Magnes nie zużywa paliwa, gdy przez lata trzyma się lodówki
Magnes trwały może wywierać statyczną siłę bez ciągłego dopływu energii. Jeśli magnes trzyma kartkę na pionowej stalowej powierzchni i nic się nie porusza, nie wykonuje pracy mechanicznej w sensie fizycznym: punkt przyłożenia siły nie przemieszcza się w jej kierunku. Energia pojawia się podczas zmian konfiguracji. Kiedy magnes przyciąga stal i ta się porusza, energia potencjalna układu maleje i może przejść w ruch, dźwięk lub ciepło. Aby później rozdzielić magnes i stal, trzeba zewnętrznie dostarczyć pracę. Magnes steruje przepływem energii, ale nie jest niewyczerpanym jej źródłem.
Siła i energia to nie to samo
W codziennym języku „ciągłe ciągnięcie” brzmi jak czynność wymagająca ciągłego wydatku energii. W fizyce praca mechaniczna wymaga jednak przemieszczenia wzdłuż składowej siły. Stół przez godzinę naciska na książkę siłą normalną, ale nie zużywa w tym celu paliwa. Podobnie statyczne pole magnesu może utrzymywać siłę między magnesem a stalą bez stałego dostarczania energii elektrycznej.
Skąd bierze się energia przy zatrzaśnięciu
Jeśli puścimy kawałek stali obok magnesu, stal przyspiesza. Jej energia kinetyczna nie pojawia się z niczego. Układ magnes–stal ma energię potencjalną zależną od wzajemnego położenia i stanu pola. Podczas zbliżania energia potencjalna maleje, a różnica może przejść w ruch. Gdy element uderza o magnes, energia kinetyczna zostaje rozproszona głównie w drgania, dźwięk i ciepło.
Dlaczego rozdzielenie kosztuje pracę
Po zetknięciu magnesu ze stalą nie można powtarzać procesu „przyciągnij i odbierz energię” bez konsekwencji. Aby wrócić do konfiguracji początkowej, trzeba odciągnąć element wbrew sile magnetycznej. Dostarczona przy rozdzielaniu praca odtwarza energię potencjalną układu. W idealnym, bezstratnym cyklu bilans byłby zerowy; w rzeczywistości straty sprawiają, że z zewnątrz trzeba dostarczyć nawet więcej energii, niż udało się wcześniej odebrać.
Pole może magazynować i przenosić energię
Stwierdzenie, że magnes nie jest „paliwem”, nie znaczy, że pole magnetyczne nie ma związku z energią. Energia może być związana z konfiguracją pól i materiałów. W generatorach i silnikach magnetyzm pozwala bardzo skutecznie przekształcać energię mechaniczną w elektryczną i odwrotnie. Źródłem jest jednak ruch, prąd, paliwo, bateria albo inny zasób energetyczny — nie samo istnienie magnesu.
Dlaczego elektromagnes potrzebuje prądu
To może wydawać się sprzeczne: magnes trwały utrzymuje pole bez zasilania, a elektromagnes wymaga prądu. Różnica wynika z mechanizmu wytwarzania pola. W elektromagnesie pole jest związane z przepływem prądu w uzwojeniu, a zwykły przewodnik ma opór i wydziela ciepło. W magnesie trwałym stan namagnesowania jest stabilną własnością materiału i nie wymaga ciągłego przepływu prądu przez zewnętrzną cewkę.
Dlaczego „silnik na magnesy” nie daje darmowej energii
Stałe magnesy mogą dostarczać sił w sprytnie zaprojektowanym mechanizmie, ale pełny cykl urządzenia musi wrócić do początkowej konfiguracji. Korzystne fragmenty ruchu mają swoje energetyczne odpowiedniki w innych częściach cyklu. Dlatego sama obecność trwałych magnesów nie omija zasady zachowania energii. Magnes jest znakomitym elementem sprzęgającym i magazynującym energię pola, lecz nie źródłem energii bez końca.
Dobrym testem energetycznym jest pełny cykl. Można pozwolić, aby magnes przyciągnął stalowy element i wykorzystać ten ruch do podniesienia małego ciężarka. Aby powtórzyć proces, trzeba jednak odsunąć stal z powrotem na początkową odległość, wykonując pracę przeciw przyciąganiu. Jeśli spróbujemy odzyskiwać energię przy każdym zbliżeniu, koszt rozdzielania powraca w bilansie. Straty mechaniczne i elektryczne sprawiają dodatkowo, że rzeczywisty cykl zawsze wymaga dopływu energii z zewnątrz. Magnetyzm jest świetnym sprzęgłem, lecz nie tworzy asymetrii energetycznej potrzebnej do perpetuum mobile.