Energía magnética

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¿Qué es la energía magnética?

La energía magnética es la energía de un campo magnético. En cada imán permanente se almacena una cierta cantidad de energía magnética. Esta determina la calidad del imán. Cuando un imán atrae una pieza de hierro, se realiza un trabajo y la energía magnética se reduce exactamente en ese valor. Sin embargo, vuelve a aumentar cuando se vuelve a retirar la pieza de hierro.

Cuanto mayor es la energía magnética de un imán, mayores son las fuerzas magnéticas. La energía magnética se mide con el producto energético.

Índice

La energía magnética es una forma común de energía en física; se entiende como la energía contenida en un campo magnético. Para generar un campo magnético hay que realizar un trabajo, el cual está contenido en el campo magnético como energía. Puede considerarse como el trabajo necesario para alinear todos los imanes elementales del material en paralelo, es decir, el trabajo necesario para girar los espines atómicos. Los imanes elementales alineados en paralelo presentan a su vez una cierta energía potencial, es decir, energía magnética.

La cantidad de energía magnética almacenada en un imán después de que los imanes elementales se hayan alineado en paralelo depende del material. El valor de esta energía es proporcional al área bajo la curva de histéresis.

Producto energético como medida de la energía magnética

La energía magnética puede calcularse mediante el producto energético y determina la calidad de un imán. Aumenta cuadráticamente con el campo magnético. Esto significa que si un campo magnético es el doble de grande que un segundo campo magnético, pero tiene la misma extensión, entonces contiene cuatro veces la energía magnética.

Cuanto mayor sea la energía magnética de un campo magnético, mayores serán las fuerzas magnéticas. Son proporcionales a la energía magnética. Esto significa que un campo magnético con el doble de energía tiene el doble de fuerzas magnéticas.

Principio de minimización energética

La fuerza que actúa en una determinada dirección se calcula específicamente como un cambio en la energía magnética en esta dirección. Se trata de un principio de minimización energética. Si se alcanza el mínimo energético, no hay ninguna dirección en la que la energía pueda seguir minimizándose y todas las fuerzas desaparecen. Si la energía de un campo magnético se minimiza cuando dos cuerpos se aproximan, actúa una fuerza en la dirección que contribuye a la minimización, es decir, una fuerza de atracción entre los dos cuerpos. Este es precisamente el caso cuando se acerca un trozo de hierro a un imán o un polo norte a un polo sur magnético.

Si, por el contrario, aumenta la energía del campo magnético, como ocurre cuando se acercan polos del mismo nombre (es decir, polo norte contra polo norte o polo sur contra polo sur), actúa una fuerza de repulsión.

Entre un imán y un trozo de hierro o entre polos distintos de dos imanes, hay energía magnética en el espacio de aire que es mayor que la energía magnética en el material. Si el hierro tiene una permeabilidad (permeabilidad) magnética μ, la proporción de energía que viaja a través del hierro se reduce en este factor en comparación con la energía en el espacio de aire.

Si el imán y el hierro se tocan, desaparece el espacio de aire y, por tanto, la energía del campo en el espacio de aire. En física, las fuerzas siempre actúan en la dirección de un mínimo energético. Esto puede expresarse en términos generales mediante la expresión \( \vec{F}=-\vec{\nabla}U\) para cada fuerza \( \vec{F}\) en un potencial energético U.

Aquí \( \vec{\nabla}\) denota el «vector derivado» en todas las direcciones espaciales (matemáticamente también llamado «gradiente») y puede formularse como

\( \vec{\nabla}=\left(\begin{array}{c} \frac{\partial}{\partial{x}} & & \frac {\partial} {\partial{y}} & & \frac {\partial} {\partial{z}} \end{array}\right) \)
donde \(\frac{\partial}{\partial{x}}\) denota el «cambio» a lo largo del eje x, es decir, la diferenciación parcial en función de x.

Si el cambio de energía en una dirección es particularmente fuerte en el potencial U, una fuerza particularmente fuerte actúa en esta dirección.

Aplicaciones de la energía magnética

Un imán también puede realizar trabajo; por ejemplo, puede atraer un trozo de hierro.

La energía magnética se reduce entonces en la cantidad de trabajo realizado. Sin embargo, el campo magnético no desaparece para siempre. Por tanto, el imán no se destruye si el trozo de hierro se ve atraído varias veces por el imán y luego se retira de nuevo, ya que debe aplicarse trabajo externo cuando se retira el trozo de hierro. Entonces, la energía magnética del espacio de aire vuelve a aumentar y devuelve a todo el campo magnético del imán permanente la cantidad de energía magnética perdida anteriormente.

Si un imán en una bobina gira siempre en círculo, la rotación circular realiza un trabajo a través del campo magnético que puede utilizarse para generar electricidad. El cambio en el campo magnético conduce a la inducción de una tensión. Así funciona un generador convencional.

Aprovechamiento de la energía magnética de la Tierra

Muchas ideas giran en torno al aprovechamiento de la energía magnética de la Tierra o incluso de los campos magnéticos cósmicos. Sin embargo, no es posible hacerlo a lo largo de la superficie terrestre porque el campo magnético es en gran medida constante. En consecuencia, según la ley general \( \vec{F}=-\vec{\nabla}U\), no actúa ninguna fuerza porque el cambio en el potencial energético U, es decir, \( \vec{\nabla}U\) a lo largo de la superficie terrestre es cero.

Según las ecuaciones de Maxwell, tampoco existe ningún polo norte o sur que se pueda acelerar hacia el polo norte o sur de la Tierra. Todas estas ideas sobre el aprovechamiento de la energía libre o magnética son físicamente absurdas.

Existen muchas creencias esotéricas sobre la utilidad de la energía magnética, en particular el aprovechamiento de la energía del campo magnético terrestre. Sin embargo, en realidad, la energía magnética no puede convertirse en trabajo a partir de un movimiento a lo largo de la superficie terrestre. Ninguna fuerza actúa tangencialmente a la superficie terrestre, ya que la densidad de las líneas de campo no cambia. Por tanto, no puede existir un coche con accionamiento magnético como el que se muestra aquí.

La energía magnética de la Tierra solo puede aprovecharse acercando un cuerpo ferromagnético, ubicado lejos de los polos terrestres, a uno de estos. Esto reduciría la energía magnética del campo terrestre y podría aprovecharse, por ejemplo, mediante la inducción de una corriente.

Sin embargo, este efecto es insignificante, ya que el campo magnético de la Tierra es muy débil. Se obtiene mucha más energía simplemente dejando caer un objeto en el campo gravitatorio terrestre. No obstante, la cantidad máxima de energía obtenida es igual al trabajo necesario para extraer el cuerpo del campo gravitatorio de la Tierra.

Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.

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