Wirbelstrom
Wirbelströme entstehen, wenn man ein elektrisch leitfähiges Material wie z.B. Metall in einem Magnetfeld bewegt oder ein derartiges Material sich in einem zeitlich ändernden Magnetfeld befindet. Genauer gesagt entsteht ein Wirbelstrom, wenn sich der magnetische Fluss durch dieses Werkstück ändert.
Dabei wird in diesem Material aufgrund der hohen Beweglichkeit der freien Ladungsträger eine Spannung induziert. Es entstehen abhängig vom spezifischen elektrischen Widerstand in sich geschlossene Wirbelströme. Diese wiederum erzeugen nach der Lenzschen Regel ein der Ursache (also dem ursprünglichen Magnetfeld) entgegengesetztes Magnetfeld.
Anwendungen des Wirbelstromprinzips
Die wichtigste und verbreitetste Anwendung des Wirbelstromprinzips erfolgt in Drehstrom-Asynchronmotoren, deren Rotor ein Metallkäfig ist, in dem Wirbelströme durch das magnetische Drehfeld der Stator-Spulen induziert werden. Die Verkopplung des Stator-Drehfeldes mit dem Käfigläufer-Feld führt zur Drehbewegung des Rotors.
Weitere Anwendungen sind die Wirbelstrombremse bei Bahnfahrzeugen, die Wirbelstromdämpfung in Rastertunnelmikroskopen oder die induktive Erhitzung von Metall (z.B. in Schmelzöfen, Induktionsherden) und die Wirbelstromprüfung bei der zerstörungsfreien Materialprüfung und Materialcharakterisierung. Ferner haben auch einfache kleine Motoren einen Wirbelstrom-Antrieb sie die aus Aluminium bestehende Drehscheibe im Stromzählern nach dem Ferraris-Prinzip.
Wirbelstrom als verlustbehaftete Begleiterscheinung
Häufig ist der Wirbelstrom eine unerwünschte Begleiterscheinung, die zu Verlusten bei gleichzeitiger starker Erwärmung führen. Aus diesem Grund werden die Magnetkerne von Transformatoren und Elektromotoren nicht massiv gebaut, sondern aus einzelnen dünnen (einige Zehntelmillimeter), von einander elektrisch isolierten Blechen zusammengesetzt ("geblecht"). Die Orientierung der Blechpakete wird dabei so gewählt, dass die magnetischen Feldlinien nicht behindert werden, die Wirbelstrombahnen jedoch möglichst kurz ausfallen.
Weichmagnetische Werkstoffe werden also anwendungsbezogen (z.B. abhängig von der Arbeitsfrequenz) auch nach dem spezifischen elektrischen Widerstand ausgewählt, um die Wirbelströme zu minimieren. Blech für Großtransformatoren besteht z.B. aus 3% Silizium-Eisen (ρ = 0,4 Ω · mm²/m) statt aus Reineisen (ρ = 0,13 Ω · mm²/m).
Eine andere Gegenmaßnahme ist die Verwendung von gesinterten/gepressten weichmagnetischen Pulverwerkstoffen, bei denen die Pulverkörner einzeln isoliert sind. Hierbei bestimmt dann außer der Leitfähigkeit des Werkstoffes selbst, auch die Korngröße des Pulvers wesentlich das Auftreten von Wirbelströmen. Speziell Drosseln werden mit Pulverkernen verschiedener Legierungen und Korngrößen aufgebaut.