Wenn sich ein elektrisch leitender Gegenstand in einem Magnetfeld bewegt oder von einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld umschlossen ist, dann werden in ihm nach dem Induktionsgesetz Spannungen induziert und damit Ströme hervorgerufen. Handelt es sich bei dem Leiter um einen langen Draht oder eine Spule, dann ist die Richtung des induzierten Stromes eindeutig vorgegeben. In räumlichen oder flächenhaften Metallstücken, die man auch als massive Leiter bezeichnet, unterliegt die Stromrichtung turbulenten Veränderungen. Diese Ringströme bezeichnet man als Wirbelströme (Bild 1).
Auch wenn die Wirbelströme keine raumfeste Richtung besitzen, trifft auf sie das lenzsche Gesetz zu: Wirbelströme wirken der Ursache ihrer Entstehung entgegen. Dieser Effekt zeigt die verschiedensten Auswirkungen, die teilweise erwünscht sind und technisch genutzt werden, teilweise aber auch unerwünscht sind und möglichst klein gehalten werden.
Wirbelströme,
die aufgrund einer Relativbewegung von Magnetfeld und Leiter entstehen
Bewegen sich ein Magnetfeld und ein leitender Gegenstand relativ zueinander,
dann werden Wirbelströme im Leiter induziert (Bild 1 links).
Wir betrachten als Beispiel einen Magneten, über dem sich eine drehbar
gelagerte Metallscheibe befindet (Bild
2). Dabei sind zwei Möglichkeiten denkbar.
a) Die Scheibe ist zunächst in Ruhe, der Magnet rotiert und bewegt sich damit relativ zu ihr. Nach dem lenzschen Gesetz wirken die Wirbelströme der Induktionsursache entgegen. Sie versuchen deshalb, die Relativbewegung zwischen Leiter und Magnetfeld zu reduzieren. Dies geht aber nur, wenn die Metallscheibe in gleicher Drehrichtung wie der Stabmagnet zu rotieren beginnt. Dieses Wirkprinzip nutzt man zum Beispiel im Tachometer bei Autos (Wirbelstromtachometer). In einem solchen Geschwindigkeitsmesser führt ein rotierender Magnet eine Tachometernadel durch Wirbelstrominduktion in Drehrichtung mit. Eine Feder bewirkt eine Rückstellkraft auf die Tachometernadel, die sich deshalb nicht vollständig mitdreht, sondern lediglich aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird.
b) Der Magnet ist in Ruhe und an
einer Halterung befestigt, die Metallscheibe rotiert. Auch in diesem Fall
bewirken die Induktionsströme eine Reduzierung der Relativbewegung.
Dies geht aber nur, wenn die Metallscheibe abgebremst wird. Dieses Prinzip
wird in Wirbelstrombremsen
genutzt (siehe unten).
Wirbelströme,
die aufgrund eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes induziert
werden
Nach dem Induktionsgesetz kommt es auch in allen elektrisch leitenden
Bauteilen, die sich in unmittelbarer Nähe eines zeitlich veränderlichen
Magnetfeldes befinden, zur Induktion von Strömen. Nutzbringend wirkt
sich die Stromwärme aus, wenn man sie zum gezielten Erhitzen metallischer
Gegenstände nutzen will. Dies geschieht beispielsweise beim Induktionshärten
(Bild 3).
Besonders nachteilig wirken sich die Wirbelströme in den Eisenkernen
größerer Magnetspulen aus. Durch die Ströme erwärmt
sich der Eisenkern, sodass wertvolle elektrische Energie in thermische
Energie umgewandelt wird.
Die
Verringerung von Wirbelströmen
Damit sich Wirbelstromgebiete in einem metallischen Gegenstand ausbilden
können, muss ihnen ein genügend größer Raum innerhalb
des Körpers zur Verfügung stehen. Wirbelströme lassen sich
daher wirkungsvoll unterdrücken, wenn man die betreffenden Objekte
aus vielen kleinen Teilen zusammensetzt oder sie so konstruiert, dass
sie von mehreren Luftspalten durchsetzt werden.
In Magnetspulen verwendet man deshalb häufig Eisenkerne, die aus
dünnen, gegeneinander isolierten Eisenblechen zusammengenietet sind.
Sie werden als Dynamobleche
bezeichnet. Bild 4 zeigt einen aus solchen Dynamoblechen zusammengesetzten
Eisenkern eines Transformators.
Die
Nutzung von Wirbelströmen
Bewegt sich ein elektrisch leitender Gegenstand in einem veränderlichen
Magnetfeld, dann werden in ihm Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme
kann man zur Bremsung oder Dämpfung einer Bewegung nutzen. Das Verfahren
wird häufig eingesetzt, wenn man eine direkte mechanische Belastung
von Bauteilen vermeiden will.
Lässt man zwischen den Polen eines starken Magneten eine Metallscheibe
vorbeipendeln, bemerkt man schon nach kurzer Zeit, dass die Bewegung der
Scheibe merklich verlangsamt wird (Bild 5). Die Erklärung für
diese Beobachtung erfolgt durch das Induktionsgesetz und das lenzsche
Gesetz:
Da sich die Metallplatte periodisch
in das Magnetfeld hinein und aus ihm heraus bewegt, wird sie von einem
sich ändernden Magnetfeld durchsetzt. Außerdem besitzt sie
gegenüber dem Magnetfeld eine Relativgeschwindigkeit. Demzufolge
kommt es zur Induktion eines Stromes innerhalb der Metallplatte. Dieser
Strom ist umso stärker, je schneller die Metallplatte das Magnetfeld
passiert.
Nach dem lenzschen Gesetz ist der induzierte Strom so gerichtet, dass
er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt. Daher erfolgt eine Abbremsung
der Metallplatte bis zum völligen Stillstand.
Für technisch Anwendungen ist in diesem Zusammenhang interessant,
dass es - im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Bremsen - nicht
zu einem direkten Kontakt zwischen Bremsvorrichtung (dem Magneten) und
abzubremsenden Teilen (rotierenden Scheiben oder Rädern) kommen muss.
Da die Wirbelströme aber auch immer eine Erwärmung
der Metallteile verursachen, wirkt sich unter Umständen die Erhitzung
der Bremsvorrichtung nachteilig aus.
Wirbelstrombremsen werden unter anderem in Elektrizitätszählern
eingesetzt. Außerdem finden sie in vielen Messinstrumenten
Anwendung, wobei man die Zeit zum Einpendeln des Zeigers auf den Messwert
mit einer Dämpfungsscheibe
oder einem Dämpfungsrahmen aus Aluminium und einem kleinen Magneten
wirkungsvoll mittels Wirbelströmen verkürzt. Auf einen gesonderten
Magneten kann man verzichten, wenn das Messinstrument ohnehin auf der
Wirkung einer Magnetspule beruht, so wie das bei Drehspulmessinstrumenten
der Fall ist.