Induktive Erwärmung

Induktionsofen Das Bild zeigt ein Modell eines Induktionsofens zur Erwärmung von leitenden Materialien. Zur Versorgung wird der 30W Röhren MW-Sender oder der 40W Transistor MW-Sender verwendet. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist deshalb etwa auf 1MHz eingestellt. Das eingebaute Messgerät dient zur optimalen Abstimmung der Generatorfrequenz auf die Resonazfrequenz des Schwingkreises.

Geschmolzenes ZinnWird in die Spule ein Stück Lötzinn gehalten, so schmilzt es bereits nach kurzer Zeit und tropft zu Boden, ohne das es die Spule auch nur berührt. Die Spule wird zwar auch etwas warm, aber durch die Wärmestrahlung allein könnte das Zinn nicht geschmolzen werden. Das kann man leicht beweisen, indem man das Zinn außerhalb der Spule hält. Dann wird es nicht einmal mehr warm. Im Spuleninneren müssen also sehr "heiße" Magnetfelder am Werk sein.

MPEG-Video 1053kBDas Video zeigt, wie ein Stück Zinn in der Spule schmilzt. Um mehr Material im Feld zu haben, wurde es am Ende umgebogen. Kurz nach dem Einschalten beginnt schon das Flussmittel zu verdampfen und dann schmilzt es zu einem Tropfen zusammen, der durch ausströmendes Gas zu rotieren beginnt. Am Ende tropft das geschmolzene Zinn zu Boden. Das Geräusch im Hintergrund ist das Anlaufen des Lüfters im Mittelwellensender.

Glühender DrahtAuch ein Stück Blumendraht beginnt zu glühen, schmilzt aber bei dieser kleinen Leistung noch nicht. Mit diesem Draht kann man sehr gut die Richtung der Feldlinien in der Spule sichtbar machen. Biegt man den Draht rechtwinkelig um und hält dieses Ende in die Induktionsspule, so beginnt nur der senkrechte Teil des Drahtes zu glühen. Der waagrechte glüht zwar durch die Wärmeleitung mit, aber ist um einiges schwächer, als der Rest des Drahtes. Das wird klar, wenn man bedenkt, dass sich im senkrechten Teil des Drahtes viel mehr Feldlinien bündeln, als im waagrechten Teil.


Theoretischer Hintergrund:
Durch die schnelle Änderung eines Magnetfeldes werden in allen leitenden Materialien sogenannte Wirbelströme induziert. Diese fließen innerhalb des Materials in einer annähernd kurzgeschlossenen Schleife und können dadurch sehr hohe Werte erreichen. Der Stromfluss verursacht am Innenwiderstand des Materials einen Spannungsabfall, wodurch Leistung umgesetzt werden kann.
Das Material erwärmt sich also ohne direkte Zuführung von Wärmeenergie von selbst.
Eine Induktionsanlage ist wie ein sekundärseitig kurzgeschlossener Lufttrafo zu betrachten. Das Übersetzungsverhältnis (Primärwicklungen) muss an die Leitfähigkeit des Schmelzgut angepasst werden, da diese immer nur eine Sekundärwindung besitzt. Wie beim Teslatrafo ist eine ausreichende Energieübertragung nur bei höheren Frequenzen möglich. Das beruht auf dem Induktionsgesetz, das besagt, dass die induzierte Spannung mit der Frequenz linear zunimmt. Das kann man folgendermaßen herleiten:

Aufbau und Funktion:
InnenansichtFür die Erzeugung starker Magnetfelder benötigt man hohe Ströme. Diese können vom HF-Generator nicht direkt geliefert werden. Deshalb wird mit der Spule ein Parallelschwingkreis aufgebaut. Im Resonanzpunkt entsteht dann eine Stromüberhöhung in der Spule und im Kondensator, wodurch ein Großteil des induktiven Blindstromes kompensiert wird, der nicht zur Erwärmung beiträgt.
Es ist wichtig, ausreichend großen Kondensatoren zu verwenden. Am besten schaltet man 12 Stück 10 nF MK-Kondensatoren mit mind. 1000V Spannungsfestigkeit parallel. Die Spannung wäre dabei gar nicht so wichtig, wenn die Kondensatoren mit dem Strom zurecht kommen. Große Kondensatoren halten meistens auch einen höheren Strom aus.
Um eine optimale Abstimmung zu erreichen, ist ein Voltmeter mit HF-Gleichrichter in das Gehäuse eingebaut. Damit stimmt man die Spule durch Ändern der Sendefrequenz auf maximale Leistung ab. Da sich der Resonanzpunkt bei Einbringen eines Materials in die Spule stark verschiebt, sollte so eine Abstimmanzeige unbedingt eingebaut werden. Oder man verwendet überhaupt einen anderen HF-Generator, der seine Resonanzfrequenz mit dem Lastkreis verändert. D.h. der Lastkreis muss Teil des frequenzbestimmenden Schwingkreises sein.
 
Induktionsspule: 5 Windungen mit 4mm² Cu-Draht auf 12mm Durchmesser 
Kondensatoren: insgesamt 120nF, bestehend aus Einzelkondensatoren im Bereich 10nF 
Resonanzfrequenz: ohne Schmelzgut ca. 900kHz 
Anzeigeinstrument:  Aussteuerungsanzeige aus einem Kassettenrecorder, Ge-Gleichrichterdiode, 65kOhm Vorwiderstand 

Vorschläge für weitere Versuche:
Schwebendes SchmelzgutDurch die Wirbelströme im Schmelzgut entsteht eine Kraftwirkung, die versucht das Material aus dem Spuleninneren herauszudrücken. Das ist das gleiche Prinzip, welches bei der Stoßmagnetisierung die Cu-Scheibe wegschleudert. Diese Kraft ist um so größer, je niedriger die Frequenz ist. Bei entsprechender Formgebung der Spule ist es möglich, das Schmelzgut im Spuleninneren schweben zu lassen. Die oberste Windung der Spule stellt dabei einen magnetischen Deckel dar, der verhindert, dass das Schmelzgut nach oben herausspringt.

Magnetfelder werden von uns im allgemeinen nicht wahrgenommen. Wir können nur ihre Auswirkungen auf die Materie beobachten. Diese sind im Fall der Induktionsschmelze so enorm, dass sogar eine Materialveränderung eintritt. Trotzdem besteht keine sichtbare Verbindung von Schmelzgut zur Induktionsspule. Das zeigt uns, wie stark Magnetfelder mit Raum und Zeit verbunden sind, die wir ja ebenfalls nur bedingt wahrnehmen können. Es gibt sicher noch viele unerforschte Erscheinungen im Magnetfeld, die uns noch verborgen sind.

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