Cuando un imán permanente atrae algún objeto, digamos una bola de acero, la energía se convierte, por ejemplo, en energía cinética y calor cuando se produce la atracción, y acaban chocando. ¿Implica esto que se extrae energía del campo magnético y que el imán se agota, haciéndolo cada vez más débil por cada atracción magnética realizada?
(si la respuesta requiere explicaciones de Mecánica Cuántica, por favor, explíquela :))
No, no es necesario que los imanes permanentes pierdan energía interna o fuerza cuando se utilizan para realizar un trabajo. A veces pueden debilitarse, pero no tienen por qué hacerlo.
La energía necesaria para realizar el trabajo se extrae de la energía almacenada en el campo magnético (principalmente fuera de los imanes), $\int B^2/2$ Si los imanes se colocan en su lugar original, la energía se devuelve de nuevo al campo magnético. El proceso puede ser completamente reversible y, en la mayoría de los casos, lo es.
Imagina dos imanes (finos) en forma de disco con el Norte en la parte superior y el Sur en la inferior. Si los colocas uno encima del otro, el campo magnético en las proximidades de los discos es casi el mismo que el campo magnético de un disco: la misma fuerza, la misma energía total.
Sin embargo, estos dos discos se atraen porque si quieres separarlos en la dirección vertical, estás aumentando la energía. En concreto, si los separas a una distancia mucho mayor que el radio de la base del disco, el campo magnético total alrededor de los imanes parecerá dos copias del campo de un imán singlete y la energía se duplica.
Si los imanes están cerca, la energía magnética es $E$ Si están muy lejos en la dirección vertical, es $2E$ . Se puede considerar que esta energía dependiente de la posición es una forma de energía potencial (aunque hay algunos problemas con esta interpretación en el caso magnético cuando se consideran configuraciones más generales: en particular, una descripción de la energía potencial se hace imposible si se incluyen también las cargas eléctricas), energía potencial que es análoga a la gravitatoria. La energía potencial gravitatoria puede utilizarse para realizar un trabajo, pero puede recuperarse si se realiza un trabajo sobre ella (piensa en una presa de agua en la que se puede bombear agua hacia arriba o hacia abajo). Nada intrínseco tiene que cambiar en los objetos (agua) y lo mismo ocurre con los imanes.
Permítanme mencionar que para un pequeño imán con momento magnético $\vec m$ en un campo magnético externo mayor, la energía potencial es simplemente $$ U = -\vec m\cdot \vec B $$ Independientemente del campo magnético en otros puntos, la energía potencial viene dada simplemente por $\cos\theta$ a partir de la orientación relativa del momento magnético y del campo magnético externo (veces el producto de los valores absolutos de ambos vectores).
Eso es lo primero que he pensado, pero no se sostiene cuando comparamos esta solución con la del electroimán. Griffith muestra que el generador proporciona el trabajo extra. La fuerza magnética no funciona.
Se ha discutido en detalle en una pregunta anterior de Physics SE que no puedo encontrar ahora mismo. Es un concepto erróneo que los imanes nunca trabajan. Por supuesto que lo hacen. Sólo no hacen ningún trabajo cuando actúan sobre una partícula cargada sin momento magnético: la fuerza magnética de Lorentz es ortogonal a la velocidad, por lo que la velocidad no cambia. Pero los imanes hacen trabajo sobre los imanes, etc. Es muy transparente, por ejemplo, exactamente en el caso de una partícula con un momento magnético para el que se escribió la energía potencial anteriormente.
Una forma fácil de ver la respuesta es cambiar la pregunta de fuerzas magnéticas a fuerzas gravitacionales.
Cuando la Tierra atrae una bola de acero, la energía se convierte, por ejemplo, en energía cinética y calor. ¿Implica esto que la Tierra se agota, haciéndola cada vez más débil por cada atracción gravitatoria realizada?
Por supuesto que la gravedad de la Tierra no se "agota" atrayendo cosas. (¡De hecho, se hace más fuerte!) Se libera energía al juntar dos objetos gravitatorios, pero eso no contradice la conservación de la energía, porque se necesita gastar exactamente la misma cantidad de energía para volver a separarlos. Lo mismo ocurre con los imanes.
Yo tuve el mismo problema hace un par de meses. Si en lugar de un imán permanente se utiliza un electroimán, Griffith muestra que el generador proporciona la energía extra. Así que para un imán permanente es razonable suponer que la energía no se extrae del campo (si fuera el caso, el campo magnético funcionaría). Para un imán permanente, la fuente de energía más plausible es la reconfiguración del dominio magnético. En otras palabras, cada vez que se utiliza un imán permanente, éste pierde algo de energía.
No estoy de acuerdo con la sugerencia de que "cada vez que se utiliza un imán permanente se pierde algo de energía"; entre otras cosas porque un imán permanente no contiene ninguna energía en primer lugar. Como analogía, al "utilizar" el campo gravitatorio de la Tierra para realizar un trabajo, la Tierra no pierde "energía gravitatoria" (más bien lo contrario, de hecho)
I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.
