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gehe zu: Wirbelströme Einführung Wirbelströme
sind Kreisströme, die in Metallplatten entstehen, wenn Induktionsprozesse
innerhalb dieser Platten ablaufen. Diese Phäno- mene
hängen eng mit der Lenzschen Regel zusammen, weshalb es sinnvoll
ist, sich das entsprechende Kapitel dazu genauer anzusehen. Da es
sich um Induktionsprozesse handelt, kann es auch hilfreich sein, das Kapitel zur Induktion erneut zu
studieren. Zu Beginn werden wir einige
Experimente zum Thema durchführen und diese im Anschluss erklären.
Im weiteren Verlauf werden wir zudem praktische Anwendun- gen wie
z. Bsp. die Wirbelstrombremse behandeln. Experimente Waltenhofensches Pendel Der Standardversuch im Unterricht ist das Waltenhofensche Pendel. Aufbau: Der Aufbau ist recht einfach. Hier sieht man zwei Beispiele, die sich sehr ähneln. Kurze Beschreibung: liche Pendelkörper befestigt werden können. Diese Pendelkörper be- stehen aus einem nicht magnetisierbaren Material, üblicherweise Alu- minium. Die schwingenden Objekte können entweder Vollplatten oder geschlitzte Scheiben sein. Die Pendelkörper schwingen in einem Be- reich, in dem Magnetfelder wirken können. Konkret ist dies hier der Raum zwischen den Polschuhen. Das Magnetfeld lässt sich über einen Schalter ein- und ausschalten. Versuchsablauf: Kurze Beschreibung: Die Vollplatte wird beim Einschalten des Magnetfeldes stark abgebremst, die Schlitzplatte erfährt kaum eine Abbremsung Erklärung Im Kern
handelt es sich um den Induktionsfall 1. Teil: Man bewegt eine
Leiterschleife in ein Magnetfeld. Hier sieht man noch einmal unsere früheren
Überlegungen dazu.
Erläuterung: Sowohl beim Eintritt (rechts) als auch Austritt (links) treten aufgrund der Bewegung der Elektronen
mit dem Leiter Lorentzkräfte auf, die die Elektronen im Leiterteil innerhalb des B-Feldes nach oben bewegen lassen. Da ein geschlossener Leiter vorliegt, entsteht da- durch ein Stromfluss (technische Stromrichtung) im Leiter. Dieser Stromfluss führt wiederum zu einer Lorentzkraft, die den Leiter ab- bremst. Nur für Teile innerhalb des Magnetfeldes trifft
dies nicht zu. Die Aluminiumplatte
ist allerdings so groß, dass immer auf Teile Ab- bremsung
ausgeübt wird. Die Platte bleibt schließlich durch die Ab- bremsung
stehen. Man stellt sich jetzt die Vollplatte aus vielen solcher Leiterteile zusam- mengesetzt vor, so dass innerhalb der eintretenden Teile und austre- tenden Teile Lorentzkräfte auftreten, die zu Stromflüssen führen, die wiederum Lorentzkräfte hervorrufen, die im Einklang mit der Lenzschen Regel zur Abbremsung führen. Da wir eine Vollpatte und keine Einzelleiterschleifen vorliegen haben, bilden die Ströme eher eine Ringform
aus. Diese werden auch Wirbel- ströme genannt. Das sieht dann wie folgt aus:
Auf die blaue Metallplatte wirken insgesamt abbremsende Kräfte. Bei der geschlitzten Platte bilden sich wegen des begrenzten Raumes nicht so gut Wirbelströme aus. Schiefe Ebene Ohne großen Aufwand kann man auch folgenden Versuch im Unter- richt durchführen: Man bildet mit Materialplatten eine schiefe Ebene und lässt darüber einen Magneten rutschen. Bei einer Kunststoffplatte oder Holzplatte rutscht der Magnet schnell herunter, bei einer Metall- platte geht es viel langsamer. Bei einer Kupferplatte langsamer als bei Aluminium. Der Versuch sieht also folgendermaßen aus:
Quelle: Uni Göttingen Erklärung: Unser Problem ist, dass sich jetzt das Magnetfeld bewegt. Wir also Magnetfeldänderung in Leiterschleifen hätten und somit wären wir beim Induktionsgesetz 2. Teil, bei dem nicht mehr mit Lorentzkräften argu- mentiert werden kann. Man kann sich aber hier eines Tricks bedienen, da ja wieder Bewegung vorliegt. Man wechselt einfach das Bezugssystem und geht davon aus, dass der Magnet ruht. Dann kann man alles mit dem ersten Ver- such beschreiben. Die Bewegung des Magneten nach unten, entspricht somit dem Einschieben der Leiterschleife in das Magnetfeld im unteren Bereich, während im oberen Bereich sich die Leiterschleife aus dem B-Feld bewegt. Es treten also Kräfte auf, die die Bewegung der Platte nach oben behindern wollen. Oder vom Magneten aus betrachtet: Der Magnet soll sich nicht so schnell nach unten bewegen. Zu dem Versuch gibt es auch ein Video im Netz, was im Folgenden zu sehen ist.
