Wirbelstrombremse


Das Funktionsprinzip


Eine nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Metallplatte wird von rechts nach links in die Nähe eines Magneten bewegt. Aus dieser Bewegung und der Richtung des Magnetfeldes resultiert nun eine nach oben gerichtete Kraft, welche auf die noch gleichmäßig in der Platte verteilten Elektronen wirkt.
Diese sogenannte Lorenzkraft wirkt nun jedoch auf die Elektronen, die sich näher an dem Magneten befinden, stärker als auf die, die weiter von ihm entfernt sind. Dadurch entsteht auf der dem Magneten zugewandten Seite ein starker Elektronenfluss nach oben.
Um den dadurch entstehenden Ladungsunterschied in der Kupferplatte auszugleichen, fließen die Elektronen auf der rechten Platten seite nach unten, da hier die Lorenzkraft geringer ist, als auf der linken Seite. Auf diese Weise entsteht eine wirbelförmige Elektronenbewegung im Uhrzeigersinn.
Diese Elektronenbewegung erzeugt nun wiederum ein Magnetfeld in der Kupferplatte, welches dem des Dauermagneten entgegenwirkt. Die Abstoßung dieser Magnetfelder wirkt gleichzeitig auch der Bewegungsrichtung der Kupferplatte entgegen und bremst diese somit ab.
Befindet sich die Platte nun genau vor dem Magneten, wirkt die Lorenzkraft auf die Elektronen in der rechten Plattenhälfte genau so stark, wie auf die in der linken Plattenhälfte. Es entstehen keine Wirbelströme mehr.
Beim Wiederaustritt aus dem Magnetfeld passiert nun genau das Gegenteil: Weil nun die rechte Seite stärker von dem Feld des Magneten durchsetzt wird, als die linke Seite, wirkt hier auch die Lorenzkraft auf die Elektronen stärker. Die Elektronen fließen also nach oben und erzeugen einen Ladungsunterschied.
Dadurch entsteht nun wiederum ein Wirbel, nun jedoch gegen den Uhrzeigersinn, welcher ein Magnetfeld erzeugt, das dem des Dauermagneten gleichgerichtet ist. Diese magnetische Anziehung wirkt nun der Bewegungsrichtung der Kupferplatte entgegen.

Die Kupferplatter wird also sowohl beim Eintritt, als auch beim Wiederaustritt aus dem Magnetfeld in ihrer Bewegung abgebremst. Die kinetische Energie wird nach dem Ohmschen Gesetz in thermische Energie umgewandelt.

Die Umsetzung

Für die Wirbelstrombremse mussten wir die Wagen so umrüsten, dass sie keine ferromagnetischen Materialien enthalten. Dafür ersetzten wir die Metallschrauben und Metallmuttern durch Schrauben und Muttern aus Plastik. Diese sind immer noch stabil genug und wesentlich leichter. Größere Probleme bereitete uns die Suche nach einem nichtmagnetischem Ersatz für die Edelstahlkugellager. Zuerst stießen wir auf die Möglichkeit, Keramikkugellager zu verwenden. Diese haben eine sehr geringen Reibungswiderstand, sind stabil und nicht magnetisch - allerdings kosten sie etwa 40€ pro Stück, was bei 48 Kugellagern doch etwas teuer gewesen wäre. Also recherchierten wir weiter und schrieben Firmen an, ob sie uns Plastikkugellager mit Glaskugeln sponsern würden. Vorherige Spekulationen, Plastikkugellager würden einen hohen Reibungswiderstand haben, erwiesen sich als falsch. Nachdem wir sie gründlich geölt hatten, liefen sie mindestens genau so gut, wie die Stahlkugellager. Auf dem nebenstehendem Bild ist ein aktueller Wagen zu sehen. Die Grundplatte besteht aus Aluminium und an den Seiten sind Kupferplatten mit Messingschrauben befestigt. Keines dieser Metalle ist magnetisierbar, sodass der Wagen nicht an den Magneten der Wirbelstrombremse hängen bleiben kann.
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