Energia magnetica

L'energia magnetica è una forma comune di energia in fisica. Si intende l'energia contenuta in un campo magnetico. Per generare un campo magnetico è necessario compiere un lavoro. Questo lavoro è poi contenuto nel campo magnetico come energia. Si può pensare che sia il lavoro necessario per allineare in parallelo tutti i magneti elementari del materiale, cioè il lavoro necessario per far ruotare gli spin atomici. I magneti elementari allineati in parallelo hanno a loro volta una certa energia potenziale, cioè l'energia magnetica.

La quantità di energia magnetica immagazzinata in un magnete dopo l'allineamento parallelo dei magneti elementari dipende dal materiale. Il valore di questa energia è proporzionale all'area della cosiddetta curva di isteresi.

Prodotto energetico come misura dell'energia magnetica

L'energia magnetica può essere calcolata utilizzando il prodotto energetico e determina la qualità di un magnete. Aumenta quadraticamente con il campo magnetico. Ciò significa che se un campo magnetico è due volte più grande di un secondo campo magnetico, ma ha la stessa estensione, allora contiene quattro volte l'energia magnetica.

Maggiore è l'energia magnetica di un campo magnetico, maggiori sono le forze magnetiche. Esse sono proporzionali all'energia magnetica. Ciò significa che un campo magnetico con il doppio dell'energia ha il doppio delle forze magnetiche.

Principio di minimizzazione dell'energia

La forza che agisce in una certa direzione è calcolata specificamente come una variazione dell'energia magnetica in questa direzione. Si tratta di un principio di minimizzazione energetica. Se si raggiunge il minimo energetico, non c'è direzione lungo la quale l'energia possa essere ulteriormente minimizzata e tutte le forze scompaiono. Se l'energia di un campo magnetico viene minimizzata quando due corpi si avvicinano, una forza agisce nella direzione che contribuisce alla minimizzazione, cioè una forza attrattiva tra i due corpi . Questo accade proprio quando un pezzo di ferro viene avvicinato a un magnete o un polo nord magnetico viene avvicinato a un polo sud magnetico.

Se invece l'energia del campo magnetico aumenta, come accade quando poli dello stesso nome si avvicinano (ad esempio polo nord contro polo nord o polo sud contro polo sud), agisce una forza repulsiva.

Tra un magnete e un pezzo di ferro o tra i poli disuguali di due magneti, l'energia magnetica nello spazio aereo è maggiore dell'energia magnetica nel materiale. Se il ferro ha una permeabilità magnetica (permeabilità) μ, la percentuale di energia che attraversa il ferro si riduce di questo fattore rispetto all'energia nello spazio aereo.

Se il magnete e il ferro si toccano, lo spazio aereo e quindi anche l'energia del campo nello spazio aereo scompaiono. In fisica, le forze agiscono sempre nella direzione di un minimo energetico. Ciò può essere fatto utilizzando l'espressione \( \vec{F}=-\vec{\nabla}U\) per ogni forza \( \vec{F}\) in un potenziale enegergetico U.

Dove \( \vec{\nabla}\) denota il “vettore derivata” in tutte le direzioni spaziali (matematicamente chiamato anche “gradiente”) e può essere scritto come

\( \vec{\nabla}=\left(\begin{array}{c} \frac{\partial}{\partial{x}} & & \frac{\partial}{\partial{y}} & & \frac{\partial}{\partial{z}} \end{array}\right) \)
dove \(\frac{\partial}{\partial{x}}\) indica la “variazione” lungo l'asse x, cioè la differenziazione parziale rispetto a x
Se la variazione di energia nel potenziale U è particolarmente forte in una direzione, in questa direzione agisce una forza particolarmente forte.

Applicazioni dell'energia magnetica

Anche un magnete può svolgere un lavoro. Ad esempio, può attrarre un pezzo di ferro.

L'energia magnetica si riduce quindi della quantità di lavoro svolto. Tuttavia, il campo magnetico non scompare per sempre. Il magnete non viene quindi distrutto se il ferro viene attratto dal magnete più volte e poi rimosso, poiché è necessario applicare un lavoro esterno quando il pezzo di ferro viene rimosso. L'energia magnetica dello spazio aereo aumenta nuovamente e restituisce all'intero campo magnetico del magnete permanente la quantità di energia magnetica precedentemente persa.

Se un magnete in una bobina viene sempre ruotato in cerchio, la rotazione circolare compie un lavoro attraverso il campo magnetico, che può essere utilizzato per generare elettricità. La variazione del campo magnetico porta all'induzione di una tensione. È così che funziona un generatore convenzionale.

Utilizzo dell'energia magnetica della terra

Esistono molte idee sull'utilizzo dell'energia magnetica della Terra o addirittura dei campi magnetici cosmici. Tuttavia, non è possibile farlo lungo la superficie terrestre perché il campo magnetico è in gran parte costante. Di conseguenza, secondo la legge generale \( \vec{F}=-\vec{\nabla}U\) non è una forza perché la variazione del potenziale energetico U, nämlich \( \vec{\nabla}U\) lungo la superficie terrestre è pari a zero.

Secondo le equazioni di Maxwell, inoltre, non esiste un singolo polo nord o sud che possa essere accelerato rispetto al polo nord o sud della Terra. Tutte queste idee sull'utilizzo dell'energia libera o dell'energia magnetica sono fisicamente insensate.

L'energia magnetica terrestre può essere utilizzata solo avvicinando un corpo ferromagnetico, che si trova lontano dai poli terrestri, a uno dei poli. Ciò ridurrebbe l'energia magnetica del campo terrestre e potrebbe essere sfruttata, ad esempio, inducendo una corrente.

Tuttavia, l'effetto è trascurabile, poiché il campo magnetico terrestre è molto debole. L'energia guadagnata è molto maggiore semplicemente cadendo nel campo gravitazionale della Terra. Tuttavia, la quantità massima di energia è pari alla quantità di lavoro da compiere per allontanare il corpo dalla terra.