Quelle: Uni
Konstanz Fallrohre Ein Versuch, der dem der schiefen Ebene sehr ähnelt, ist der Fall eines Magneten durch verschiedene Rohre. Der Versuch ist so „spektakulär“, dass er sicherlich auch in einer Physikshow gezeigt werden könnte. Die Physikanten haben z.B. einen solchen Versuch im Programm. Hier wieder ein Ausschnitt aus dem Video von Benno Köhler:
Quelle: Ausschnitt
aus Video 1 (Liste) Da der Versuch dem der schiefen Ebene sehr ähnelt, kann die Erklär- ung von dort übernehmen werden. Drehende Scheibe Ein weiterer Versuch, der in diese Reihe von Experimenten passt, ist eine drehende Metallscheibe, die durch ein Magnetfeld abgebremst wird. Im Folgenden sieht man dazu zwei Videos (einmal ohne Magnetfeld, das andere Mal mit Magnetfeld). Der Aufbau wurde von einem meiner Schüler als Facharbeit angefertigt.
Anwendungen Wirbelstrombremse Wie man
aus den Experimenten entnehmen kann, bietet es sich an, die
Wirkung der Wirbelströme zur Abbremsung von Gegenständen zu 1. Free Fall Tower Beim Free Fall Tower muss nach dem freien Fall eine Bremsung der Gondel stattfinden. Diese Bremsung soll natürlich unter allen widrigen Umständen (Stromausfall usw.) erfolgen. Hierzu sind unter der Gondel größere Dauermagnete angebracht. Im unteren Drittel des Towers gibt es breitere Metallpatten, sogenannte Bremsschwerter, die von den Dauermagneten umfasst werden. Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau:
Um die Abbremsung
noch angenehmer zu machen, können die Brems- schwerter
in unterschiedlicher Höhe angebracht sein. Die Gondel kann durch
Induktion nie vollständig zum Stillstand kommen, sondern ganz zum Schluss
muss noch eine mechanische Bremsung einsetzen. Da die
Wirbelstrombremse immer aktiv ist, sobald sich die Gondel im unteren
Bereich des Turms bewegt wird, muss beim Anheben der Gondel
gegen die Bremse gearbeitet werden. Die Geschwindigkeit nach
oben ist aber recht gering, so dass die Bremswirkung nicht groß ist. Dieses
Prinzip vom Free Fall Tower wurde auch für die Abbremsung von
Achterbahnen übernommen (Link:
Achterbahnbremse). Die folgende Abbildung zeigt einmal die Permanentmagnete der Achter- bahn „Goliath“, durch die die Schwerter sich bewegen.
