Elektromagnetisches Abstützen von Flüssigmetall-Tropfen

In der Beschichtungsindustrie werden Metalle in einem wassergekühlten Tiegel mit Hilfe eines Elektronenstrahls geschmolzen und verdampft. Bei diesem Vorgang führt Marangoni-Konvektion im Inneren der Schmelze zu höchst unerwünschten Wärmeverlusten an den wassergekühlten Seitenwänden des Tiegels. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wäre es deshalb günstig, die radial nach außen gerichtete Schmelzenströmung zu bremsen und die Oberfläche als Kuppel auszubilden. Die zu dieser Verformung der freien Oberfläche erforderlichen Lorentzkräfte können durch ein elektromagnetisches Feld aufgebaut werden. Für die Realisierung dieser Technik es ist nötig, die Wirkung des Magnetfeldes, d.h. die Form und Stabilität der Oberfläche zu analysieren. In der vorliegenden Arbeit wird ein Experiment vorgestellt, bei dem ein einfaches System, bestehend aus einer flachen Induktorspule und Flüssigmetall, untersucht wird. Als Flüssigmetall wird Galinstan verwendet. Galinstan ist eine Gallium-Indium-Zinn - Legierung, die bei Zimmertemperatur flüssig ist und sich somit sehr gut für Experimente eignet, da keine Vorkehrungen für hohe Temperaturen getroffen werden müssen. Der Galinstantropfen wird auf eine gewölbte Glasplatte gegeben und mit dem von einem ringförmigen Induktor erzeugten magnetischen Wechselfeld verformt. Die Oberflächenkontur des Tropfens wird mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet. Die aufgezeichneten Daten werden mit Hilfe von Bildbearbeitungsverfahren analysiert. Im Experiment werden Induktorstrom, Tropfenvolumen und Frequenz verändert. Wird der Induktorstrom bis zu einem kritischen Strom 0A < I < Icrit erhäht, so wird der Tropfen zunächst statisch achsensymmetrisch zusammengedrückt. Bei überschreiten des kritischen Stromes I > Icrit wird dieser statische, symmetrische Zustand jedoch instabil und es bilden sich oszillierende Wellen entlang des Tropfenumfangs. Die Anzahl der Spitzen wird als Modenzahl bezeichnet. Die Abhängigkeit des kritischen Stromes, der Modenzahl und der Wellenamplitude wird über ein breites Spektrum der Frequenz und des Tropfenvolumens analysiert. Die Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz von der Modenzahl bestätigt die theorethische Vorhersage.