Wirbelströme: Detaillierte Übersicht, 5 wichtige Anwendungen

Hier werden wir uns mit Wirbelströmen befassen und was unter elektromagnetischer Dämpfung zu verstehen ist. Eine Änderung des Magnetflusses induziert jedoch auch Ströme in großen Leiterstücken, und ihr Strömungsmuster ähnelt dem von wirbelnden Wirbeln im Wasser.

François Arago, Mathematiker und sogar der 25. französische Premierminister, beobachtete die Wirbelströme erstmals 1824. Später entdeckte ein Physiker namens Foucault diese Ströme, die explizit als Wirbelströme bezeichnet werden.

Eine einfache Demonstration des Wirbelstroms

Die Ursache und Wirkung von Wirbelströmen kann, wie erwähnt, durch ein einfaches Experiment verstanden werden. Eine Kupferplatte schwingt wie Pendel.

Wirbelstrom
Wirbelstrom, Bild von - ChetvornoWirbelströme durch MagnetenCC0 1.0

Diese erzeugen Hindernisse in der Schwenkbewegung der Platte, und daher wird die Schwingbewegung gedämpft. Mit der Zeit kommt die Platte im Magnetfeld zur Ruhe. 

Dieser elektromagnetische Dämpfungseffekt kann verringert werden, indem der verfügbare Bereich für den Wirbelstromfluss verringert wird. Wenn wir also rechteckige Schlitze und Löcher in die Platte einführen können und die magnetischen Momente der induzierten Ströme von der von ihr eingeschlossenen Fläche abhängen, können wir die elektromagnetische Dämpfung verringern und die Platte schwingt freier.

KRAFT DER EDDY-STRÖME

Die Verlustleistung von Wirbelströmen kann ausgedrückt werden als:

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Woher,

P bezieht sich auf den Leistungsverlust pro Masseneinheit.

Bp bezieht sich auf die maximalen Magnetfelder.

d bezieht sich auf die Dicke.

f bezieht sich auf die Frequenz.

k bezieht sich auf eine Konstante.

ρ bezieht sich auf den spezifischen Widerstand.

D bezieht sich auf die Dichte.

Der Wirbelstrom wird durch Verwendung von Laminierungen im Metallkern verringert. Aus diesem Grund wird die Größe wesentlich verringert.

Da die Energiedissipation in Form von Wärme von Quadraten der Größe der Wirbelströme abhängt, wird der Wärmeverlust und anschließend der Energieverlust verringert. Energieverluste können weiter reduziert werden, indem dünnere Laminierungen mit Eisen oder Weicheisen mit sehr geringem Kohlenstoffgehalt und Drähte mit größeren Querschnitten verwendet werden.

Wirbelströme in einer Platte mit und ohne Laminierungen
Wirbelströme in einer Platte mit und ohne Laminierung, Bildnachweis - ChetvornoLaminierte Kernwirbelströme 2CC0 1.0

Hier ist ein einfaches Experiment, bei dem wir elektromagnetische Dämpfung feststellen können.

Zwei hohle dünne zylindrische Rohre mit der gleichen geometrischen Ausrichtung, aber eines aus Aluminium und das andere aus PVC-Rohr, werden vertikal geklemmt. Ein zylindrischer Magnet mit einem Durchmesser, der etwas kleiner als der Durchmesser des Zylinders ist, wird durch beide Rohre so fallen gelassen, dass sie die Innenwände der zylindrischen Rohre nicht berühren. Es dauert genauso lange, bis der durch das PVC-Rohr fallende Magnet aus dem Rohr herauskommt, wie wenn er ohne Rohr aus derselben Höhe fallen würde. Es dauert vergleichsweise länger, bis der Magnet im Aluminiumrohr aus dem Rohr austritt.

Dies ist auf die Wirbelströme zurückzuführen, die im Aluminiumrohr erzeugt werden und die dem sich ändernden Magnetfluss entgegenwirken, wenn sich der Magnet durch das Aluminiumrohr bewegt. Da PVC ein Isolator ist, werden darin keine Wirbelströme gebildet. Dieses Phänomen, bei dem eine Verzögerungskraft aufgrund der Wirbelströme die Bewegung eines Objekts einschränkt, wird als elektromagnetische Dämpfung bezeichnet.

ANWENDUNGEN VON EDDY CURRENTS

Obwohl Wirbelströme in einigen Anwendungen unerwünscht sind, gibt es viele Anwendungen, in denen Wirbelströme eine Notwendigkeit für ihre Arbeit sind. Einige von ihnen sind magnetisches Bremsen in Zügen, elektromagnetische Dämpfung, Induktionsofen, elektrische Leistungsmesser, Schweben, Identifizierung von Metallen, Vibrations- und Positionserfassung, Strukturprüfungen usw. Einige von ihnen wurden im Detail wie folgt erklärt:

  • Magnetbremsen in Zügen: Da wir wissen, dass die Züge ziemlich schwer sind und sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegen können, sollte das Bremssystem von Zügen daher sehr stark und sanft sein. Wirbelströme machen dies möglich. Stark Elektromagnete kann Wirbelströme in den Schienen induzieren. Da es keine Reibung gibt, da keine mechanischen Verbindungen vorhanden sind; Daher wird das Bremssystem sehr sanft. Allerdings wird diese Anwendung nur in einigen elektrisch angetriebenen Zügen eingesetzt.
  • Induktionsofen: Sie werden zum Schmelzen von Eisen, Stahl, Kupfer, Aluminium und anderen Edelmetallen zum Schweißen, Umformen oder zur Herstellung von Legierungen verwendet. In einem Induktionsofen erzeugt der Wirbelstrom sehr hohe Temperaturen, die zum Schmelzen der Metalle geeignet sind.
  • Elektromagnetische Dämpfung: Nur wenige Messgeräte wie Galvanometer nutzen die Wirkung von Wirbelströmen, um der Bewegung entgegenzuwirken. Sie haben einen festen Kern aus einem nichtmagnetischen, aber metallischen Material, in dem die Wirbelströme erzeugt werden, wenn die Spule schwingt, was wiederum der Bewegung der Spule entgegenwirkt und sie schnell in ihre Ruheposition bringt.
  • Abstoßende Effekte und Schweben: Wenn ein sich änderndes Magnetfeld angelegt wird, induziert es Wirbelströme, die das Verhalten einer diamagnetischen Abstoßung zeigen, aufgrund derer ein Metall oder ein leitfähiges Material eine Abstoßungskraft erfährt.

Weitere Informationen zur Wirbelstromanwendung finden Sie im Artikel über Wirbelstromprüfung, Wirbelstromsensor und Wirbelstrombremse.

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