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Wirbelströme

Erfahre, wie starke Neodym-Magnete Wirbelströme induzieren können, die elektromagnetische Kräfte in Metallen wie Aluminium und Kupfer erzeugen, die nicht ferromagnetisch sind (Magnete haften nicht daran).

Was sind Wirbelströme?

Wenn ein guter elektrischer Leiter (wie Kupfer oder Aluminium) einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt ist, wird in dem Metall ein Strom induziert, der allgemein als Wirbelstrom bezeichnet wird. Am besten lässt er sich vielleicht erklären, indem man seine Auswirkungen zeigt.

Demonstration 1, der Magnet in einer Röhre

Dieses Video zeigt die klassische Wirbelstromdemonstration, bei der ein axial magnetisierter Magnet in eine Metallröhre fällt. In jedem Fall hat das Kupfer- oder Aluminiumrohr einen Innendurchmesser, der etwas größer ist als die Größe des Magneten. Wir haben für diese Demonstrationen DAA- und DEX0-Magnete verwendet.

Die grüne, magnetische Sichtfolie, die im obigen Video verwendet wird, ist als MV43 erhältlich.

Was passiert?

Während der Magnet durch das Rohr fällt, erfährt das Rohr ein wechselndes Magnetfeld. Dieses wechselnde Feld induziert einen Strom, der um die Röhre kreist. Es ist ein starker Strom, der nur für einen kurzen Moment anhält, während der Magnet vorbeizieht.

Wenn man nun einen Strom sieht, der so im Kreis herumfließt, erinnert das vielleicht an einen Elektromagneten. Das heißt, ein Strom, der sich so im Kreis dreht, erzeugt ein Magnetfeld. In diesem Fall ist das von diesen elektrischen Strömen erzeugte Magnetfeld (insgesamt) entgegengesetzt zum Magnetfeld des Magneten. Das von den Wirbelströmen erzeugte Magnetfeld ist dem Magnetfeld entgegengesetzt, so wie ein Paar sich abstoßender Magnete sich gegenseitig abstößt.

Während die Schwerkraft den Magneten nach unten zieht, erzeugen die Wirbelströme ein Magnetfeld, das sich der Bewegung widersetzt.

Gleiches Konzept, andere Anwendung

Haben wir das nicht schon einmal gesehen? Ja! In unserem letzten Artikel haben wir die Funktionsweise einer Shake Flashlight beschrieben. Darin haben wir einen Magneten durch das Innere einer Drahtspule hin- und herbewegt.

Für Wirbelströme spielt es keine Rolle, ob die Kupfermasse um den Magneten ein massiver Klumpen oder eine Wicklung aus vielen Windungen isolierten Drahts ist – es wird immer noch ein Strom in einer Kreisbewegung innerhalb des Metalls erzeugt.

Der einzige Unterschied zwischen diesen beiden Situationen besteht darin, dass wir die Drahtenden der Taschenlampe anzapfen und den Strom zum Betrieb einer LED-Lampe verwenden konnten.

Demonstration Nr. 2, Magnet auf einem Blech

Der Magnet, der durch ein Rohr fällt, ist ein klassisches Beispiel, aber wir sind nicht auf diese Geometrie beschränkt. Es gibt viele Möglichkeiten, Ströme in Metall zu induzieren. Alles, bei dem sich das Magnetfeld an einem bestimmten Punkt des Metalls mit der Bewegung des Magneten ändert, funktioniert.

Ein beliebter Aufbau für Wirbelstrombremsen besteht darin, zwei starke Magnete mit einem Spalt dazwischen anzuordnen. Dadurch entsteht ein starkes Magnetfeld zwischen den beiden Magneten, wie bereits in unserem Artikel über den Spaltrechner beschrieben.

Wenn dieses Magnetpaar auf beiden Seiten einer sich drehenden Scheibe platziert wird, wirken die im Metall induzierten Wirbelströme bremsend auf diese. Dieses Bild auf Wikipedia ist ein gutes Beispiel.

Eine weitere gute Demonstration ist eine vereinfachte Version: Man lässt einen dünnen Scheibenmagneten über ein Aluminiumblech gleiten. Es funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie bei dem Magneten in der Röhrendemonstration, aber man kann den Magneten die ganze Zeit sehen. Wir haben für diese Demonstration einen DX02, 1″ Durchmesser x 1/8″ dicken Scheibenmagneten auf einem 2″ breiten Streifen aus 1/8″ dickem Aluminium verwendet.

