Wirbelstrom

Wirbelstrom bezeichnet kreisförmige elektrische Ströme, die in leitfähigen Materialien auftreten, wenn diese einem zeitlich veränderlichen magnetischen Feld ausgesetzt sind. Entstehen die Ströme durch das Faradaysche Induktionsgesetz, induziert eine Änderung des magnetischen Flusses durch den Leiter eine elektromotorische Kraft, die die Wirbelströme erzeugt. Nach dem Lenzschen Gesetz richten sich diese Ströme so aus, dass sie dem Änderungsfluss entgegenwirken. Die durch den Widerstand des Materials bedingten Verlustleistungen verwandeln sich in Wärme. In vielen Fällen erzeugt das konträre Magnetfeld der Wirbelströme zusätzlich eine Abstoßung oder Dämpfung des äußeren Feldes.

Eigenschaften und Abhängigkeiten: Die Verteilung der Wirbelströme hängt von Frequenz, Materialeigenschaften und Geometrie ab. Mit steigender Frequenz nimmt die Eindringtiefe der Ströme ab; dieser sogenannte Skin-Effekt führt dazu, dass Ströme überwiegend an der Oberfläche eines Leiters fließen. Die Eindringtiefe δ lässt sich grob beschreiben durch δ ≈ sqrt(2/(ω μ σ)), wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Feldes, μ die magnetische Permeabilität und σ die elektrische Leitfähigkeit des Materials ist. Höhere Leitfähigkeit und höhere Permeabilität verstärken Wirbelströme; größere Querschnitte oder komplexe Geometrien beeinflussen deren Verteilung maßgeblich.

Anwendungen: Wirbelströme werden in der Nichtzerstörungstests (Wirbelstromprüfung) eingesetzt, um Materialfehler, Korrosion oder Schichtdicken zu erkennen, da Defekte lokale Änderungen der Impedanz verursachen. Sie finden auch in der Induktionserhitzung Anwendung, wo metalldurchdringende Ströme Wärme erzeugen; in elektromagnetischen Bremsen und Dämpfungssystemen wirken sie als gegenläufige Kräfte. Darüber hinaus werden Wirbelströme in Metall-Detektoren genutzt und dienen in der Materialforschung der Charakterisierung von Eigenschaften.

Begrenzungen: Die Messung und Nutzung von Wirbelströmen erfordert berücksichtigte Geometrien, Materialunterschiede, Temperaturabhängigkeiten und magnetische Eigenschaften, da diese Faktoren Signale verfälschen oder die Empfindlichkeit beeinflussen.