Wirbelströme | Thoery, Prinzip & Anwendungen

Eddy-Ströme: Ein Überblick

Eddy-Ströme, auch bekannt als Foucault-Ströme, sind kreisförmige elektrische Ströme, die in leitfähigen Materialien induziert werden, wenn sie einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt sind. Ihre Entdeckung geht auf den französischen Physiker Jean-Bernard Léon Foucault im Jahr 1851 zurück. Eddy-Ströme sind ein direktes Ergebnis der elektromagnetischen Induktion, wie von Faradays Gesetz und Lenz’s Gesetz beschrieben.

Entstehung von Eddy-Strömen

Wenn ein leitfähiges Material, wie Metall, einem variierenden Magnetfeld ausgesetzt wird, induziert dieses Feld eine elektromotorische Kraft (EMK) innerhalb des Materials. Die induzierte EMK erzeugt wirbelnde elektrische Ströme, die in geschlossenen Schleifen fließen und Wirbel in einer Flüssigkeit ähneln, daher der Name „Eddy-Ströme“.

Das Prinzip der Eddy-Ströme

Eddy-Ströme erzeugen ihre eigenen Magnetfelder, die nach dem Lenz’schen Gesetz der Änderung des ursprünglichen Magnetfeldes entgegenwirken. Diese Opposition kann zu Energieverlusten führen, da elektrische Energie durch die Begegnung mit elektrischem Widerstand im Material in Wärme umgewandelt wird.

Anwendungen von Eddy-Strömen

• Induktionsheizung: Eddy-Ströme können verwendet werden, um leitfähige Materialien in Induktionskochfeldern oder industriellen Prozessen zu erhitzen. Die induzierten Ströme erzeugen Wärme innerhalb des Materials und bieten eine schnelle und effiziente Heizmethode.
• Metalldetektoren: Eddy-Ströme werden in Metalldetektoren eingesetzt, um die Anwesenheit von Metallgegenständen zu identifizieren. Wenn ein Metallgegenstand in das sich ändernde Magnetfeld des Detektors eintritt, erzeugt er Eddy-Ströme, die wiederum ein sekundäres Magnetfeld erzeugen, das vom Gerät erkannt werden kann.
• Magnetische Bremsen: Eddy-Ströme können in Bremssystemen, wie sie in einigen Zügen und Achterbahnen zu finden sind, genutzt werden. Wenn ein leitfähiges Material (z.B. eine Metallplatte) durch ein Magnetfeld bewegt wird, entstehen Eddy-Ströme, die ein Magnetfeld erzeugen, das der Bewegung entgegenwirkt und das Material verlangsamt.

Eddy-Ströme und Energieverluste

In elektrischen Transformatoren und Motoren können Eddy-Ströme zu Energieverlusten und verminderter Effizienz führen. Um diese Verluste zu minimieren, besteht der Kern solcher Geräte oft aus laminierten Metallblechen, die den Fluss der Eddy-Ströme stören und deren Heizwirkung reduzieren.

Elektromagnetische Induktion

Die elektromagnetische Induktion ist ein fundamentales Prinzip im Elektromagnetismus, das den Prozess der Erzeugung eines elektrischen Stroms in einem Leiter durch Änderung des Magnetfelds um ihn herum beschreibt. Dieses Phänomen wurde zuerst 1831 von Michael Faraday entdeckt und später von James Clerk Maxwell mathematisch beschrieben.

Grundlegende Prinzipien der elektromagnetischen Induktion

Zu den Schlüsselprinzipien gehören:

• Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion: Entdeckt von Michael Faraday im Jahr 1831, besagt dieses Gesetz, dass die in einer geschlossenen Drahtschleife induzierte elektromotorische Kraft (EMF) direkt proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die Schleife ist. Mathematisch kann es ausgedrückt werden als: EMF = -dΦ_B/dt, wobei EMF die induzierte elektromotorische Kraft (in Volt), dΦ_B die Änderung des magnetischen Flusses (in Weber) und dt die Zeitänderung (in Sekunden) ist.
• Lenz’s Gesetz: Entdeckt von Heinrich Lenz im Jahr 1834, ist dieses Gesetz eine Konsequenz des Prinzips der Energieerhaltung. Es besagt, dass die Richtung der induzierten EMF und des resultierenden Stroms immer so sein wird, dass sie der Änderung des magnetischen Flusses, der sie verursacht hat, entgegenwirkt. Lenz’s Gesetz kann durch das negative Vorzeichen in der Gleichung von Faradays Gesetz dargestellt werden.