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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.

Versuchsaufbau Wirbelstrom 1 – bewegter, elektrisch leitfähiger Körper (Bild: K.-H. Bleiß/ep)

Versuchsaufbau Wirbelstrom 1 – bewegter, elektrisch leitfähiger Körper (Bild: K.-H. Bleiß/ep)

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.

Versuche zu Wirbelströmen

1. Bewegte, elektrisch leitfähige Körper

Experiment: Eine Aluminiumplatte wird an einem Pendelstab beweglich aufgehängt und durch ein zeitlich konstantes Magnetfeld bewegt (Bild 1).
Beobachtung: Das Pendel wird stark abgebremst.
Wirbelströme entfalten eine Kraftwirkung.

Erklärung: Die zeitliche Änderung des Magnetfeldes führt dazu, dass in der Aluminiumplatte eine Spannung induziert wird. Aufgrund dieser Spannung werden die Ladungsträger in der Aluminiumplatte abgelenkt. Die Bewegungsrichtung der Ladungsträger lässt sich mit Hilfe der „rechten-Hand-regel“ festlegen. Da sich die Ladungsträger aber in einem Magnetfeld bewegen, wirkt auf sie eine Ablenkkraft. Deren Richtung kann mit Hilfe der „Linken Hand-regel“ festgelegt werden. Diese Kraft wirkt entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Aluminiumplatte und bremst deren Bewegung.

Anwendung: Der bremsende Effekt zwischen einem bewegten geschlossenen Leiter und einem Magnetfeld kommt bei der Wirbelstrombremse von Bahnfahrzeugen und Kfz, bei Frei-Fall-Türmen, Fahrrad-Ergometern und zur Dämpfung mechanischer Schwingungen in Drehspulmesswerken zur Anwendung. Ein schnell zunehmendes inhomogenes Magnetfeld stößt geschlossene gute Leiter ab. Das wird zum Magnetumformen und dem Elektromagnetischen Pulsschweißen benutzt. Bewegt sich das Magnetfeld gegenüber dem Leiter, dann entsteht eine Kraft und der Leiter wird ggf. bewegt. Hier ist die Kraft proportional zur Differenzgeschwindigkeit. Im Linearmotor wird z. B. das Dreh- bzw. Wanderfeld elektromagnetisch erzeugt. In mechanischen Tachometern und Drehzahlmessern lenkt ein rotierender Permanentmagnet eine Aluminiumscheibe gegen eine Federkraft aus. Ähnlich arbeiten Wirbelstromscheider, mit denen z. B. Aludosen oder -folien aus Abfällen abgetrennt werden. In Ferraris-Stromzählern wirken Wirbelströme sowohl antreibend als auch dämpfend. Ein aus den zu messenden Größen Strom und Spannung gebildetes magnetisches Wanderfeld treibt eine Aluminiumscheibe an, deren Drehung von einem Permanentmagneten stark gedämpft wird.

Autor: K.-H. Bleiß

Der vollständige Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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