Wirbelströme
Entstehung von Wirbelströmen
Diese Ringströme 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, die teilweise erwünscht sind und technisch genutzt werden, teilweise aber auch unerwünscht sind und möglichst klein gehalten werden.
Wirbelströme entstehen durch elektromagnetische Induktion in massiven Leitern.
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 (Bild 1 links).
Wir betrachten als Beispiel einen Magneten, über dem sich eine drehbar gelagerte Metallscheibe befindet (Bild 2). Dabei sind zwei Möglichkeiten denkbar.
a) Die Scheibe ist zunächst in Ruhe, der Magnet 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 (Wirbelstromtachometer). In einem solchen Geschwindigkeitsmesser führt ein rotierender Magnet eine Tachometernadel durch Wirbelstrominduktion in Drehrichtung mit. Eine Feder bewirkt eine Rückstellkraft auf die Tachometernadel, 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. 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 (siehe unten).
Rotiert eine Metallscheibe in einem Magnetfeld, so werden in ihr Wirbelströme induziert.
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. Nutzbringend wirkt sich die Stromwärme aus, wenn man sie zum gezielten Erhitzen metallischer Gegenstände nutzen will. Dies geschieht beispielsweise beim Induktionshärten (Bild 3).
Besonders nachteilig wirken sich die Wirbelströme in den Eisenkernen größerer Magnetspulen aus. Durch die Ströme erwärmt sich der Eisenkern, sodass wertvolle elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt wird.
Die Verringerung 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 deshalb häufig Eisenkerne, die aus dünnen, gegeneinander isolierten Eisenblechen zusammengenietet sind. Sie werden als Dynamobleche bezeichnet. Bild 4 zeigt einen aus solchen Dynamoblechen zusammengesetzten Eisenkern eines Transformators.
Die Eisenkerne von Transformatoren bestehen aus Dynamoblechen.
Wirbelströme - Eisenbleche als Spulenkern
L. Meyer, Potsdam
Die Nutzung von Wirbelströmen
Bewegt sich ein elektrisch leitender Gegenstand in einem veränderlichen Magnetfeld, dann werden in ihm Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme kann man zur Bremsung oder Dämpfung einer Bewegung nutzen. Das Verfahren wird häufig eingesetzt, wenn man eine direkte mechanische Belastung von Bauteilen vermeiden will.
Lässt man zwischen den Polen eines starken Magneten eine Metallscheibe vorbeipendeln, bemerkt man schon nach kurzer Zeit, dass die Bewegung der Scheibe merklich verlangsamt wird (Bild 5). Die Erklärung für diese Beobachtung erfolgt durch das Induktionsgesetz und das lenzsche Gesetz:
Da sich die Metallplatte periodisch in das Magnetfeld hinein und aus ihm heraus bewegt, wird sie von einem sich ändernden Magnetfeld durchsetzt. Außerdem besitzt sie gegenüber dem Magnetfeld eine Relativgeschwindigkeit. Demzufolge kommt es zur Induktion eines Stromes innerhalb der Metallplatte. Dieser Strom ist umso stärker, je schneller die Metallplatte das Magnetfeld passiert.
Nach dem lenzschen Gesetz ist der induzierte Strom so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt. Daher erfolgt eine Abbremsung der Metallplatte bis zum völligen Stillstand.
Für technisch Anwendungen ist in diesem Zusammenhang interessant, dass es - im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Bremsen - nicht zu einem direkten Kontakt zwischen Bremsvorrichtung (dem Magneten) und abzubremsenden Teilen (rotierenden Scheiben oder Rädern) kommen muss. Da die Wirbelströme aber auch immer eine Erwärmung der Metallteile verursachen, wirkt sich unter Umständen die Erhitzung der Bremsvorrichtung nachteilig aus.
Wirbelstrombremsen werden unter anderem in Elektrizitätszählern eingesetzt. Außerdem finden sie in vielen Messinstrument en Anwendung, wobei man die Zeit zum Einpendeln des Zeigers auf den Messwert mit einer Dämpfungsscheibe oder einem Dämpfungsrahmen aus Aluminium und einem kleinen Magneten wirkungsvoll mittels Wirbelströmen verkürzt. Auf einen gesonderten Magneten kann man verzichten, wenn das Messinstrument ohnehin auf der Wirkung einer Magnetspule beruht, so wie das bei Drehspulmessinstrumenten der Fall ist.
Modellversuch zur Wirkungsweise einer Wirbelstrombremse
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