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Sistemas de Coordenadas

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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICAELECTRÓNICA
ASIGNATURA:TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA
TEMA INTRODUCTORIO
SISTEMAS DE COORDENADAS
MC/ME Jorge A. Gallegos de la Cruz
Agosto 2019
Introducción
Un punto o vector puede ser representado en
cualquier sistema de coordenadas curvilíneo, el cual
puede ser ortogonal o no ortogonal.
Un sistema ortogonal es aquel cuyas coordenadas
son mutuamente perpendiculares, tal es el caso de
los sistemas cartesiano (o rectangular), cilíndrico
circular y esférico.
La elección del sistema de coordenadas adecuado en
la solución de un problema permite ahorrar una
gran cantidad de tiempo y trabajo.
Sistema de coordenadas
cartesianas (x, y, z)
Un punto P se puede representar con (x, y, z)
Los intervalos de las variables x, y,
z están dados por:
−∞ < 𝑥 < ∞
−∞ < 𝑦 < ∞
−∞ < 𝑧 < ∞
En coordenadas cartesianas un vector 𝐀 puede
expresarse como:
𝐴𝑥 , 𝐴𝑦 , 𝐴𝑧
o 𝐴𝑥 𝒂𝒙 + 𝐴𝑦 𝒂𝒚 + 𝐴𝑧 𝒂𝒛
Donde: 𝒂𝒙 , 𝒂𝒚 , 𝒂𝒛 son los vectores unitarios a lo largo
de las direcciones x, y, e z.
Sistema de coordenadas cilíndricas
(r, , z)
Un punto P en coordenadas cilíndricas se puede
representar como (r, , z).
Los intervalos de las variables r, ,
z están dados por:
0≤𝑟<∞
0 ≤  < 2𝜋
−∞ < 𝑧 < ∞
En coordenadas cilíndricas un vector 𝐀 puede
expresarse como:
𝐴𝑟 , 𝐴 , 𝐴𝑧
o 𝐴𝑟 𝒂𝒓 + 𝐴 𝒂 + 𝐴𝑧 𝒂𝒛
Donde: 𝒂𝒓 , 𝒂 , 𝒂𝒛 son los vectores unitarios a lo largo
de las direcciones r, , e z.
La magnitud del vector 𝐀 en coordenadas cilíndricas
estada dado por:
A=
Ar 2 + A 2 + Az 2
Al igual que en coordenadas cartesianas, los vectores
unitarios 𝒂𝒓 , 𝒂 , 𝒂𝒛 son mutuamente perpendiculares.
Las relaciones de las variables (x, y, z) del sistema de
coordenadas cartesianas y las variables (r, , z) del
sistema cilíndrico se obtienen de la siguiente figura y
están dadas por:
Cartesianas a Cilíndricas
𝑟=
𝑥2
+
𝑦2,
=
tan−1
𝑦
,
𝑥
𝑧=𝑧
Cilíndricas a Cartesianas
𝑥 = 𝑟𝑐𝑜𝑠,
𝑦 = 𝑟𝑠𝑒𝑛,
𝑧=𝑧
Las relaciones anteriores se aplican para convertir
un punto de coordenadas cartesianas a cilíndricas y
viceversa.
Sin embargo, si lo que se requiere es la
transformación de un vector 𝐀 de 𝐴𝑥 , 𝐴𝑦 , 𝐴𝑧 a
𝐴𝑟 , 𝐴 , 𝐴𝑧 se utiliza la matriz de transformación:
La inversa que es la transformación de 𝐴𝑟 , 𝐴 , 𝐴𝑧
a
𝐴𝑥 , 𝐴𝑦 , 𝐴𝑧 se obtiene mediante:
Sistema de coordenadas esféricas
(r, , )
Un punto P esféricas se puede representar con (r, ,
)
Los intervalos de las variables r, ,
 están dados por:
−∞ < r < ∞
0≤θ≤π
0 ≤  < 2π
En coordenadas esféricas un vector 𝐀
expresarse como:
𝐴𝑟 , 𝐴𝜃 , 𝐴
puede
o 𝐴𝑟 𝒂𝒓 + 𝐴𝜃 𝒂𝜽 + 𝐴 𝒂
Donde: 𝒂𝒓 , 𝒂𝜽 , 𝒂 son los vectores unitarios a lo
largo de las direcciones r,  y .
La magnitud del vector 𝐀 en coordenadas esféricas
estada dado por:
A=
Ar 2 + Aθ 2 + A 2
Al igual que en coordenadas cartesianas, los vectores
unitarios 𝒂𝒓 , 𝒂𝜽 , 𝒂 son mutuamente perpendiculares.
Las relaciones de las variables (x, y, z) del sistema
cartesiano y las variables (r, , ) del sistema esférico
se obtienen de la siguiente figura y están dadas por:
Cartesianas a Esféricas
𝑟=
𝑥2
+
𝑦2
+
𝑧 2, 𝜃
=
tan−1
𝑥2 + 𝑦2
𝑦
,  = tan−1
𝑧
𝑥
Esféricas a Cartesianas
𝑥 = 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃𝑠𝑒𝑛,
𝑦 = 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠,
𝑧 = 𝑟𝑐𝑜𝑠𝜃
Las relaciones anteriores se aplican para convertir
un punto de coordenadas cartesianas a esféricas y
viceversa.
