Wirbelströme Ein Effekt der Induktion. Inhalt Entstehung von Wirbelströmen Kräfte und Bewegung...
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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