Wirbelströme und Induktionsbremse

Bewegt sich ein ausgedehntes Metallstück durch ein Magnetfeld, wird in ihm nicht ein ordentlicher Ringstrom induziert, sondern flächige Wirbelströme. Nach der Lenzschen Regel bremsen sie die Bewegung, die sie erzeugt: berührungslos, verschleißfrei, geschwindigkeitsabhängig. Zwei klassische Versuche führen das vor: das Waltenhofen-Pendel (mit der entscheidenden Schlitz-Kontrolle) und der Magnetfall im Kupferrohr.

Wirbelströme sind beides: Verlustquelle (Transformatorkerne müssen geblecht werden) und Nutztechnik (Wirbelstrombremsen in ICE und Lkw, Dämpfung in Waagen, Induktionskochfeld, berührungsloses Sortieren von Metallschrott). Physikalisch sind sie die schönste Anwendung der Lenzschen Regel, inklusive messbarer Energiebilanz: Bewegungsenergie wird nachweislich zu Wärme im Metall.

Léon Foucault untersuchte die Ströme 1855 systematisch (im Französischen heißen sie bis heute courants de Foucault); Adalbert von Waltenhofen machte das Pendel zum Standard-Demonstrationsversuch. Moderne Züge bremsen mit exakt diesem Prinzip verschleißfrei aus hoher Geschwindigkeit.

Lass das Vollblech-Pendel durch den Polspalt schwingen: ohne Feld, mit schwachem und mit starkem Feld. Ersetze es durch das geschlitzte Blech und wiederhole. Notiere jeweils, nach wie vielen Schwingungen das Pendel praktisch steht.

Taucht das Blech in den Polspalt, wächst der Felddurchgang durch die eintauchende Blechzone rapide; beim Austauchen fällt er. Beide Änderungen treiben im Blech geschlossene Kreisströme, und nach Lenz bremsen deren Felder die Bewegung: beim Eintauchen abstoßend, beim Austauchen festhaltend, immer gegen die Bewegung. Erwartung: Das Vollblech bleibt im starken Feld fast schlagartig stehen („wie in Honig“).

Die Beweisidee steckt im Schlitzblech: Es hat gleiche Masse, Fläche und Aufhängung, aber die Schlitze zerschneiden jeden möglichen Stromwirbel. Bremst das Feld auch dieses Blech, wäre die Wirbelstrom-Erklärung falsch; schwingt es frei, ist der geschlossene Strompfad als Ursache dingfest gemacht.

Pendelstativ mit beiden Blättern, Elektromagnet mit regelbarem Netzgerät. Auslenkung standardisieren (fester Anschlagwinkel), damit die Abklingvergleiche fair sind.

Pendel über dem Polspalt; im eintauchenden Blech ein angedeuteter Stromwirbel mit Gegenfeld-Pfeil; daneben das Schlitzblech mit unterbrochenen Wirbeln.

Aufbau 1: Waltenhofen-Pendel, ein an einem Stab schwingendes Kupferblech, das zwischen die Pole eines starken Elektromagneten taucht; als Wechselblatt ein kammartig geschlitztes Blech gleicher Größe. Aufbau 2: senkrechtes Kupferrohr (etwa 1 m) und ein passender starker Neodym-Zylindermagnet, dazu ein unmagnetisches Vergleichsstück gleicher Masse und Form (Messing) und die Stoppuhr.

Schritt 1: Vollblech, Feld aus: aus Standardauslenkung loslassen, Schwingungen bis zum Stillstand zählen.

Schritt 2: Feld schwach (halber Spulenstrom): wiederholen. Feld stark: wiederholen.

Schritt 3: Schlitzblech einhängen, alle drei Feldstufen wiederholen.

Der Kontrast trägt die ganze Beweislast: Ohne Feld schwingen beide Bleche gleich lange (gleiche mechanische Dämpfung). Im Feld bricht das Vollblech dramatisch ein, bis zum Stillstand mitten im Spalt, während das Schlitzblech fast unbeeindruckt bleibt. Der kleine Resteffekt beim Schlitzblech passt ins Bild: In den schmalen Stegen können sich noch Mini-Wirbel schließen.

Deutung: Die Bremskraft entsteht durch im Blech zirkulierende Induktionsströme, die geschlossene Bahnen brauchen. Sie wächst mit der Feldstärke (Vergleich schwach/stark) und wirkt nur bei Bewegung: Das stehende Blech wird nicht festgehalten, sondern nur das bewegte gebremst.

Wo die Energie hingeht: Die Bewegungsenergie des Pendels wird über die Wirbelströme zu Wärme im Kupfer: dieselbe Bilanz wie beim warmen Thomson-Ring. Technisch ist das der Bauplan der Wirbelstrombremse und der Grund fürs Blechen von Trafokernen: Dort sollen die Wirbel gerade nicht fließen, also zerschneidet man ihre Bahnen, exakt wie im Schlitzblech.

Das Vollblech wird im Feld durch Wirbelströme bis zum Stillstand gebremst, das geschlitzte kaum: Die berührungslose Bremskraft entsteht durch geschlossene Induktionsströme im Material und wächst mit Feldstärke und Geschwindigkeit.

Der Vergleich lebt von gleichen Startbedingungen: