Wirbelströme

Wirbelströme sind elektromotorische Ströme, die in leitfähigen Körpern entstehen, wenn sich ein Magnetfeld zeitlich ändert oder ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird. Die Ströme fließen in geschlossenen Schleifen, die senkrecht zu den Feldlinien liegen; ihre Richtung folgt dem Lenzschen Gesetz, das der Änderung des magnetischen Flusses entgegenwirkt.

Ursache und Theorie: Eine sich ändernde magnetische Flussdichte Φ erzeugt eine elektromotorische Kraft EMF = -dΦ/dt, die in den leitenden Materialien Wirbelströme in lokalen Schleifen antreibt. Die resultierenden Gegenfelder dämpfen die Feldänderung und führen zu Energieverlusten im Material.

Eigenschaften: Die Stärke der Wirbelströme hängt von der Leitfähigkeit σ, der Geometrie, der Dicke und der Frequenz der Feldänderung ab. Bei höheren Frequenzen dominiert der Haut-Effekt, wodurch sich der Strom nur in eine dünne Randzone ausbreitet. Die Eindringtiefe δ beschreibt, wie tief das Feld wirkt, und liegt nahe δ = sqrt(2/(ω μ σ)). Die Energieverluste entstehen durch Joule-Wärme p = J^2/σ pro Volumen.

Folgen und Anwendungen: In Transformatoren, Motoren und Schaltanlagen verursachen Wirbelströme Verluste und unerwünschte Erwärmung. Designlösungen umfassen laminierte Eisenkerne, Bleche mit Isolierung sowie Schlitze oder filigrane Bauweisen, um Wirbelströme zu begrenzen. Praktisch genutzt werden Wirbelströme unter anderem in der Induktionserwärmung und -härtung, der nicht zerstörenden Werkstoffprüfung (Eddy-Current Testing), Metalldetektoren und elektromagnetischen Bremsen in Zügen.