Wie funktioniert eine Wirbelstrombremse – Experiment mit Magnetkugel und Alufolie

Schauen wir uns folgendes Experiment mit einer Magnetkugel und einer Alurolle an:

Eine Neodym-Magnetkugel mit einem Durchmesser von 20 mm und einem Gewicht von ca. 30 g wird durch eine senkrecht gehaltene Rolle mit Haushalt-Alufolie hindurchfallen gelassen.
Die Alurolle hat einen Innendurchmesser von ca. 25 mm. Sie ist somit so groß, dass sie die magnetische Kugel mechanisch nicht behindert und damit nicht bremst. Die Länge der Alurolle ist ca 300 mm
Nach den Gesetzen des freien Falls (s=1/2*g*t^2; s=Weg, g = Erdbeschleunigung, t=Zeit) ergibt sich für die Zeit, die die Kugel im freien Fall für die Strecke von 0.3m benötigt ca. 0.24s.
Die Reibungskräfte der Luft kann man aufgrund des Kugelgewichtes in diesem Experiment vernachlässigen.

Nun messen wir die Zeit, die die magnetische Kugel (Neodymmagnet) benötigt um durch die Aluminiumrolle hindurchzufallen.
Wir messen ca. 1.3 s und somit mehr als die 5-fache Zeit im Vergleich zum freien Fall der Magnetkugel.

Wie kommt es zu diesem Effekt?
Die Aluminiumfolie bestehend aus quasi reinem Aluminium ist nicht ferromagnetisch. Dies können wir leicht prüfen, indem wir testen, ob die Folie vom Neodymmagneten angezogen wird.
Dies ist in der Tat nicht der Fall.
Die Aluminiumfolie ist aber sehr wohl elektrisch leitend, was wir schnell mit einem Ohm-Meter bestätigen können.

Was passiert somit?
Die Erklärung ist relativ einfach. Das sich durch die Bewegung der Magnetkugel örtlich verändernde Magnetfeld erzeugt in dem elektrischen Leiter Alufolie gemäß des Induktionsgesetzes einen elektrischen Strom.
Genaugenommen handelt es sich um Wirbelströme, die kreisförmig durch das Aluminium laufen.
Diese Wirbelströme erzeugen nun ihrerseits wieder ein Magnetfeld, welches entgegengesetzt zum erzeugenden Magnetfeld der Magnetkugel ist. Aufgrund der entgegengesetzten Richtung der beiden Magnetfelder, ziehen diese sich an und die Magnetkugel wird durch das induzierte Magnetfeld versucht am Platz zu halten.
Das Resultat ist eine gebremst fallende Magnetkugel.
Da die Wirbelströme und damit das entgegengesetze Magnetfeld umso stärker ist, je schneller die Magnetkugel fällt, ergibt sich nach kurzer Zeit eine konstante Fallgeschwindigkeit, ganz im Gegensatz zu freien Fall, bei dem der fallende Körper stetig schneller wird.

Nach dem gleichen Prinzip funktionieren Wirbelstrombremsen in Fahrzeugen wie Bussen oder Zügen.

Möchte man dieses Magnetexperiment nachmachen, benötigt man einen starken Magneten, vorzugsweise einen Neodymmagneten. Ferritmagnete und die induzierten Wirbelströme, sowie das damit verbundene Magnetfeld sind deutlich schächer, wodurch der Bremseffekt ebenfalls deutlcih schwächer ausfällt.
Desweiteren sollte die Größe des Magneten so gewählt werden, dass ein nicht zu großer Abstand zwischen Magnet und Alufolie resultiert.

Man kann ein ähnliches Experiment auch mit einer Aluminiumschiene als schiefe Ebene durchführen. Hierbei lässt man einen Kugelmagnet entlang der schräggestellten Magnetschiene rollen.
Auch hier stellt man, auch ohne Messen der Zeit fest, dass die Kugel erheblich langsamer die Ebene hinabrollt, als dies normalerweise auf z.B. einer Holz- oder Kunststoffschiene der Falls wäre.
Die Erklärung für diesen Effekt ist der gleiche, wie oben beschrieben. Das in der Schiene durch die rollende Magnetkugel erzeugten Wirbelströme bauen ein Magnetfeld auf, welches die harabrollende Magnetkugel bremst.

Verwendete Magnetkugel: Magnetkugel Durchmesser 20 mm, N40 vernickelt, Haftkraft ca. 6 kg

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