Wirbelströme

1. Wirbelströme Ein Effekt der Induktion

2. Inhalt • Entstehung von Wirbelströmen • Kräfte und Bewegung durch Wirbelströme • Anwendungen

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

4. Entstehung der Wirbelströme • Bei Bewegung eines leitenden Materials in einem inhomogenen Magnetfeld beschleunigt die Lorentzkraft die Ladungsträger zu einem Stromsenkrecht 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

5. Lorentzkraft und Wirbelströme Die Lorentzkraft bewegt die Ladungsträger (orange) im Material nach unten, es entstehen Ströme (dicke blaue Pfeile). Die Ladungsträger nähern sich von rechts dem Magnetfeld.

6. Ladungsausgleich in Wirbelströmen Zum Ladungsausgleich fließt der Strom im Magnetfeld freien Raum wieder zurück

7. Kräfte zwischen Magnetfeldern Anziehend Abstoßend Die kreisförmigen Magnetfelder um die Ströme im Leiter stoßen das annähernde Magnetfeld ab und ziehen das abwandernde an

8. 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

9. Bewegung durch Wirbelströme Es entsteht eine Kraft in Bewegungsrichtung

10. 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

11. Magnetfeld in einem Drehstrom-Motor R Blauer Pfeil: Magnetische Feldstärke im Raum zwischen den Spulen S T MP, „Erde“

12. Drehfeld mit Läufer: Prinzip eines Drehstrom-Motors R „Kurzschlussläufer“ einfachster Bauart : Zylinder aus leitendem Material S T MP, „Erde“ 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

13. 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 =)

14. Funktion der Wirbelstrombremse im ICE 3 • Orange: In der Schiene induzierte Ströme • Blau: Magnetfelder

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

16. 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

17. Finis