Wirbelströme: Entstehung, Bremswirkung & Wirbelfelder

Die durch ein sich veränderndes Magnetfeld entstehenden elektrischen Wirbelfelder können in metallischen Körpern Ströme induzieren. Die Elektronen folgen dem elektrischen Wirbelfeld, was zu kreisförmigen Bewegungen führt. Ströme, die dadurch entstehen, werden deshalb Wirbelströme genannt.

Entstehung von Wirbelströmen

Wirbelströme entstehen immer dann, wenn Ladungen den elektrischen Wirbelfeldern folgen können, das heißt in einem Leiter. Sie werden durch den Widerstand des Leiters gebremst und wandeln so ein Teil der Energie in Wärme um.

Beispiel

Wenn eine Metallplatte durch ein räumlich begrenztes, konstantes Magnetfeld gezogen wird, dann ändert sich das Magnetfeld an den Rändern von null auf einen endlichen Wert. Das hat kreisförmige Ströme entlang der Ränder zur Folge.

Bemerkung: Der Effekt tritt an den Rändern auf, die sich parallel zur Bewegungsrichtung der Platte befinden, da sich da das Magnetfeld zeitlich ändert. An den Rändern, die senkrecht zur Bewegungsrichtung liegen, hat es nur eine räumliche Änderung des Feldes.

Bremswirkung

Die Wirbelströme selbst erzeugen wiederum ein Magnetfeld und es tritt Selbstinduktion auf, die nach dem Lenz'schen Gesetz der Änderung des Feldes entgegenwirkt. Die entgegengesetzten induzierten Magnetfelder führen zu einer Abstoßung und daher tritt im Fall des oben erwähnten Beispiels eine Bremswirkung auf.

• Die Bremswirkung kann verringert werden, indem man die Metallplatte mit Schlitzen versieht. Dadurch wird die Bewegung der Elektronen eingeschränkt.
  
• Durch mehrere voneinander getrennte Magnete kann die Bremswirkung erhöht werden, da es nun mehrere Übergänge gibt, die Wirbelströme erzeugen.

Beispiel

1. ​Züge auf Schnellfahrstrecken verwenden zusätzlich zu mechanischen Bremsen auch Wirbelstrombremsen. Dabei werden wie in der Abbildung oben mehrere Elektromagneten dicht über die Schienen gehalten. Die Bewegungsenergie des Zuges wird damit über die Induktion in Wirbelströme und durch den elektrischen Widerstand der Schienen in Wärmeenergie umgewandelt, die von der Schiene gut abgeleitet werden kann.
   
2. Auf Achterbahnen werden Bremsschwerter verwendet: Metallplatten, an denen sich die am Wagen angebrachten Permanentmagnete vorbeibewegen. Dadurch können die Wagen auch bei Stromausfall an der Endposition abgebremst werden.
   

Wirbelfelder

Auch wenn kein Leiter vorhanden ist, erzeugen elektrische Wirbelfelder über die Induktion magnetische Felder. Diese Felder ändern sich ständig, da sich die durch ändernde magnetische Felder entstandenen elektrischen Felder laufend ändern. Dadurch entsteht eine sich fortpflanzende Wechselwirkung der elektrischen und magnetischen Feldern, was eine elektromagnetische Welle zur Folge hat.

Beispiel

Das anschaulichste Beispiel einer elektromagnetischen Welle ist das sichtbare Licht.