt.



Aufgabe 9.34: Bilanz der Drehmomente

math formula
Bild 9.23: Mit welcher Kraft math formula muss man an der angegebenen Stelle ziehen, damit das abgebildete starre T-Stück sich n i c h t um den Drehpunkt math formula dreht? Lösung