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Die Wirbelstrombremse im Freifallturm
AFB IIEin Freizeitpark betreibt einen Freifallturm. Die Gondel fällt zunächst nahezu frei; im unteren Teil des Turms wird sie berührungslos abgebremst. Dazu sind am Gondelrahmen starke Permanentmagnete so angebracht, dass eine feststehende Kupferschiene mit geringem Abstand zwischen den Polen hindurchläuft (Material M1). Die Schiene besteht aus einem sehr gut leitenden, nicht ferromagnetischen Metall.
Beim Abbremsen erwärmt sich die Kupferschiene merklich. Die Bremse hält die Gondel jedoch nicht in der Endstellung fest; dafür sorgt eine zusätzliche mechanische Verriegelung.
M1Aufbau der Wirbelstrombremse (Querschnitt)
Die Magnete bewegen sich mit der Gondel nach unten, die Kupferschiene steht fest. Zwischen Magneten und Schiene besteht kein Kontakt.
- Erklären Sie mithilfe des Lenzschen Gesetzes, warum auf die Gondel eine bremsende Kraft wirkt, obwohl Magnete und Schiene einander nicht berühren.
- Begründen Sie, warum die Bremskraft umso größer ist, je schneller sich die Gondel bewegt.
- Erläutern Sie, woher die Energie stammt, die zur Erwärmung der Kupferschiene führt, und begründen Sie, dass der Vorgang mit dem Energieerhaltungssatz verträglich ist.
- Erklären Sie, warum die Wirbelstrombremse die Gondel in der Endstellung nicht halten kann, und bewerten Sie vor diesem Hintergrund die zusätzliche mechanische Verriegelung.
Hinweis zu Aufgabe a)
Betrachte ein kleines Stück der Kupferschiene, an dem der Magnet gerade vorbeifährt: Das Feld an dieser Stelle ändert sich. Überlege, welchen Strom das im Kupfer hervorruft, welches Magnetfeld dieser Strom erzeugt und wie dieses Feld nach Lenz gerichtet sein muss. „Erklären“ verlangt die vollständige Ursachenkette bis zur Kraft.
Hinweis zu Aufgabe b)
Je schneller sich der Magnet bewegt, desto schneller ändert sich das Feld an einer Stelle der Schiene. Überlege der Reihe nach, was das für die induzierte Spannung, für die Stärke der Wirbelströme und schließlich für die Kraft bedeutet.
Hinweis zu Aufgabe c)
Die Gondel wird langsamer und sinkt gleichzeitig ab. Frage dich, welche Energieformen dabei abnehmen und in welche Form sie übergehen. Für den zweiten Teil hilft die Überlegung, was passieren würde, wenn der Induktionsstrom die Bewegung unterstützen würde.
Hinweis zu Aufgabe d)
Schau dir an, wovon die Bremskraft nach b) abhängt, und setze den Grenzfall \(v=0\) ein. „Bewerten“ verlangt ein begründetes Urteil — hier nach sicherheitstechnischen Kriterien.