BASE TEÓRICA

Teóricamente, para que funcione una máquina de movimiento perpetuo debe de estar en el completo vacío, si no se crearía fricción debido al rozamiento del aire,  haciendo que la máquina realice trabajo y por consecuencia que desprenda calor y pierda energía. El ejemplo más claro de esto es la órbita de los planetas alrededor de las estrellas que, al estar en el vacío no es afectada por ningún tipo de fricción y eso permite un movimiento periódico.

Existen dos tipos de máquinas de movimiento perpetuo:

Figura 3: Primer Principio de la Termodinámica (Medina Sierra, n.d.) 

De primera especie, funcionan sin ningún tipo de energía externa. Esto incumple la primera ley de la termodinámica porque este modelo al no necesitar en ningún momento energía externa estaría creándola para funcionar.

La primera ley de la termodinámica establece que ninguna máquina tiene el 100% de eficiencia debido a que todo el calor no se transforma en trabajo sino que se va parte a focos más fríos y también establece la ley de conservación de la energía (la energía ni se crea ni se destruye).

 

Figura 4: Ejemplo enunciado Kelvin-Planck (locoporlafisica001. wordpress.com, n.d.)

Las de segunda especie, una máquina que funciona periódicamente y transforma el total del calor en otro tipo de energía como mecánica, lumínica y eléctrica, entre otras. Esto incumple la segunda ley de la termodinámica, la entropía, ya que la entropía aumenta cuanto mayor es el trabajo y debido a la entropía, según la definición de Kelvin y Plank, nunca podrá ser usado el cien por cien del calor desprendido de una máquina porque parte de ese calor se agota en depósitos más fríos de la misma máquina (Tsaousis & School Adviser of Natural Science Teachers of Ioannina8 Seferi street, Eleoussa, 455 00,Ioannina Hellas, 2008).

En estos dos modelos de máquinas, si se desprecia la fricción y consiguen funcionar periódicamente, solamente podrían tener la energía suficiente para funcionar, porque no se le podría conectar ningún tipo de batería externa para conseguir energía ilimitada ya que estaría desafiando de nuevo la primera ley de la termodinámica, creando energía.

Ya que la máquina que se va a construir opera mediante electromagnetismo, se realizará una explicación de los principios y leyes que rigen a esta fuerza.

El electromagnetismo supone la unificación entre la electricidad y el magnetismo. Estos principios fueron asentados por Faraday, Ampère y formulados posteriormente por Maxwell en sus cuatro ecuaciones fundamentales:

1ª: la Ley de Gauss para el campo eléctrico, relaciona el campo eléctrico con la carga y el volumen, a través del flujo electromagnético y la densidad volumétrica de carga, siendo ambos directamente proporcionales entre ellos.

2ª: la Ley de Gauss para el campo magnético, donde establece que el flujo magnético es proporcional al producto del campo magnético y una superficie, de la cual el campo magnético es perpendicular a ella.

3ª: la Ley de Faraday, dice que un campo magnético que varía a lo largo de un periodo genera un campo eléctrico, que puede ir en sentido horario o antihorario dependiendo si la diferencia del campo magnético con respecto al tiempo es positiva o negativa.

4ª: la Ley de Ampère-Maxwell, que dice que la diferencia de un campo eléctrico con respecto a un periodo de tiempo produce un campo magnético cerrado, siendo similar a la ley anterior. Gracias a esta ley se terminó de unificar el magnetismo con la electricidad.

Maxwell, además, descubrió al resolver sus ecuaciones que el electromagnetismo tenía propiedades de onda y que se movían a una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz, concluyendo que el electromagnetismo se propaga a través de ondas (Silos Alvarado, 2020).

Con las cuatro ecuaciones de Maxwell se puede concluir que el magnetismo y la electricidad no se pueden estudiar por separado, ya que la variación con respecto al tiempo de uno significa la variación del otro, siendo ambos campos, según la electrodinámica clásica, la manifestación de un solo campo, el campo electromagnético (Rincón & Tovar, 2007).

Figura 5: Magnetita (Lavinsky, 2010) 

Los imanes son objetos que generan un campo magnético a su alrededor y tienen dos polos, norte y sur.

Los imanes suelen estar fabricados de hierro o aleaciones de hierro, debido a su alta conductividad, como es el caso de la magnetita, el imán natural, hecho de tetraóxido de trihierro.

Figura 6: espín de los electrones (creación propia).

El hierro tiene electrones con carga en movimiento. Este movimiento de cargas produce un campo magnético. Además, los propios electrones giran sobre sí mismos como indica el número cuántico de espín, siendo también éste un movimiento de cargas y generando más campo magnético.

Este número cuántico de espín indica la orientación de un electrón y genera un momento magnético. Cuando todos están orientados hacia una misma dirección, sin que ningún electrón anule cualquier momento magnético de otro electrón, da lugar a propiedades magnéticas de atracción y repulsión. 

La temperatura afecta directamente al magnetismo, ya que en el cero absoluto no se produce ningún tipo de movimiento de partículas, siendo el momento magnético cero. Sin embargo, cuanto más alta la temperatura, mayor es el efecto magnético que produce el imán, hasta llegar al estado de plasma (Santana, 2013).

Los imanes fabricados con hierro se componen de aleaciones con otros metales como cobalto, níquel, boro, aluminio, de menor potencia en comparación con los imanes donde el hierro forma aleación con neodimio y boro, siendo este tipo de imanes los más potentes del mundo.

Los metales ferromagnéticos como el hierro “adaptan” los espines de sus electrones bajo la influencia de un campo exterior, haciendo que todos sus espines estén orientados hacia la misma dirección, convirtiéndose en imanes durante un tiempo. Sin embargo, ese efecto puede hacerse permanente mediante la utilización de determinadas aleaciones metálicas, que forman compuestos intermetálicos que anulan esa propiedad. Uno de los métodos de creación de imanes permanentes es que las aleaciones alcancen temperaturas próximas a la fusión y someterla a un campo magnético exterior que alinéa los espines de los electrones, en ese momento, se disminuye la temperatura, generando los nuevos compuestos metálicos que bloquean esa capacidad, impidiendo que se pueda volver a mover el momento magnético y convirtiendo la aleación en un imán permanente.

Los materiales pueden ser clasificados en tres grandes grupos según sus propiedades magnéticas: