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Versuche

WALTENHOFEN'sches Pendel

Ziel des Versuchs

  • Demonstration der Funktionsweise einer Wirbelstrombremse
  • Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Form des Pendelkörpers und der Bremskraft
  • Diskussion von Vor- und Nachteilen der Wirbelstrombremsen im Einsatz

Versuchsaufbau Waltenhofensches Pendel

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Abb. 1 Aufbau eines Waltenhofenschen Pendels

Ein Pendel wird so aufgebaut, dass der Pendelkörper zwischen den beiden Polschuhen eines Elektromagneten hin und her pendeln kann. An das Pendel können verschiedene Pendelkörper wie ein Vollkreis, eine geschlitzte Kreisscheibe usw. gehängt werden. Die Pendelkörper sollten dabei aus Aluminium, Kupfer oder Messing (nicht ferromagnetisch) sein.

Durchführung

Zunächst lässt du das Pendel bei ausgeschaltetem Elektromagneten schwingen. Anschließend schaltest du den Elektromagneten ein. Dieses Vorgehen wiederholst du mit den verschiedenen Pendelkörpern.

Durchführung und Erklärung im Video

Beobachtung

Abb. 3 Aufbau, Durchführung und Beobachtung des zweiten Teilversuchs zum WALTENHOFEN'schen Pendel

Wenn du den Elektromagneten anschaltest, so wird das Pendel abgebremst. Wie stark das Pendel beim Durchschwung durch das Magnetfeld abgebremst wird, hängt dabei sehr stark von der Form des Pendelkörpers ab. Geschlossene Körper wie ein Vollkreis werden stark abgebremst. Ein geschlitzer Kreis oder eine kammförmige Metallplatte werden hingegen nur sehr schwach gebremst.

Erklärung der Bremswirkung

Phase 1: Pendel schwing in das Magnetfeld

  • Schwingt der Ring in den Elektromagneten, so ändert sich das Magnetfeld welches den Ring durchsetzt. Das Magnetfeld nimmt zu.
  • Dadurch wird im Ring eine Spannung induziert, die einen Induktionsstrom verursacht.
  • Nach der Lenzschen Regel ist dieser Strom so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung hemmt. Der Induktionsstrom fließt also so, dass er ein Magnetfeld bewirkt, das dem des Elektromagneten entgegengerichtet ist (der Induktionsstrom "versucht" den ursprünglichen, feldfreien, Zustand herzustellen).
  • Der Ring stellt nun einen stromdurchflossenen Leiter dar, der sich zum Teil im Feld des Elektromagneten befindet. Nach der UVW-Regel wirkt auf ihn eine Kraft entgegen der Bewegungsrichtung. Der Ring wird abgebremst.

Phase 2: Pendel ist vollständig im Magnetfeld

  • Befindet sich der Ring vollständig im Magnetfeld so wirkt auf ihn keine Kraft, da sich das Magnetfeld, welches den Ring durchsetzt, nicht ändert.

Phase 3: Pendel schwing aus Magnetfeld heraus

  • Schwingt der Ring aus dem Elektromagneten, so ändert sich das Magnetfeld welches den Ring durchsetzt. Das Magnetfeld nimmt ab.
  • Dadurch wird im Ring wiederum eine Spannung induziert, die einen Induktionsstrom verursacht.
  • Nach der Lenzschen Regel ist dieser Strom so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung hemmt. Der Induktionsstrom fließt also so, dass er ein Magnetfeld bewirkt, das dem des Elektromagneten entgegengerichtet ist (der Induktionsstrom "versucht" den vorangegangenen Zustand: "Magnetfeld durch Ring" wieder herzustellen).
  • Der Ring stellt nun wieder einen stromdurchflossenen Leiter dar, der sich zum Teil im Feld des Elektromagneten befindet. Nach der UVW-Regel wirkt auf ihn eine Kraft entgegen der Bewegungsrichtung. Der Ring wird abgebremst.

Wirbelstrombremse einer rotierenden Kreisscheibe

aufbau-wirbelstrombremse.jpg
Abb. 4 Wirbelstrombremse einer Kreisscheibe

Alternativ zum Waltenhofenschen Pendel kann auch eine leicht drehbare Kreisscheibe so zwischen den Polen des Elektromagneten positioniert werden, dass ein Teil der Kreisscheibe vom Magnetfeld durchsetzt werden kann (siehe Abb. 4).

Durchführung und Beobachtung

Auch hier versetzt du die Kreisscheibe zunächst bei ausgeschaltetem Elektromagneten in Rotation. Die Schreibe dreht sich fast ungedämpft. Nun schaltest du den Elektromagneten ein und kannst beobachten, dass die Rotation der Kreisscheibe stark abgebremst wird. Dabei fällt auf, dass die Bremswirkung zunächst sehr stark ist, mit abnehmender Rotationsgeschwindigkeit jedoch geringer wird.

Abb. 5 Entstehung von Wirbelströmen in einer rotierenden Scheibe im Magnetfeld

Auswertung

In der rotierenden Kreisscheibe entstehen bei eingeschaltetem Magnetfeld durch Induktion Wirbelströme. Die Kreisscheibe wird zu einem stromdurchflossenen Leiter. Dieser stromdurchflossene Leiter erfährt durch das äußere Magnetfeld eine bremsende Kraft.

Die bremsende Kraft wird mit abnehmender Rotationsgeschwindigkeit geringer, da bei langsamerer Rotation die auftretende Induktionsspannung geringer ist und damit auch die entstehenden Wirbelströme schwächer werden.

Beachte: In der Animation in Abb. 5 ist der technische Strom dargestellt.

Vor- und Nachteile gegenüber herkömmlichen Bremsen

Mithilfe von Wirbelstrombremsen können bei schnellen Bewegungen sehr große Bremskräfte erzeugt werden. Entsprechend kommen Wirbelstrombremsen z.B. zum Abbremsen von ICEs, bei Freefall-Towern oder bei Achterbahnen zum Einsatz. Weiterer Vorteil ist dabei, dass Wirbelstrombremsen reibungsfrei und damit auch praktisch verschleißfrei arbeiten. Wirbelstrombremsen müssen also nicht ständig ausgetauscht werden. Auch arbeiten Wirbelstrombremsen entsprechend leise.

Allerdings erzeugen Wirbelstrombremsen nur bei relativ schnellen Bewegungen und starken Magnetfeldern entsprechend große Bremskräfte. Als Feststellbremsen beim Parken sind Wirbelstrombremsen daher ungeeignet. In der Praxis werden meist Wirbelstrombremsen mit klassischen mechanischen Bremsen kombiniert.

Hinweis: Schöne Bilder und Videos zum Versuch mit dem Walthenhofenschen Pendel findest du auch auf den Seiten des Bildungsservers von Baden-Württemberg.