Od wieków wizja maszyny działającej bez końca i bez paliwa pobudza wyobraźnię wynalazców. Dziś podobne emocje budzą tak zwane silniki magnetyczne — konstrukcje zawierające silne magnesy neodymowe, które rzekomo utrzymują wirnik w ruchu i oddają użyteczną moc bez zasilania z zewnątrz. Problem nie polega na tym, że magnesy są zbyt słabe. Przeszkodą jest bilans energii.

 

Skąd bierze się pomysł na silnik magnetyczny?

Magnesy przyciągają i odpychają przedmioty bez widocznego kontaktu. Gdy stalowy element przyspiesza w stronę magnesu, łatwo pomyśleć, że energia wzięła się „z niczego” — magnes nie ma przecież przewodu, paliwa ani akumulatora.

 

Magnes to nie paliwo

Magnes stały nie jest paliwem. Ruch może wynikać ze zmiany energii potencjalnej całego układu magnetycznego, na przykład podczas przyciągania lub odpychania jego elementów. To trochę jak sprężyna: po zwolnieniu porusza przedmiot, ale żeby powtórzyć cykl, trzeba znów naciągnąć ją do stanu początkowego. W idealnym, bezstratnym cyklu energia oddana w jednym fragmencie ruchu jest równoważona pracą potrzebną do powrotu do wcześniejszej konfiguracji — nadwyżki energii się nie uzyska.

Dlaczego wirnik nie może obracać się bez końca?

W silnikach magnetycznych magnesy ustawia się tak, by kolejno przyciągały lub odpychały elementy wirnika. Korzystne oddziaływanie potrafi przyspieszyć koło na pewnym odcinku, ale w układzie złożonym wyłącznie ze stałych magnesów i elementów biernych nie da się uzyskać dodatniej pracy netto po pełnym obrocie. W praktyce wirnik zwykle zatrzymuje się w położeniu równowagi.

Straty energii są nieuniknione

Do tego dochodzą straty: tarcie w łożyskach, opór powietrza, drgania i nagrzewanie sprawiają, że urządzenie stopniowo traci energię mechaniczną. W konstrukcjach z przewodnikami lub materiałami ferromagnetycznymi w zmiennym polu dochodzą jeszcze straty od prądów wirowych i histerezy. Wirnik może więc kręcić się długo, ale bez dopływu energii z zewnątrz w końcu zwolni i stanie.

Co naprawdę napędza silnik elektryczny?

Magnesy stałe i elektromagnesy są szeroko stosowane w prawdziwych silnikach i generatorach. W silniku elektrycznym magnes stały tworzy pole, które oddziałuje z polem prądu płynącego w uzwojeniach — to dostarczona energia elektryczna umożliwia pracę mechaniczną. Rolę magnesu stałego może też pełnić elektromagnes.

Generator działa odwrotnie: aby otrzymać energię elektryczną, trzeba dostarczyć pracę mechaniczną, np. z turbiny czy silnika. Sam obracający się wirnik nie dowodzi więc, że urządzenie produkuje energię. Po podłączeniu obciążenia płynący prąd wytwarza pole, które zgodnie z prawem Lenza przeciwdziała zmianie strumienia magnetycznego, więc do utrzymania obrotów trzeba dostarczyć większy moment napędzający.

 

Czy magnes stały może się rozmagnesować?

Magnes stały zachowuje swoje właściwości bardzo długo, ale nie są one całkowicie niezmienne. Zbyt wysoka temperatura, silne przeciwne pole magnetyczne lub niekorzystne warunki pracy mogą osłabić jego namagnesowanie — odwracalnie albo nieodwracalnie, zależnie od materiału i warunków.

Nie oznacza to jednak, że magnes działa jak paliwo. Namagnesowanie jest stanem materiału, a nie zapasem energii zużywanym stopniowo podczas każdego przyciągania lub odpychania. Rozmagnesowanie może nastąpić pod wpływem czynników zewnętrznych, takich jak wysoka temperatura lub odpowiednio silne przeciwne pole magnetyczne, ale nie jest ono mechanizmem, z którego normalnie „zasilany” jest silnik wykorzystujący magnesy stałe.

Magnetyzm nie omija praw fizyki

Magnetyzm nie omija zasady zachowania energii. Magnesy stałe i elektromagnesy wytwarzają siły i uczestniczą w przetwarzaniu energii, dlatego stosuje się je w silnikach, generatorach, głośnikach i czujnikach — ale nie są niewyczerpanym źródłem energii. Samo trwanie ruchu nie oznacza produkcji darmowej energii, a w realnym urządzeniu straty prędzej czy później je zatrzymają.

Bibliografia

OpenStax, Physics, „Work, Power, and the Work–Energy Theorem”
Rice University.
https://openstax.org/books/physics/pages/9-1-work-power-and-the-work-energy-theorem

Encyclopaedia Britannica, „Perpetual motion”
https://www.britannica.com/science/perpetual-motion

Encyclopaedia Britannica, „Laws of Thermodynamics”
https://www.britannica.com/science/laws-of-thermodynamics

Physics LibreTexts, „Lenz's Law”
https://phys.libretexts.org/Courses/Fresno_City_College/NATSCI-1A%3A_Natural_Science_for_Educators_Fresno_City_College_(CID%3A_PHYS_140)/08%3A_Magnetism/8.05%3A_Electromagnetism/8.5.05%3A_Lenz's_Law

K&J Magnetics, „Is Free Energy Obtainable Using Magnets?”
https://www.kjmagnetics.com/blog/free-magnetic-energy

Feynman, R. P., Leighton, R. B., Sands, „Wykłady z fizyki”, tom II, Elektromagnetyzm
Wydawnictwo Naukowe PWN.