Wirbelströme

Ein Effekt der Induktion

Inhalt

• Entstehung von Wirbelströmen• Kräfte und Bewegung durch Wirbelströme• Anwendungen

Bewegung durch Wirbelströme

F

B

v

Ein Magnet mit senkrecht zum Leiter gerichteter Feldstärke wird von links über einen Leiter bewegt: Es entsteht eine Kraft in Bewegungsrichtung

MagF

MagF

Entstehung der Wirbelströme

• Bei Bewegung eines leitenden Materials in einem inhomogenen Magnetfeld beschleunigt die Lorentzkraft die Ladungsträger zu einem Strom senkrecht zur Richtung von Feld und Geschwindigkeit

• Zum Ladungsausgleich fließt der Strom im Magnetfeld freien Raum wieder zurück

– Ein Magnet-feldfreier Raum im Leiter ist daher Voraussetzung für Wirbelströme („inhomogenes Magnetfeld“)

• „Wirbelströme“ bezeichnet die Gesamtheit dieser Ströme

• Wirbelströme fließen als „Kurzschluss-Ströme“ praktisch ohne Widerstand auf geschlossenen Pfaden

Lorentzkraft und Wirbelströme

F

B

vDie Lorentzkraft bewegt die Ladungsträger (orange) im Material nach

unten, es entstehen Ströme (dicke blaue Pfeile). Die Ladungsträger nähern sich von rechts dem Magnetfeld.

Ladungsausgleich in Wirbelströmen

F

B

vZum Ladungsausgleich fließt der Strom im Magnetfeld freien Raum

wieder zurück

Kräfte zwischen Magnetfeldern

F

B

vDie kreisförmigen Magnetfelder um die Ströme im Leiter stoßen das

annähernde Magnetfeld ab und ziehen das abwandernde an

Abstoßend

Anziehend

Kräfte durch Wirbelströme

• Die Magnetfelder um die im Leiter induzierten Ströme sind dem bewegten Magnetfeld entgegengesetzt (Lenzsche Regel):

– Abstoßend gegenüber dem nahenden Feld

– Anziehend gegenüber dem davoneilenden Feld

• Es resultiert eine Kraft

• Die Beschleunigung durch diese Kraft gleicht die die Geschwindigkeiten von Leiter und Magnetfeld an

Bewegung durch Wirbelströme

F

B

v

Es entsteht eine Kraft in Bewegungsrichtung

MagF

MagF

Anwendungen

• Rotor im Drehstrom-Feld, „Kurzschlussläufer“ • Tachometer Antrieb• Schwingungs-Dämpfung• Wirbelstrom Bremse in Schienenfahrzeugen• Sind Wirbelströme unerwünscht, dann können

die Strompfade unterbrochen werden, z. B. durch Lamellierung des Leiters

Magnetfeld in einem Drehstrom-Motor

R

ST

MP, „Erde“

Blauer Pfeil: Magnetische Feldstärke im Raum zwischen den Spulen

Drehfeld mit Läufer: Prinzip eines Drehstrom-Motors

R

Die Wirbelströme im Läufer koppeln den Läufer an das Magnetfeld, aber mit „Schlupf“: Das maximale Drehmoment wird bei etwa 15% „Schlupf“ zwischen Drehfeld und Läufer erreicht

ST

MP, „Erde“

„Kurzschlussläufer“ einfachster Bauart : Zylinder aus leitendem Material

Wirbelstrombremse im ICE 3

• Die in den Drehgestellen gelagerten Spulen liegen nur 2 - 7 mm über den Schienen• Quelle und ausführliche Info: Wirbelstrombremse_im_ICE_06meier-credner[1].pdf (Kopie

aus www.eurailpress.com/archiv/showpdf.php?datei=/erparchiv/etr2000/06meier-credner.pdf =)

Funktion der Wirbelstrombremse im ICE 3

• Orange: In der Schiene induzierte Ströme• Blau: Magnetfelder

• Versuch: Wirbelstrombremse, in der Rinne ablaufende Kugel, … evtl. Tachometer

Zusammenfassung• Wird ein leitendes, von einem Magnetfeld durchquertes Material in

Bewegung versetzt, dann entstehen durch die Lorentzkraft Ströme, die im feldfreien Gebiet vor und hinter dem Magnetfeld zurück laufen

• „Wirbelströme“ bezeichnet die Gesamtheit dieser Ströme, sie fließen als „Kurzschluss-Ströme“ praktisch ohne Widerstand auf geschlossenen Pfaden

• Die Magnetfelder um die im Leiter induzierten Ströme sind dem bewegten Magnetfeld entgegengesetzt (Lenzsche Regel): Es resultiert eine Kraft

• Die Beschleunigung durch diese Kraft gleicht die Geschwindigkeiten von Leiter und Magnetfeld an

• Einige Beispiele für Anwendungen: – Rotoren in „Asynchron-Drehstrom Motoren“

• Das Drehfeld induziert Wirbelströme im Rotor, die dadurch erzeugten Kräfte versetzen ihn in Rotation

– Wirbelstrombremsen • Schwingungsdämpfung

• Bremsen bei Schienenfahrzeugen

Finis