Si lo que se requiere es la transformación de un
vector 𝐀 de 𝐴𝑥 , 𝐴𝑦 , 𝐴𝑧 a 𝐴𝑟 , 𝐴𝜃 , 𝐴 se utiliza la
matriz de transformación:
La inversa que es la transformación de 𝐴𝑟 , 𝐴𝜃 , 𝐴
a
𝐴𝑥 , 𝐴𝑦 , 𝐴𝑧 se obtiene mediante:
Ejemplo
Dados el punto P(-2,6,3) y el vector 𝐀 = 𝑦𝒂𝒙 +
𝑥 + 𝑧 𝒂𝒚 , Exprese P y 𝐀 en coordenadas cilíndricas y
esféricas.
SOLUCIÓN:
En P: x = -2, y = 6, z = 3. En coordenadas cilíndricas:
x 2 + y 2 = 4 + 36 = 𝟒𝟎
y
6
−1
−1
 = tan
= tan
= 𝟏𝟎𝟖. 𝟒𝟑°
x
−2
z=z=𝟑
r=
En coordenadas esféricas:
x 2 + y 2 + 𝑧 2 = 4 + 36 + 9 = 49 = 𝟕
2 + 𝑦2
𝑥
40
−1
−1
θ = tan
= tan
= 𝟔𝟒. 𝟔𝟐°
z
3
r=
=
tan−1
y
6
−1
= tan
= 𝟏𝟎𝟖. 𝟒𝟑°
x
−2
Por tanto:
𝐏 −𝟐, 𝟔, 𝟑 = 𝐏
𝟒𝟎, 𝟏𝟎𝟖. 𝟒𝟑°, 𝟑 = 𝐏 𝟕, 𝟔𝟒. 𝟔𝟐°, 𝟏𝟎𝟖. 𝟒𝟑°
El vector 𝐀 = 𝑦𝒂𝒙 + 𝑥 + 𝑧 𝒂𝒚 . Evaluado en el punto
se obtiene: 𝐀 = 6𝒂𝒙 + 𝒂𝒚 y sabiendo que =108.43.
Utilizando matrices de transformación tenemos:
Ar
cos 108.43 sin 108.43 0 6
A∅ = − sin 108.43 cos 108.43 0 1
Az
0
0
1 0
Ar = 6 cos 108.43 + sin 108.43 = −0.948
A∅ = −6 sin 108.43 + cos 108.43 = −6.008 ,
Az = 0
Por tanto: 𝐀 = −0.948𝐚𝐫 − 6.008𝐚∅
Como: 𝐀 = 6𝒂𝒙 + 𝒂𝒚 , =108.43 y =64.62.
Utilizando matrices de transformación tenemos:
Ar
sin64.62cos 108.43
Aθ = cos64.62cos108.43
A∅
−sin108.43
sin64.62sin 108.43
cos64.62sin 108.43
cos108.43
cos64.62 6
−sin64.62 1
0
0
Ar = 6 sin64.62cos 108.43 + sin64.62 sin 108.43 = − 0.8567
Aθ = 6cos64.62cos108.43 + cos64.62sin108.43 = −0.4064
A∅ = −6sin108.43 + cos108.43 = −6.008
Por tanto: 𝐀 = −0.8567𝐚𝐫 − 0.4064𝐚𝛉 − 6.008𝐚∅
Se puede comprobar que para los tres sistemas la
magnitud del vector 𝐀 es A=6.082 unidades
Actividad (Tarea 1)
1.
Dados el punto P(1,3,5) y el vector 𝐐 =
𝑥 2 +𝑦 2
𝑥 2 +𝑦 2 +𝑧 2
𝒂𝒙 −
𝑦𝑧
𝑥 2 +𝑦 2 +𝑧 2
𝒂𝒛 , Exprese P y 𝐐
en
coordenadas cilíndricas y esféricas.
2.
10
Exprese el vector 𝐁 = r 𝐚𝐫 + rcosθ𝐚𝛉 + 𝐚∅ en
coordenadas cartesianas y cilíndricas. Halle
𝐁 −3,4,0
Diferenciales de longitud, área y
volumen
Los elementos diferenciales de longitud área y
volumen son útiles en el cálculo aplicado a vectores.
Se definirán en los tres sistemas de coordenadas:
Coordenadas cartesianas:
1. El desplazamiento diferencial está dado por:
d𝐥 = 𝑑𝑥𝒂𝒙 + 𝑑𝑦𝒂𝒚 + 𝑑𝑧𝒂𝒛
2.
El área normal diferencial está dada por:
d𝐒 = 𝑑𝑦𝑑𝑧𝒂𝒙
= 𝑑𝑥𝑑𝑧𝒂𝒚
= 𝑑𝑥𝑑𝑦𝒂𝒛
3.
El volumen diferencial está dado por:
dv = dxdydz
Coordenadas cilíndricas:
1. Desplazamiento diferencial
d𝐥 = 𝑑𝑟𝒂𝒓 + 𝑟𝑑∅𝒂∅ + 𝑑𝑧𝒂𝒛
2.
Área normal diferencial
d𝐒 = 𝑟𝑑∅𝑑𝑧𝒂𝒓
= 𝑑𝑟𝑑𝑧𝒂∅
= 𝑟𝑑𝑟𝑑∅𝒂𝒛
3.
Volumen diferencial
dv = rdrd∅dz
Coordenadas esféricas:
1. Desplazamiento diferencial
d𝐥 = 𝑑𝑟𝒂𝒓 + 𝑟𝑑𝜃𝒂𝜽 + 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃𝑑∅𝒂∅
2.
Área normal diferencial
d𝐒 = 𝑟 2 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑑𝜃𝑑∅𝒂𝒓
= 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃𝑑𝑟𝑑∅𝒂𝜽
= 𝑟𝑑𝑟𝑑𝜃𝒂∅
3.
Volumen diferencial
dv = 𝑟 2 senθdrdθd∅
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