Ein Wirbelstrom ist ein wirbelnder elektrischer Strom, der in einem leitenden Metall wie Kupfer oder Stahl erzeugt wird, indem das Metall durch ein Magnetfeld oder ein Magnetfeld über dem Metall bewegt wird.
Die erzeugten Ströme erzeugen ihr eigenes Magnetfeld, wie jeder Strom, der durch einen Leiter fließt. Dieses neu erzeugte Magnetfeld wirkt dem ursprünglichen Magnetfeld, das die Ströme erzeugt hat, entgegen (es stößt es ab), wodurch ein Dämpfungseffekt entsteht.
Wirbelströme sind an der Oberfläche eines leitenden Materials am stärksten und fließen in kleinen Kreisen, die “Wirbel” im Strom darstellen, daher der Name “Wirbelstrom”.
Warum fällt ein Magnet langsam durch ein Kupferrohr?
Aufgrund der magnetischen Abstoßung tritt ein Dämpfungseffekt auf.
Wenn man einen starken Magneten in ein dickes Kupferrohr fallen lässt, scheint er deshalb langsamer zu fallen, als man erwarten würde. Was passiert hier also?
Nun, das ist keine Hexerei oder Magie, sondern Wissenschaft!
Während der Magnet fällt, verändert das ihn umgebende Magnetfeld ständig seine Position, und dieses sich bewegende Magnetfeld erzeugt den Fluss von Wirbelströmen auf der Oberfläche des Kupferrohrs.
Alle leitfähigen Materialien, auch Kupfer, erzeugen ihr eigenes Magnetfeld, wenn Strom durch sie fließt, weil Wirbelströme entstehen.
Während die Schwerkraft den Magneten durch das Rohr nach unten zieht, wirkt das von den Wirbelströmen erzeugte Magnetfeld dem vom Magneten erzeugten Magnetfeld entgegen und bremst es ab. Ein wirklich faszinierender Anblick!
Wie werden Wirbelströme genutzt?
Neben coolen Experimenten, Angebereien vor Freunden und YouTube-Videos gibt es viele praktische Anwendungen für Wirbelströme.
Wer schon einmal Achterbahn gefahren ist, hat Wirbelströme in Aktion gesehen, denn die elektromagnetischen Bremssysteme der Achterbahnen nutzen sie, um die Wagen abzubremsen. Da es keinen Kontakt zwischen den Bremsbacken oder -trommeln gibt, gibt es auch keinen mechanischen Verschleiß.
Auch Verkaufsautomaten nutzen Wirbelströme, um gefälschte Münzen zu erkennen. Wenn man eine Münze in einen Automaten einwirft, verbirgt sich hinter der glänzenden Vorderseite eine ganze Reihe wissenschaftlicher Prozesse. Wird eine gefälschte Münze in einen Automaten eingeworfen, passiert sie einen Magneten. Da die Falschmünze im Gegensatz zur echten Münze aus einem leitfähigen Material besteht, wird sie durch die in der Münze erzeugten Wirbelströme abgebremst und in einen Auswurfkanal abgelenkt.
Die wohl wichtigste Anwendung von Wirbelströmen ist der Einsatz in der Werkstoffprüfung. Da Risse in der Materialoberfläche die Bildung von Wirbelströmen in dem beschädigten Bereich verhindern, können Wirbelströme zum Aufspüren von beschädigtem oder gerissenem Material verwendet werden. Das ist besonders nützlich, wenn man Dinge wie Flugzeugflügel herstellt!
Wie man ein eigenes Wirbelstromexperiment durchführt
Um Wirbelströme zu demonstrieren, muss man kein Wissenschaftler oder Ingenieur sein. Alles, was man braucht, ist ein starker Neodym-Magnet und ein Rohr aus einem leitenden Material wie Kupfer. Das Video oben zeigt einen Neodym-Magneten mit einem Durchmesser von 23 mm und einer Dicke von 20 mm, der durch ein großes, dickes Kupferrohr fällt.
Wir glauben, dass ein dünneres Kupferrohr und ein ringförmiger Neodym-Magnet, wie in der Abbildung oben auf dieser Seite, eine bessere Möglichkeit wäre, Wirbelströme in Aktion zu zeigen.
Es ist wichtig, dass der Durchmesser des Kupferrohrs und der Innendurchmesser des Ringmagneten sehr ähnlich sind, so dass gerade genug Platz dazwischen ist, um den Ring über das Rohr zu schieben.
Versuchen Sie es mit unserem Neodym-Ringmagneten mit einem Durchmesser von 25 mm und einem Innendurchmesser von 16 mm, der sich ideal für die Verwendung mit einem Kupferrohr von 15 mm eignet. Wenn Sie Ihre Freunde oder Familie wirklich verblüffen wollen, können Sie die Demonstration mit einem nicht magnetisierten Neodym-Ringmagneten durchführen und zusehen, wie er direkt auf den Boden fällt.
Wenn Sie dann heimlich die beiden Ringe austauschen und den Vorgang mit dem Magneten wiederholen, werden Ihre Zuschauer fasziniert zusehen, wie der Magnet langsam das Rohr hinunterfällt!