13.6 Wirbelströme

Wirkung:

Nach dem Induktionsgesetz entstehen in jedem Volumen, in dem sich der magnetische Fluss zeitlich ändert, induzierte Spannungen, die bei Vorhandensein von Ladungsträgern einen Stromfluss zur Folge haben.


PIC

Abbildung 13.6.1: Entstehung von Wirbelströmen

Ursache:

Tritt eine Ladung q mit der Geschwindigkeit v senkrecht in ein Magnetfeld der Induktion B ein, so wird die Ladung senkrecht zu v und B aufgrund der Lorentzkraft abgelenkt. Durch die Wechselwirkung mit der Fliehkraft bewegt sich die Ladung auf einer Kreisbahn mit passendem Radius entsprechend Abb. 13.6.1 .

Wirbel:

Wird eine leitende Metallplatte mit der Geschwindigkeit v in einem konstanten Magnetfeld B bewegt, so werden die freien Elektronen entsprechend der Lorentzkraft beschleunigt. Es können Kreisströme, sogenannte Wirbelströme, enststehen. Außerhalb des Feldes fließen die Elektronen (im Leiter) wieder zurück.

Wirbelstrombremse: Die Energie der Strömung wird der Bewegungsenergie des Metallteils entnommen, so dass dieses proportional zu seiner Geschwindigkeit abgebremst wird.

Technische Anwendung sind:

  1. Wirbelstromdämpfung bei Messgeräten im sogenannten aperiodischen Grenzfall11 (z.B. Energiezähler)
  2. Abbremsung von Motoren12, wobei aber eine Abbremsung auf v = 0 nicht möglich ist und immer eine zusätzliche Reibungsbremse erforderlich ist.
Trafo:

Im Eisenkern eines Transformators ändert sich der magnetische Fluss mit der Wechselspannung stetig und nach dem Induktionsgesetz werden dann auch ebenfalls Wirbelströme im Eisenkern induziert, die das Material erwärmen.

Ziel: Wirbelstromverluste möglichst klein halten. Zudem ist durch die Erwärmung u.U. eine Zerstörung möglich.

Praxis:

Die magnetischen Kerne werden nicht massiv sondern als Eisenblechpakete aufgebaut, die elektrisch isoliert werden durch dünne Papier- oder Lackschichten. Zusätzlich wird der elektrische Widerstand der einzelnen Bleche durch Zugabe von Silizium erhöht.

Da die Induktionsspannungen proportional zur Frequenz sind, werden bei HF-Transformatoren die Eisenkerne aus Eisen in Pulverform mit isolierenden thermoplastischen Kunststoffen gebildet. Man verwendet dazu elektrisch schlecht leitende Eisenoxidgemische.

11Die drei möglichen Verläufe eines Einschwingvorganges bei einem System 2. Ordnung wurden bei den Schaltvorgängen ausführlich behandelt.

12Gleichstrom- und Asynchronmotoren sind Inhalte anderer Vorlesunen.