Mit Elektromagnetismus erklärbare Effekte

Mit den elektromagnetischen Grundlagen lassen sich verschiedene Effekte erklären, die in der Elektrotechnik eine wichtige Rolle spielen:

  • Wirbelstom

  • Skineffekt

Diese Effekte basieren auf dem Prinzip, dass wechselnde Magnetfelder in elektrischen Leitern Spannungen induzieren, die wiederum einen Strom treiben, wenn der Kreis geschlossen ist.

Wirbelströme

Wirbelströme entstehen, wenn großflächige elektrisch leitende Materialien einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt werden. Die induzierten Spannungen treiben einen Strom, der sich innerhalb der Metallfläche schließt und in scheinbar unkoordinierten Bahnen fließt. Die so erzeugte elektrische Energie wird in Wärme umgesetzt. Natürlich erzeugen diese Ströme ihrerseits ein magnetisches Feld, ein Effekt, den man sich in der Praxis in Wirbelstrombremsen zunutze macht. Auch klassische (analoge) Elektrizitätszähler arbeiten nach dem Prinzip des Wirbelstroms. Hier wird eine Aluminiumscheibe einem Magnetfeld ausgesetzt, dessen Stärke sich aus dem Stromfluss über die elektrischen Leitungen ergibt. Da die Spannung konstant ist, ist der Strom proportional der Leistung. In der Scheibe werden vom Magnetfeld elektrische Ströme induziert, die ihrerseits ein dem erzeugenden Feld entgegengesetztes Magnetfeld erzeugen. Auf diese Weise ist die Drehgeschwindigkeit der Messscheibe abhängig vom fließenden Strom und damit von der auf Nutzerseite umgesetzten elektrischen Leistung.

Skineffekt

Wirbelströme erklären auch den so genannten Skineffekt. Zur Erinnerung: Ein sich veränderndes magnetisches Feld induziert eine Spannung und treibt einen Strom. Dies geschieht auch innerhalb eines lang gezogenen Leiters, also innerhalb eines Drahtes. Man stelle sich innerhalb des Leiters eine Menge in gleicher Richtung fließender Teilströme vor. Diese werden natürlich von magnetischen Feldern umgeben, die ihrerseits im Leiterwerkstoff eine Spannung induzieren, die ihrer Ursache entgegen gerichtet ist. Infolge dessen entsteht ein Verdrängungseffekt von der Leitermitte hin an den Rand des Leiters. Da bedeutet, dass die Stromdichte eines Leiters bei einem Wechselstrom in dessen Zentrum geringer ist als an dessen Randbereichen. Wie stark der Verdrängungseffekt ist, hängt davon ab, wie hoch der fließende (Wechsel)Strom und wie hoch dessen Frequenz ist.

Der Skineffekt erklärt die Anordnung der Hochspannungskabel an Freileitungstrassen: Hier werden oft zwei bis vier Einzeldrähte für nur eine Phase geführt. Die einzelnen Leiter können so jeweils mit einem geringeren Querschnitt ausgeführt und transportieren nur einen Teilstrom. Damit wird die Wirkung des Skineffektes verringert und die Trasse kann größere Leistungen verlustfrei übertragen.

Auch Gleichströme erzeugen natürlich ein Magnetfeld, doch nur die Veränderung des magnetischen Feldes induziert eine Spannung. Aus diesem Grunde bilden sich bei Gleichstrom keine Wirbelstromfelder aus und es entsteht kein Verdrängungseffekt. Für die Übertragung großer elektrischer Leistungen ist also Gleichstrom die ideale Lösung. Dass sich ursprünglich hier der Wechselstrom durchsetzte, liegt im Ohm'schen Gesetz begründet, wonach ein großer Strom einen entsprechend großen Spannungsabfall an einem Widerstand, hier die Leitung, zur Folge hat. Entsprechend groß sind die Leitungsverluste bei der Übertragung großer Ströme. Wechselstrom hat den Vorteil, transformierbar zu sein. Die elektrische Leistung wird mit nur geringen Verlusten übertragen, wenn die Spannung sehr hoch ist und damit der Strom relativ klein gehalten werden kann. ZU Zeiten Edisons und Westinghouses war dies noch nicht realisierbar. Heute gibt es moderne Technologien, mit denen auch Hochspannungs-Gleichstromübertragungen (HGÜ) möglich sind, doch noch sind die Übertragungsnetze nicht konsequent auf diese Technologie umgerüstet worden.

(rs/02-2012)