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Dominique François Jean Arago (1768 - 1853) führte den ersten Wirbelstrom-Versuch durch. |
Nach Jean Bernard Leon Foucault (1819 - 1868) wurden die Wirbelströme auch als Foucault-Ströme bezeichnet. |
Karl Steinmetz (1865 - 1923) entwickelte Formeln zur Berechnung der Verluste durch Hysteresis und Wirbelströme. |
Die Wechselströme, die beim Induktionsherd im Boden des Kochgeschirrs erzeugt werden und diesen erhitzen, bezeichnet man als Wirbelströme. Der Unterschied zu "normalen" Wechselströmen besteht darin, daß Wirbelströme nur innerhalb des Leiters fließen, in dem sie induziert werden, und ihre Energie dort in Wärme umsetzen.
Wirbelströme entstehen in einem elektrischen Leiter entweder unter dem Einfluß eines magnetischen Wechselfelds (wie beim Induktionsherd) oder durch die Bewegung dieses Leiters in einem Magnetfeld (wie bei der Wirbelstrom-Bremse). - Denn aus physikalischer Sicht ist es für die Induktion gleichgültig, ob sich das Magnetfeld gegenüber dem Leiter oder der Leiter gegenüber dem Magnetfeld bewegt.
Den ersten Wirbelstrom-Versuch führte 1824 der französische Physiker Arago durch, als er beobachtete, daß eine Magnetnadel, die über einer rotierenden Kupferscheibe angebracht war, ebenfalls in Drehung geriet: Die Magnetnadel verursachte in der Kupferscheibe Wirbelströme, die einen Mitnahmeeffekt auf die Magnetnadel ausübten. Freilich wußte Arago noch nicht, wie dieser Effekt zustande kam.
1855 präzisierte der französische Physiker Foucault den Versuch Aragos und stellte fest, daß in elektrischen Leitern, die sich in einem starken Magnetfeld bewegen, elektrische Ströme hervorgerufen werden - eben die Wirbelströme, die aufgrund dieser Beobachtung lange Zeit als "Foucault-Ströme" bezeichnet wurden.
In den Anfängen der Elektrotechnik gab es große Probleme mit Wirbelströmen, die in den Eisenkernen der Transformatoren sowie den eisernen Spulenkörpern von Generatoren bzw. Elektromotoren auftraten. Sie verschlechterten nicht nur den Wirkungsgrad der Anlagen, sondern bewirkten auch eine schädliche Erwärmung der Bauteile. Man ging deshalb dazu über, die Spulenkörper nicht aus massivem Eisen zu konstruieren, sondern setzte sie schichtweise aus dünnen, voneinander isolierten Eisenplättchen zusammen. Denn schon Foucault hatte beobachtet, daß sich die Wirbelströme verringern, wenn man den betroffenen Leiter unterteilt.
Die Rechnung der Konstrukteure ging aber noch immer nicht auf: In den Eisenkernen der Transformatoren verschwand auf rätselhafte Weise mehr elektrische Energie und wurde in Wärme umgewandelt, als dies allein aufgrund der Wirbelströme hätte sein dürfen. Die Suche nach der Lösung dieses Rätsels führte Ende des 19. Jahrhunderts auf die Spur der "Hysteresis". So nennt man in der Physik allgemein eine Beziehung zwischen zwei Größen, die nicht eindeutig ist, weil sie von der Vorgeschichte abhängt. Und so war es auch bei den Eisenkernen der Transformatoren: Diese werden nämlich unter dem Einfluß des magnetischen Wechselfelds der Spulen magnetisiert, wobei die Magnetisierung nicht völlig zurückgeht, wenn das Magnetfeld seine Richtung im Takt der Wechselstrom-Frequenz wechselt. Es bleibt vielmehr ein Rest Magnetismus (Remanenz), der durch das nunmehr umgepolte Magnetfeld erst überwunden werden muß - und so verursacht die magnetische Hysteresis neben den Wirbelströmen zusätzliche Wärmeverluste.
Die Konstrukteure von Transformatoren und Generatoren bzw. Elektromotoren mußten viel mühevolle Entwicklungsarbeit leisten, ehe es ihnen gelang, die Verluste durch Wirbelströme und Hysteresis auf ein Minimum zu drücken und den Wirkungsgrad dieser elektrischen Maschinen bis nahe an hundert Prozent zu bringen. Bahnbrechend auf diesem Gebiet war vor allem der deutsch-amerikanische Ingenieur Karl Steinmetz, der entsprechende Formeln zur Berechnung der Verluste entwickelte.
Wirbelströme können aber auch nützlich sein. Der Mitnahmeeffekt, den bereits Arago an der Magnetnadel beobachtete, wird zum Beispiel zur Dämpfung von Schwingungen oder zur Erzeugung kuppelnder Drehmomente benutzt (Tachometer, Stromverbrauchszähler). Schon 1880 erfand der Physiker Adalbert von Waltenhofen die Wirbelstrombremse, bei der sich eine Scheibe aus Aluminium oder Kupfer zwischen den Polen eines Elektromagneten dreht und durch die in ihr erzeugten Wirbelströme abgebremst wird.
Ähnlich macht der Induktionsherd aus der Not unerwünschter Wärme die Tugend des elektrischen Kochens; denn hier ist die Wärme durch Wirbelströme und Hysteresis durchaus erwünscht und sogar der eigentliche Zweck der ganzen Vorrichtung.