Wirbelstromfeld

Wirbelstromfeld bezeichnet in der Elektrodynamik die räumliche Verteilung induzierter Wirbelströme in einem Leiter infolge eines zeitlich veränderlichen Magnetfelds oder relativer Bewegung. Die Wirbelströme bilden kreisförmige Umläufe, die der Änderung des magnetischen Flusses entgegenwirken (Lenzsches Gesetz) und dadurch das Feld um den Leiter beeinflussen.

Ursache und Eigenschaften: Ein wechselndes Magnetfeld oder eine Bewegung des Leiters erzeugt in dem Material ein elektrisches Feld, aus dem sich Stromlinien bilden. Bei erhöhten Frequenzen konzentrieren sich die Ströme aufgrund der Hautwirkung näher an der Oberfläche des Leiters. Die Tiefe, in der signifikante Ströme fließen, wird als Hauttiefe δ beschrieben und hängt ab von δ ≈ sqrt(2/(ω μ σ)) für gute Leiter, wobei ω der Winkelgeschwindigkeit des Feldes, μ die Permeabilität und σ die elektrische Leitfähigkeit ist.

Mathematische Grundlagen: Aus den Maxwell-Gleichungen folgt ∇×E = -∂B/∂t und J = σE. Mit zeitabhängigen Feldern führt dies zu einer Diffusionsgleichung für das magnetische Feld, oft in Form von ∇^2B = μ σ ∂B/∂t. In sinusförmigen Feldern ergibt sich charakteristisch die Skin-Depth-Beziehung.

Anwendungen und Bedeutung: Wirbelstromfelder verursachen Verluste und Erwärmung in Kernen von Transformatoren und Maschinen (Eddy-Current-Losses). Sie werden gezielt genutzt in Induktionserwärmung, Bremselementen und in der zerstörungsfreien Prüfung (EDDY-Current-Testing, ECT) zur Detektion von Materialrissen, Korrosion oder Dickenänderungen durch Veränderung der Wirbelströme und Messung der daraus resultierenden Impedanzänderungen.