Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Magnetismus – Teil 7: Wirbelstrom
Die elektromagnetische Induktion ist ursächlich für das Auftreten von Wirbelströmen in elektrisch leitfähigen Körpern verantwortlich. Anhand zweier betrachteter Experimente werden die wesentlichen Wirkungen von Wirbelströmen erarbeitet und praxisrelevante Anwendungen gezeigt.
Wirbelstrom
Aus den bisherigen Betrachtungen zum Thema Magnetismus ist bekannt, dass zur Ausbildung eines konzentrierten Magnetfeldes und zur Leitung der Feldlinien ferromagnetische Eisenkerne besonders gut geeignet sind. Doch diese Eisenkerne sind nicht nur gute magnetische Leiter, sondern gelten auch als relativ gute elektrische Leiter. So entstehen beim Betreiben von Wechselstrommaschinen mit sich ändernden Magnetfeldern auch im Eisenkern Induktionsspannungen. Diese haben keine einheitliche Richtung und führen zu unkontrollierten Strömen. Diese Induktionsströme führen zur Erwärmung des Kerns und damit der gesamten Maschine. Die dadurch entstehende und abzuführende Wärme verschlechtert erheblich den Wirkungsgrad der Maschine. Wegen der uneinheitlichen Flussrichtung spricht man von Wirbelströmen (englisch: eddy current) bzw. von Wirbelstromverlusten. Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, das gemäß der Lenzschen Regel der Änderung des Feldes entgegenwirkt. Dadurch wird bei hohen Frequenzen und großen Querschnitten der Strom aus der Mitte des Leiters verdrängt (Skin-Effekt).
Ursache
Wirbelströme entstehen in elektrisch leitfähigen Materialien, wenn sie einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld ausgesetzt werden. Dabei ist es völlig unerheblich, ob das Magnetfeld seine Stärke tatsächlich zeitlich ändert, oder ob die zeitliche Veränderung durch die Bewegung des leitfähigen Körpers zustande kommt. Des Weiteren muss – im Gegensatz zu anderen Phänomenen im Magnetfeld – das Material nicht ferromagnetisch sein. Für das Entstehen der Wirbelströme reicht die elektrische Leitfähigkeit des Materials aus. Somit können Wirbelströme auch in Kupfer entstehen, obwohl es nicht ferromagnetisch ist. Wirbelströme entstehen in einem elektrisch leitfähigen Körper durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld.Hinweis: Die Bezeichnung „Wirbelstrom“ wurde deshalb gewählt, da diese Ströme keine bestimmte Richtung aufweisen und die Ladungsträger scheinbar im Kreis fließen, d. h. einen „Stromwirbel“ bilden.