Wirbelströme

Wenn sich ein elektrisch leitender Gegenstand in einem Magnetfeld bewegt oder von einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld umschlossen ist, dann werden in ihm Ströme induziert. Handelt es sich bei dem Leiter um einen langen Draht oder eine Spule, dann ist die Richtung des induzierten Stromes eindeutig vorgegeben. In räumlichen oder flächenhaften Metallstücken unterliegt die Stromrichtung turbulenten Veränderungen. Diese nicht gerichteten Ströme bezeichnet man als Wirbelströme.

Auch wenn die Wirbelströme keine raumfeste Richtung besitzen, trifft auf sie das lenzsche Gesetz zu: Wirbelströme wirken der Ursache ihrer Entstehung entgegen. Dieser Effekt zeigt die verschiedensten Auswirkungen.

Wirbelströme, die aufgrund einer Relativbewegung von Magnetfeld und Leiter entstehen
Bewegen sich ein Magnetfeld und ein leitender Gegenstand relativ zueinander, dann werden Wirbelströme im Leiter induziert. Wir betrachten als Beispiel einen Stabmagneten, über dem sich eine frei beweglich Metallscheibe befindet (Bild 1). Dabei sind zwei Möglichkeiten denkbar.

a) Die Scheibe ist zunächst in Ruhe, der Stabmagnet rotiert und bewegt sich damit relativ zu ihr. Nach dem lenzschen Gesetz wirken die Wirbelströme der Induktionsursache entgegen. Sie versuchen deshalb, die Relativbewegung zwischen Leiter und Magnetfeld zu reduzieren. Dies geht aber nur, wenn die Metallscheibe in gleicher Drehrichtung wie der Stabmagnet zu rotieren beginnt. Dieses Wirkprinzip nutzt man zum Beispiel im Tachometer bei Autos. In einem solchen Geschwindigkeitsmesser führt ein rotierender Magnet eine Tachonadel durch Wirbelstrominduktion in Drehrichtung mit. Eine Feder bewirkt eine Rückstellkraft auf die Tachonadel, die sich deshalb nicht vollständig mitdreht, sondern lediglich aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird.

b) Der Magnet ist in Ruhe und an einer Halterung befestigt, die Metallscheibe rotiert (Bild 2). Auch in diesem Fall bewirken die Induktionsströme eine Reduzierung der Relativbewegung. Dies geht aber nur, wenn die Metallscheibe abgebremst wird. Dieses Prinzip wird in Wirbelstrombremsen genutzt.

Wirbelströme, die aufgrund eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes induziert werden
Nach dem Induktionsgesetz kommt es auch in allen elektrisch leitenden Bauteilen, die sich in unmittelbarer Nähe eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes befinden, zur Induktion von Strömen. Besonders nachteilig wirken sich die Wirbelströme in den Eisenkernen größerer Magnetspulen aus. Durch die Ströme erwärmt sich der Eisenkern, sodass wertvolle elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird.
Nutzbringend wirkt sich die Stromwärme aus, wenn man sie zum gezielten Erhitzen metallischer Gegenstände nutzen will. Dies geschieht beispielsweise beim Induktionshärten.

Die Unterdrückung von Wirbelströmen
Damit sich Wirbelstromgebiete in einem metallischen Gegenstand ausbilden können, muss ihnen ein genügend größer Raum innerhalb des Körpers zur Verfügung stehen. Wirbelströme lassen sich daher wirkungsvoll unterdrücken, wenn man die betreffenden Objekte aus vielen kleinen Teilen zusammensetzt oder sie so konstruiert, dass sie von mehreren Luftspalten durchsetzt werden.
In Magnetspulen verwendet man häufig Eisenkerne, die aus dünnen Eisenblechen zusammengenietet sind. Sie werden als Dynamobleche bezeichnet.