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Ein unendlich langer Zylinder mit Radius \( R \) sei durchsetzt von einem Magnetfeld

\( \mathbf{B}=\left\{\begin{array}{ll} B_{0} \mathbf{e}_{z}, & \rho \leqslant R \\ 0, & \rho>R \end{array}\right. \)
d.h. außerhalb des Zylinders verschwindet das Magnetfeld. Der Zylinder verläuft entlang der \( z \)-Achse. Berechnen Sie \( \int \limits_{F} \mathbf{B} \cdot \mathrm{d} \mathbf{S} \), wobei \( F \) die \( x \) - \( y \)-Ebene beschreibe. Folgern Sie mithilfe des Satzes von Stokes daraus, dass \( \oint_{\gamma} \mathbf{A} \cdot \mathrm{d} \mathbf{r} \) mit \( \mathbf{B}=\nabla \times \mathbf{A} \) für einen beliebigen Weg \( \gamma \) um die Mantelfläche nicht verschwinden kann.



Problem/Ansatz:

Hallo, kann mir jemand bei dem Integral B*ds helfen? Irgendwie komme ich da auf B*2πr^3. Befürchte allerdings, dass ich irgendwo ein Fehler gemacht habe.habe es halt mit Zylinderkoordinaten mit den Grenzen 0-2π für Phi und 0-r für rho.

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Aloha :)

Die Fläche \(F\) ist die \(xy\)-Ebene. Wir beschreiben sie mit Hilfe von Polarkoordinaten:$$\vec r=\begin{pmatrix}r\cos\varphi\\r\sin\varphi\\0\end{pmatrix}\quad;\quad r\in[0;R]\quad;\quad\varphi\in[0;2\pi]$$

Das Flächenelement \(d\vec S\) ist dann:$$d\vec S=\left(\frac{\partial\vec r}{\partial r}\,dr\right)\times\left(\frac{\partial\vec r}{\partial \varphi}\,d\varphi\right)=\begin{pmatrix}\cos\varphi\\\sin\varphi\\0\end{pmatrix}\times\begin{pmatrix}-r\sin\varphi\\r\cos\varphi\\0\end{pmatrix}dr\,d\varphi=\begin{pmatrix}0\\0\\r\end{pmatrix}dr\,d\varphi$$

Mit \(\vec B=B_0\,\vec e_z\) lautet das gesuchte Flächenintegral:$$\int\limits_F\vec B\,d\vec S=\int\limits_{r=0}^R\;\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}\begin{pmatrix}0\\0\\B_0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0\\0\\r\end{pmatrix}dr\,d\varphi=\int\limits_{r=0}^RB_0r\,dr\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}d\varphi=B_0\frac{R^2}{2}\cdot2\pi=\pi R^2\,B_0$$

Wegen des Satzes von Stokes \((d\vec r=d\vec S\times\vec\nabla)\) gilt auf dem Weg um den geschlossenen Rand der gerade betrachtete Kreisscheibe:$$\pi R^2\,B_0=\int\limits_F\vec B\,d\vec S=\int\limits_F(\vec\nabla\times A)\,d\vec S=\int\limits_F(d\vec S\times\vec\nabla)\vec A=\oint\limits_{\partial F}d\vec r\,\vec A=\oint\limits_{\partial F}\vec A\,d\vec r$$Das geschlossene Wegintegral ist offensichtlich \(\pi R^2\,B_0\), verschwindet also nicht.

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