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Wirbelströme: Induzierte Ströme in leitenden Materialien

Wirbelströme sind elektrische Ströme, die in leitenden Materialien auftreten, wenn diese einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt sind. Diese Ströme fließen kreisförmig in der Ebene des leitenden Materials und erzeugen ihr eigenes Magnetfeld, das dem ursprünglichen Magnetfeld entgegengesetzt ist. Das Phänomen wurde erstmals von dem französischen Physiker Jean-Bernard Léon Foucault im Jahr 1851 beschrieben, weshalb Wirbelströme auch als Foucault-Ströme bezeichnet werden.

Wie entstehen Wirbelströme?

Wirbelströme entstehen durch die **elektromagnetische Induktion**, einem Prinzip, das von Michael Faraday entdeckt wurde. Wenn ein leitfähiges Material in einem sich ändernden Magnetfeld liegt oder sich durch ein Magnetfeld bewegt, werden elektrische Spannungen im Material erzeugt. Diese Spannungen führen zu kreisförmigen Strömen, den sogenannten Wirbelströmen.

Die Stärke der Wirbelströme hängt von verschiedenen Faktoren ab:

  • Der Geschwindigkeit der Magnetfeldänderung
  • Der Leitfähigkeit des Materials
  • Der Geometrie des leitenden Materials

Negative Auswirkungen von Wirbelströmen

In vielen Anwendungen verursachen Wirbelströme unerwünschte Energieverluste, die als **Wirbelstromverluste** bezeichnet werden. Diese Verluste treten durch die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme auf und sind besonders problematisch in:

  • Transformatoren: Wirbelstromverluste im Kernmaterial führen zu Wärmeentwicklung und reduzieren die Effizienz.
  • Elektromotoren: Die Wärme, die durch Wirbelströme erzeugt wird, kann die Lebensdauer der Komponenten verringern.
  • Generatoren: Unerwünschte Ströme können die Energieumwandlung beeinträchtigen.

Reduzierung von Wirbelströmen

Um die Verluste durch Wirbelströme zu minimieren, werden in technischen Anwendungen verschiedene Maßnahmen ergriffen:

  • Laminierte Kerne: In Transformatoren und Elektromotoren werden die Kernmaterialien in dünnen Schichten, sogenannten Laminierungen, hergestellt, die elektrisch voneinander isoliert sind. Dies reduziert die Wirbelströme erheblich.
  • Verwendung von speziellen Materialien: Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie Ferrite, werden häufig eingesetzt, um Wirbelströme zu minimieren.
  • Optimierte Geometrie: Die Gestaltung der Komponenten kann so angepasst werden, dass die Flächen, in denen Wirbelströme fließen können, minimiert werden.

Positive Anwendungen von Wirbelströmen

Obwohl Wirbelströme oft als Verlustfaktor betrachtet werden, gibt es auch Anwendungen, bei denen sie gezielt genutzt werden:

  • Wirbelstrombremsen: Diese Bremsen nutzen die entstehende Wärmeenergie von Wirbelströmen, um Bewegungen zu verlangsamen, z. B. in Zügen oder Fitnessgeräten.
  • Induktionsheizungen: Hier werden Wirbelströme gezielt in einem Material erzeugt, um dieses schnell und effizient zu erhitzen.
  • Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung: Wirbelstromprüfungen werden verwendet, um Defekte oder Unregelmäßigkeiten in Materialien zu erkennen, insbesondere in der Luftfahrt und in der Fertigung.

Interessantes über Wirbelströme

Wussten Sie, dass Wirbelströme sogar in der Natur vorkommen? Wenn ein leitfähiges Material, wie ein Aluminiumring, in ein starkes Magnetfeld fällt, erzeugen die Wirbelströme eine Abstoßung zwischen dem Ring und dem Magneten. Dieses Prinzip wird in Experimenten oft verwendet, um die Grundlagen der elektromagnetischen Induktion zu demonstrieren.

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