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.
Wird
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.
Das
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.
Auch
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:
Für
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:
Durch 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.