Elektromagnetisches Abstützen von Flüssigmetall-Tropfen

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In der Beschichtungsindustrie werden Metalle in einem wassergekühlten Tiegel durch Elektronenstrahlverdampfung geschmolzen. Dabei entstehen unerwünschte Wärmeverluste an den wassergekühlten Wänden durch Marangoni-Konvektion. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, sollte die radial nach außen gerichtete Schmelzenströmung gebremst und die Oberfläche in eine Kuppelform gebracht werden. Diese Verformung erfordert Lorentzkräfte, die durch ein elektromagnetisches Feld erzeugt werden. Die Analyse der Magnetfeldwirkung auf die Form und Stabilität der Oberfläche ist entscheidend. In dieser Arbeit wird ein Experiment vorgestellt, das ein einfaches System aus einer flachen Induktorspule und Flüssigmetall untersucht. Als Flüssigmetall kommt Galinstan, eine bei Zimmertemperatur flüssige Legierung aus Gallium, Indium und Zinn, zum Einsatz. Ein Tropfen Galinstan wird auf eine gewölbte Glasplatte gegeben und durch ein magnetisches Wechselfeld des Induktors verformt. Die Oberflächenkontur wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet und analysiert. Variationen in Induktorstrom, Tropfenvolumen und Frequenz werden untersucht. Bei Überschreitung eines kritischen Stroms wird der stabile Zustand instabil, und oszillierende Wellen bilden sich. Die Anzahl der Spitzen, die Modenzahl, und deren Abhängigkeit von kritischem Strom, Frequenz und Tropfenvolumen werden analysiert, wobei die Schwingungsfrequenz die theoretischen Vorhersagen bestätigt.