Reibungsgesetz auf dem magnetischen Prüfstand

Einem gut 300 Jahre alten empirischen Gesetz zufolge nimmt die Reibungskraft proportional zum Anpressdruck zu. Unklar war jedoch, ob dieses Amontonssche Gesetz auch für magnetische Materialien gilt. In einem Experiment mit kleinen, beweglich auf einer Fläche angebrachten Magneten haben Forschende dies nun überprüft – mit überraschendem Ergebnis: Der Bewegungswiderstand nahm mit sich verringerndem Abstand zwischen den Flächen nicht stetig zu, sondern zeigte einen Höhepunkt bei mittlerem Abstand. Dies widerlegt das mehr als 300 Jahre alte Amontonssche Gesetz und zeigt, welche Rolle magnetische Interaktionen und konkurrierende Ordnungen dafür spielen.

Schon Leonardo da Vinci stellte erste Beobachtungen zu den Gesetzmäßigkeiten der Reibung an. Doch erst die 1699 von Guillaume Amontons formulierten Gesetze wurden zur Grundlage für die empirische Reibungsforschung. Das erste dieser Amontonssschen Gesetze bezieht sich auf die Reibungsfläche, das zweite konstatiert, dass die Reibungskraft proportional zum Anpressdruck steigt. Im Alltag zeigt sich dies beispielsweise daran, dass sich ein schweres Möbelstück weniger leicht verschieben lässt als ein leichtes. Als Ursache für dieses Verhalten gelten mikroskopische Verformungen der Kontaktflächen, durch die sich Zahl der Kontaktpunkte erhöht. Dies wiederum verstärkt den Bewegungswiderstand. Unklar war jedoch bisher, ob das Amontonssche Gesetz auch dann noch gilt, wenn die Bewegung starke interne Umordnungen auslöst – etwa in magnetischen Materialien. Bei diesen können Reibungskräfte auch ganz ohne Kontakt auftreten – durch rein magnetische Interaktionen der Materialien.

Maximum im mittleren Abstand statt stetiger Steigung

Um zu untersuchen, ob das Amontonssche Gesetz auch bei dieser kontaktlosen, magnetischen Reibung gilt, haben Hongri Gu von der Universität Konstanz und seine Kollegen erstmals ein makroskopisches Testsystem dafür entwickelt. Es besteht aus einer unteren Fläche, in die zahlreiche Minimagnete aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung eingelassen sind. Jeder der kleinen Magnetwürfel ist vier Millimeter groß. Die obere Fläche ist so angebracht, dass sie seitlich über die untere Fläche gleiten kann und ihr Abstand dabei variiert werden kann. Auf ihrer Oberfläche sitzen ebenfalls Minimagnete aus der Neodym-Eisen-Bor-Legierung. Diese sind jedoch ringförmig und beweglich angebracht. Dadurch können sich die Magnete drehen und so ihre Polung frei anpassen. Eine Kamera zeichnet die Bewegungen und Anordnung dieser farbkodierten Magnete auf, während sich die Flächen in unterschiedlichen Abständen gegeneinander verschieben. Die magnetischen Wechselwirkungen der Magnete in beiden Flächen erzeugen dabei eine klar messbare Reibungskraft.

Die Messungen zeigten Überraschendes: Entgegen den Erwartungen stieg die Reibungskraft nicht stetig mit zunehmender Annäherung der Flächen an. Stattdessen ergab sich eine deutlich gewölbte Kurve: Bei kleinen und großen Abständen war die Reibung vergleichsweise gering. Bei mittleren Abständen der beiden magnetischen Flächen erreichte sie dagegen ein Maximum. “Das steht in starkem Gegensatz zum Amontonsschen Gesetz, das besagt, dass der Reibungswiderstand proportional zum Andruck ist”, schreiben Gu und seine Kollegen. In diesem Fall entspricht der Andruck der Intensität der magnetischen Anziehungen zwischen den beiden Testflächen. Das Experiment zeigt, dass die Reibungskraft bei einer solchen magnetischen Interaktion durch andere Mechanismen geprägt wird. „Aus theoretischer Sicht ist besonders bemerkenswert, dass die Reibung hier nicht aus einem direkten Oberflächenkontakt entsteht, sondern aus der kollektiven Dynamik magnetischer Momente“, erläutert Co-Autor Anton Lüders von der Universität Konstanz, der ein theoretisches Modell für diesen Prozess entwickelt hat.

Konkurrierende Einflüsse

Den Grund für die Abweichungen zum Amontonsschen Gesetz enthüllten die Auswertung der Kameraaufnahmen und begleitende Modellsimulationen. Sie zeigen, dass sich die Anordnung der beweglichen Magnete in der oberen Fläche je nach Abstand zur unteren auf charakteristische Weise verändert. Ist der Abstand groß, überwiegen in der oberen Fläche die abstoßenden Kräfte zwischen den beweglichen Magneten. Dadurch drehen sie sich so, dass die Pole benachbarter Magnete entgegengesetzt ausgerichtet sind. Sie sind antiparallel oder physikalisch ausgedrückt antiferromagnetisch angeordnet. Ist der Abstand der Magnetflächen dagegen gering, überwiegt der Einfluss der fixierten unteren Magnetfläche. “Da alle Rotoren demselben Magnetfeld ausgesetzt sind, führt dies beim Gleiten zu einer kollektiven Drehung der Magnete und einer ferromagnetischen Ordnung”, erklärt das Team. Alle drehbaren Magnete zeigen dann in die gleiche Richtung.

Doch bei mittlerem Abstand der beiden Flächen bricht diese Ordnung auf. Weil dann der Einfluss der Nachbarmagneten und der unteren Fläche fast gleich stark sind, gerät das System in einen instabilen Zustand. “Wenn die magnetischen Inter- und Intraflächen-Interaktionen vergleichbar sind, wechseln die einzelnen magnetischen Rotoren in ungeregelter Weise zwischen ferromagnetischer und antiferromagnetischer Ordnung”, berichten Gu und sein Team. Diese ständige Neuorganisierung während des Gleitens verbraucht Energie und verursacht dadurch das Reibungsmaximum bei mittlerem Abstand.

Die Ergebnisse klären damit die Frage, ob auch magnetische Reibung dem Amontonsschen Gesetz gehorcht. “Das Erstaunliche ist, dass die Reibung vollständig aus interner Umorganisation hervorgeht“, sagt Seniorautor Clemens Bechingervon der Universität Konstanz. „Es gibt keinen Verschleiß, keine Rauheit und keinen direkten Kontakt. Die gesamte Dissipation entsteht allein durch kollektive magnetische Umordnungen.“ Wie die Physiker erklären, könnten ähnliche Effekte auch in atomar dünnen magnetischen Materialien auftreten, in denen bereits kleinste Verschiebungen die magnetische Ordnung beeinflussen. Sie eröffnen neue Möglichkeiten, Magnetismus und Reibung magnetischer Materialien gezielt zu kontrollieren. Potenzielle Anwendungen reichen von mikro- und nanoelektromechanischen Systemen über Magnetlager, adaptive Dämpfer und kontaktlose Steuerelemente.

Quelle: Hongri Gu (Universität Konstanz) et al., Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-026-02538-1

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar