Reibung – ein aktuelles Thema in Schule und Forschung

Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass Reibungsverluste nicht nur im Alltag, sondern auch für die Industrie im Hinblick auf Energiebilanzen von großer Bedeutung sind. Wie können wir Reibungsverluste kontrollieren? Diese Frage ist Gegenstand aktueller Forschung im Sonderforschungsbereich 1073. Um sie zu klären, muss Reibung auf der atomaren Skala verstanden werden. Hierzu werden Experimente mit einem Rasterkraftmikroskop (engl. Atomic Force Microscope, Abk. AFM) durchgeführt.

Zu Beginn des Kurses führen die Teilnehmenden ein Modellexperiment durch, das die grundlegende Funktionsweise eines AFMs zur Abbildung von Oberflächenstrukturen darstellt (s. Abb.). Danach wird die Reibungskraft zunächst makroskopisch und anschließend mikroskopisch mit dem AFM bestimmt. Darüber hinaus führen die Teilnehmenden Experimente zur elektrostatischen Aufladung bzw. Kontaktelektrizität durch und messen mit dem AFM ortsaufgelöst die Potentialdifferenz zwischen AFM-Spitze und Probenmaterial auf der Mikroskala (s. Abb.).

Experimente:

  • Modellexperiment – Funktionsweise eines AFMs
  • Experimente zur Bestimmung der Reibungskraft auf der Makroskala und auf der Mikroskala mit dem AFM
  • Experimente zur elektrostatischen Aufladung auf der Makroskala und ortsaufgelöste Messung der elektrostatischen Aufladung der Probe mit dem AFM auf der Mikroskala

Stichworte: 
Reibung, Energiebilanzen, Energieentwertung, Energieverluste, elektrostatische Aufladung, Kontaktelektrizität

Klassenstufe: Kl. 8-13
Dauer: 1 Tag

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AFM-Bild der Oberflächenstruktur des Polymers PS-b-PMMA (links). Durch den Kontakt von AFM-Spitze und Polymeroberfläche kommt es zu einem Ladungsaustausch, der in einem anderen Abbildungsmodus sichtbar wird (rechts).