Robert Klatt
Guillaume Amontons hat 1699 ein Reibungsgesetz formuliert, laut dem die Reibungskraft proportional mit dem Anpressdruck zunimmt. Nun wurde experimentell bewiesen, dass dies für magnetische Materialien nicht gilt.
Konstanz (Deutschland). Leonardo da Vinci hat vor mehr als 500 Jahren die ersten Beobachtungen zu den physikalischen Gesetzen der Reibung gemacht. Die in der Physik noch heute geltenden empirischen Reibungsgesetze wurden 1699 von Guillaume Amontons formuliert, darunter ein Gesetz, laut dem die Reibungskraft proportional mit dem Anpressdruck zunimmt. Ob dies auch bei magnetischen Materialien, bei denen Reibungskräfte ohne mechanischen Kontakt, nur durch magnetische Interaktionen entstehen können, gilt, war in der Wissenschaft bislang umstritten.
Forscher der Universität Konstanz haben deshalb das global erste makroskopische Testsystem zur experimentellen Überprüfung des Reibungsgesetzes bei kontaktlosen, magnetischen Materialien entwickelt. Das Experiment nutzt einen Boden, auf dem kleine Magneten aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung fixiert sind. Die obere Fläche ist beweglich und ebenfalls mit kleinen Magneten besetzt, die sich frei drehen können, um ihre Polung anzupassen. In dem Experiment haben die Physiker die beiden Flächen mit unterschiedlichen Abständen zueinander bewegt und dabei die durch den Magnetismus entstandene Reibung gemessen.
Das Experiment zeigt überraschend, dass das physikalische Gesetz von Guillaume Amontons bei Magneten nicht gilt. Bei ihnen nimmt die Reibungskraft durch die Annäherung der Flächen nicht zu, sondern sie verläuft in einer gewölbten Kurve, bei der die Kraft bei einem mittleren Abstand am höchsten ist und bei kleineren und größeren Abständen abnimmt. Die magnetische Reibung unterliegt somit einem anderen Gesetz und ihre Reibungskraft nimmt nicht proportional mit einem geringer werdenden Abstand zu.
„Das steht in starkem Gegensatz zum Amontonsschen Gesetz, das besagt, dass der Reibungswiderstand proportional zum Andruck ist.“
Wie die Physiker erklären, liegt dies am Verhalten der beweglichen Magnete, die ihre Polung je nach Abstand zur gegenüberliegenden Fläche verändern. Wenn der Abstand größer wird, drehen die Magnete sich so, dass sie entgegengesetzt der benachbarten Magnete ausgerichtet sind. Diese antiparallele Anordnung verkleinert ihre abstoßenden Kräfte. Wenn der Abstand abnimmt, ist hingegen der Einfluss des Magnetfelds an der Bodenplatte größer und die Pole der drehbaren Magnete zeigen in die gleiche Richtung.
„Da alle Rotoren demselben Magnetfeld ausgesetzt sind, führt dies beim Gleiten zu einer kollektiven Drehung der Magnete und zu einer ferromagnetischen Ordnung.“
Bei einem mittleren Abstand zwischen den beiden Magnetschichten befinden sich die Kräfte in einem Gleichgewicht. Weil die Magnete dann den beiden widersprechenden Kräften ausgesetzt sind, bewegen sie sich kontinuierlich zwischen den zwei Zuständen und die Reibungskraft erreicht ihr Maximum.
„Wenn die magnetischen Inter- und Intraflächen-Interaktionen vergleichbar sind, wechseln die einzelnen magnetischen Rotoren in ungeregelter Weise zwischen ferromagnetischer und antiferromagnetischer Ordnung.“
Das Erstaunliche ist, dass die Reibung vollständig aus interner Umorganisation hervorgeht. gibt keinen Verschleiß, keine Rauheit und keinen direkten Kontakt. Die gesamte Dissipation entsteht allein durch kollektive magnetische Umordnungen.“
Laut den Forschern können die Ergebnisse genutzt werden, um die Reibung von magnetischen Materialien gezielt zu kontrollieren, etwa bei Anwendungen in mikro- und nanoelektromechanischen Systemen und in Steuerelementen.
Quellen:
Pressemitteilung der Universität Konstanz
Studie im Fachmagazin Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-026-02538-1
