¿De dónde obtienen los imanes la energía para repeler?

Estimado Alain Del-Gatto,

tu pregunta es muy interesante y permite aclarar varios conceptos.

(1) Lo primero que hay que entender es el proceso de ejercer fuerza a través de un imán (o electroimán).

Los imanes (o los electroimanes) NO usan ninguna energía interna para moverse repeliendo a otro imán (o a un electroimán) con el mismo polo enfrentado.

Cuando tú mueves un imán hacia otro, empujando (lo percibas o no) para acercar polos del mismo tipo, eres tú el que está gastando energía para realizar el trabajo de mover el imán contra la fuerza magnética.

La energía que tú gastaste, ahora la tiene el sistema de imanes en forma de energía potencial magnética. Cuando los sueltes, saldrán acelerados alejándose uno del otro, transformando esa energía en cinética y calórica por fricción.

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El ejemplo más sencillo de analogía mecánica es el caso de un resorte. La pregunta habría sido: "¿De dónde obtienen los resortes la energía para ejercer compresión?" y la respuesta sería:

Cuando comprimes un resorte eres tú el que está gastando energía para realizar el trabajo contra la fuerza elástica del resorte. La energía que usaste se acumula en el sistema elástico (el resorte COMPRIMIDO) y la devuelve cuando se relaja, cuando se estira hasta recuperar su longitud "de equilibrio".

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(2) En segundo lugar, la pregunta hace pensar en otra: "¿De dónde obtienen los imanes la capacidad (o propiedad) de ejercer una fuerza atractiva o repulsiva sobre otros imanes?"

Una pregunta análoga (pero restringida a la atracción) es "¿De dónde obtiene la Tierra (o cualquier otro astro) la propiedad de producir gravedad y entonces ejercer una fuerza atractiva sobre la masa de cualquier otro cuerpo?".

Sin embargo, esta pregunta no se puede responder. No sabemos porqué existe la gravedad. La observamos, la estudiamos y la utilizamos. La ciencia trata de descubrir cómo actúa, cómo se describe matemáticamente, pero el origen de la gravedad no está a su alcance; no está en el marco científico porque "eso" (porqué existe y porqué actúa de ese modo) no es medible (y nunca lo será).

Del mismo modo, si se pregunta por el origen de la repulsión entre polos magnéticos del mismo tipo, no se puede responder satisfactoriamente. En efecto, yo podría responder comenzando con la propiedad del campo magnético de ejercer perpendicularmente una fuerza sobre todas las cargas eléctricas en movimiento (fenómeno conocido como "Fuerza de Lorentz"). Entonces, a partir de esa relación básica, yo podría demostrar matemáticamente todo lo demás que se observa con electroimanes e imanes. Sin embargo siempre se podría seguir preguntando "¿Cuál es entonces, el origen de la fuerza de Lorentz?" o bien, "¿Porqué los campos magnéticos producen fuerzas perpendiculares al movimiento de las cargas?".

La respuesta a estas cuestiones no es competencia de la Ciencia. Así actúa la Naturaleza. No se puede saber porqué lo hace de ese modo. Así es que aceptamos ("creemos") el principio físico (siempre y cuando no lo hayamos interpretado mal, y nos conduzca a una contradicción lógica o a una contradicción con lo observado experimentalmente).

Estas preguntas pueden ser abordadas por diferentes religiones, y consecuentemente las respuestas pueden ser creídas por sus fieles. Sin embargo, un verdadero científico no las puede -científicamente- aceptar ni tampoco rechazar. Simplemente, no están bajo el escrutinio de la Ciencia. Él puede tener su creencia, pero eso sería algo personal que lleva paralelamente en su interior, y que no tiene que ver con su trabajo científico.

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(3) Finalmente uno podría preguntarse:

¿De dónde proviene la energía que produjo y mantiene el campo magnético que genera un imán durante la repulsión contra otro?

(y tal vez éste haya sido el sentido o la intención de la pregunta original)

Esa energía está relacionada con la constitución del imán. Primero en la formación de los átomos y moléculas del material, que le dan una particular microestructura formando especie de “imancitos atómicos” o moleculares, y luego en la magnetización (ordenamiento magnético) de ese material magnetizable.

Dependiendo de los defectos microestructurales del material, estos imancitos se ordenan magnéticamente con sus vecinos y forman "grupos" ordenados de 100 a 1000 millones de imancitos, denominados “dominios magnéticos”. Estos dominios tienen entre 0.003 y 0.008 mm de diámetro.

La frontera entre dominios se denomina "pared de dominio". Los dominios pueden cambiar de tamaño moviendo sus paredes, y también pueden rotar bajo un campo magnético más intenso. Sin embargo todos esos movimientos (desplazamientos de paredes y rotaciones) causan fricción y por lo tanto consumen energía.

Para magnetizar un imán hubo que ordenar al máximo esos dominios magnéticos, lo que significa que en el proceso de magnetización el material del imán también absorbió energía. Una parte se gastó irreversiblemente en forma de calor, y otra parte quedó almacenada como energía potencial magnética, que se manifiesta en el campo magnético resultante que existe a su alrededor, y que produce fuerzas atractivas o repulsivas con otros objetos magnéticos cercanos.

Análogamente, en el ejemplo mecánico, uno se preguntaría de dónde proviene la energía elástica que poseen los resortes. La respuesta es similar al caso del imán. Esta energía está relacionada primero con la estructura de enlaces atómicos del material que le hace mantener la solidez y le confiere las propiedades elásticas. Luego, con el agregado de la forma de espiral, el resorte tiene las características que conocemos, que dependen de ambas cosas, forma y tamaño por un lado, y también de la microestructura del material.

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Marzo 30, 2019. jlgiordano@hotmail.com