Wie sind Wirbelströme nützlich

Aus Wikipedia, Wirbelstrombremsen auf einer Achterbahn

Wir haben bereits Wirbelstrombremsen erwähnt, bei denen das entgegengesetzte Magnetfeld genutzt werden kann, um etwas abzubremsen. Solche Bremsen werden oft bei Zügen und Achterbahnen eingesetzt. Das Bild rechts ist ein gutes Beispiel für eine solche Bremse. Eine Kupfer- oder Aluminiumplatte ragt aus dem/den Achterbahnwagen heraus (nicht abgebildet) und verläuft zwischen den abgebildeten Magneten. Wenn Dauermagnete verwendet werden, funktioniert die Bremse auch bei vollständigem Stromausfall.

Wirbelstrom-Materialabscheider können zur Trennung von Metallen und nichtmetallischem Abfall verwendet werden. Zum Beispiel können Automaten mit dieser Methode dazu verwendet werden, Aluminiumdosen vom Müll zu trennen.

Identifizierung von Metallen: Münzautomaten nutzen Wirbelströme, um gefälschte Münzen zu erkennen. Da die Wirbelströme bei einer echten Münze anders sind als bei einer gefälschten, können die Hersteller von Verkaufsautomaten dies nutzen, um sicherzustellen, dass die Münzen echt sind.

Die Wirbelstromprüfung ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren für Metalle, mit dem sich Risse in Metallen aufspüren lassen. Man denke nur an die Suche nach Ermüdungsrissen in der Außenhaut eines Flugzeugs oder in Wärmetauscherrohren in einem Kraftwerk.

Induktionsheizung: Elektroherde mit Glasplatte nutzen Induktion, um Pfannen oder Töpfe aus Metall zu erhitzen. Auf dieser Seite von Wikipedia findet sich ein hübsches Bild einer zerlegten Herdplatte, auf dem die Spule aus Kupferdraht deutlich zu sehen ist.

Warum sind Wirbelströme nicht so nützlich

Wenn ein Wechselstrom durch einen Draht fließt, fließt ein Großteil des Stroms in Wirklichkeit an der Oberfläche des Drahtes. Das wird gemeinhin als Skin-Effekt bezeichnet, ist aber in Wirklichkeit auf Wirbelströme zurückzuführen. Bei Wechselstrom in einem Draht wechselt der Strom hin und her. Das bedeutet, dass sich die von diesem Strom erzeugten Magnetfelder natürlich ändern. Dadurch entstehen im Draht Wirbelströme, die sich dem Stromfluss widersetzen.

Wenn es keine Wirbelströme gäbe, könnte man mehr Strom durch einen bestimmten Draht schicken.

Ein weiteres Beispiel ist ein Transformator. Wirbelströme sind für die Erwärmung des Stahlkerns eines Transformators verantwortlich, wie hier beschrieben.

Kann ich die Kraft von Wirbelströmen berechnen?

Nein, nicht so einfach. Diese Frage wird uns oft gestellt, und wir wünschten, wir hätten eine einfachere Antwort. Die Kraft, die von Magneten ausgeht, die sich in der Nähe von Kupfer- oder Aluminiumstrukturen bewegen, hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von:

• der Stärke des Magnetfeldes im Metall und der Größe der Änderung der Feldstärke. Dies wird beeinflusst durch:
  • die Größe und Stärke des Magneten: größere, dickere Magnete erzeugen stärkere Magnetfelder, siehe Oberflächenfelder 101
  • die Position des Magneten/der Magneten im Verhältnis zum Metallteil, die mit der Feldstärke zusammenhängt
• die Form, Dicke und Geometrie des Metalls: dickere Rohre lassen einen Magneten in den in den obigen Videos gezeigten Experimenten langsamer durchfallen
• die Geschwindigkeit des Magneten/Metalls: Je schneller, desto größer die Kraft, bis zu einem gewissen Punkt

Das alles herauszufinden ist definitiv nicht trivial. Während wir eine schöne Möglichkeit haben, die magnetische Feldstärke im Bereich eines einzelnen Magneten im freien Raum zu berechnen (siehe unseren Magnetfeld-Rechner), ist der Fall eines Magneten, der durch ein Rohr fällt, viel komplexer. Der fallende Magnet induziert einen Strom im Rohr, der ein eigenes, entgegengesetztes Feld in der entgegengesetzten Richtung erzeugt. Die Stärke dieses Feldes theoretisch zu bestimmen, ist entmutigend. Es ist schwer, Faustregeln aufzustellen, die für jede Situation gelten.

Um Antworten auf die Frage nach der Stärke von Wirbelströmen in Ihrer Anwendung zu finden, sollten Sie experimentelle Methoden, dreidimensionale FEA (Finite-Elemente-Analyse) oder beides in Betracht ziehen.