Quelle: wikipedia Liegen Katapult-Achterbahnen vor, müssen die Schwerter bzw. Mag- nete, wenn sie sich in der Beschleunigungsstrecke befinden, während der Beschleunigung weggeklappt werden, weil sie sonst durch ihre Ab- bremsung den Beschleunigungsprozess behindern. Bei Katapult-Achterbahnen sind übrigens häufig wegklappbare Wirbel- strombremsen in der Bescheunigungsstrecke oder kurz danach nötig, weil es vorkommen kann, dass bei widrigen Verhältnissen der erste Hügel nicht überwunden wird und der Zug dann zurückrollt. Man spricht dann von einem „rollback“, der nicht selten vorkommt. (Rollback-Video) 2. ICE 3 Der
schnellste ICE der Deutschen Bahn verfügt als einziger ICE neben anderen
Bremssystemen über eine Wirbelstrombremse. Diese Bremse hat
folgendes Aussehen und kann leicht mit der Magnetschienen- bremse
verwechselt werden.
Im
Aufbau liegen mehrere Elektromagnete vor, die so ausgerichtet sind, dass
abwechselnd unterschiedliche Pole auftreten. Wenn den Elektro- magneten
Strom zugeführt wird, treten Wirbelströme in den verlegten Schienen
auf, die zur Abbremsung (ähnlich Free Fall Tower) führen. Der
Bremsblock wird dabei so abgesenkt, dass er ca. 5 - 7 mm Abstand zur
Schiene aufweist. Da das
ganze System berührungsfrei funktioniert, kann der Bremsvor- gang
auch bei nassen Schienen oder Herbstlaub auf den Schienen gut funktionieren.
Außerdem ist der Betrieb verschleißfrei. Man kann durch die
Stromzufuhr zu den Elektromagneten die Bremswirkung beeinflus- sen.
Probleme ergeben sich durch die Erwärmung, was zu Verwerfun- gen an
den Gleisen führen kann. Störungen der Sicherheitstechnik (Achszählkontrolle)
können auch möglich sein. (Link
zu einer Broschüre, die umfangreiche Informationen zum ICE liefert) Bei
vielen Ergometern (Fahrradtrainer, Rudergerät, Laufband) werden Wirbelstrombremsen
zur Leistungseinstellung benutzt. Das Magnet- feld
kann durch feste Magnete oder Elektromagnete erzeugt werden. Bei
Dauermagneten wird der Abstand zur Schwungscheibe oder die Stellung
der Magnete zueinander geändert (s. Videos). Beim Elektro- magneten
kann man einfach die Stromstärke ändern. Im
Folgenden zunächst ein Ausschnitt aus dem Benno Köhler Video zu einem
Hometrainer mit Änderung der Magnetstellung.
Quelle: Ausschnitt aus Video 1 (Liste) Die
nächsten Videos zeigen Fahrradergometer mit Änderung des Abstandes
von Magneten oder Stromstärkeänderung eines Elektro- magneten. 1.
Video: Abstand der Magnete zur Schwungscheibe ändern
2.
Video: Stromstärke des Elektromagneten ändern
4. Sonstige Anwendungen In der
Literatur werden häufig noch weitere Anwendungen genannt: Wirbelstromabscheider
in der Mülltrennung, induktives Laden (Handy, Zahnbürste
usw.), Induktionskochfeld, Metalldetektor und Magnetumfor- mer. Ein
Großteil dieser Anwendung benutzt auf der Primärseite Wechsel- strom,
so dass ich diese Anwendungen lieber beim Thema „Transfor- mator“
behandeln möchte. Die
einzige Ausnahme ist der Wirbelstromabscheider. Er
dient dazu nicht
ferromagnetische Metalle aus dem Abfall zu gewinnen. Hierzu wird der
Müll über eine rotierende Walze geführt, in der viele Dauer- magnete
abwechselnder Polung kreisförmig angeordnet sind. In den nicht
ferromagnetischen Metallen entstehen Wirbelströme, die wegen der Lenzschen Regel ein Magnetfeld erzeugen, welches zu einer
Ab- stoßung
vom Primarmagnetfeld führt, so dass diese Materialen wegge- schleudert
und in einem Behälter aufgefangen werden.
Video hierzu: Abscheidung von ferromagnetischen und nicht ferro- magnetischen Metallen
Hier eine Abbildung zum Thema:
Quelle: Firma
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