Campos en física: Definición y ejemplos ¿Qué es un campo en física?

Historia de los campos

El concepto de campo se remonta a la antigua Grecia. Matemáticos y filósofos desarrollaron el concepto de que algunas fuerzas no requieren contacto para tener un efecto. Específicamente, una fuerza podría afectar un objeto sin tocarlo directamente.

Siglos más tarde, Isaac Newton desarrolló la teoría de la gravitación. Esta teoría giraba en torno al hecho de que existe un campo gravitacional alrededor de cualquier objeto con masa. El campo ejerce una fuerza gravitacional sobre cualquier otro objeto en el campo.

En el siglo XIX, Michael Faraday acuñó por primera vez el término “campo”. Faraday fue un científico inglés que se centró en el electromagnetismo y la electroquímica. Usó el término “campo” para describir los campos electromagnéticos.

Características de los Campos

Si bien los campos de la física varían según el tipo, todos los campos comparten ciertas características. Las características fundamentales de los campos son:

• Presencia de una fuente: Cualquier campo tiene una fuente que creó el campo. Por ejemplo, la fuente de un campo gravitatorio es un objeto con masa.
• Carácter de espacio: un campo es una región del espacio en la que actúa una fuerza, por lo que un campo debe tener un carácter de espacio. Muchos campos son teóricamente infinitos, pero prácticamente limitados. Por ejemplo, un objeto con una masa pequeña técnicamente tiene un campo gravitatorio infinito, pero prácticamente afecta solo a los objetos que están cerca de él. Algunos campos tienen una dirección asociada con ellos, como la gravedad que se dirige hacia la fuente.
• Localidad: un campo tiene diferentes fortalezas en diferentes ubicaciones dentro del campo, y ese conjunto de fortalezas puede cambiar con el tiempo. Por ejemplo, la temperatura en una habitación calentada por una chimenea tendrá diferentes temperaturas, con temperaturas más altas más cerca del fuego y las temperaturas disminuirán una vez que el fuego se haya extinguido.

Tipos de campos

Hay tres tipos de campos en física que difieren según la cantidad de información que se necesita para describir lo que sucede en cada punto del campo. Los tres tipos de campos son:

• Un campo escalar describe una cantidad que tiene solo una magnitud, no una dirección. Por lo tanto, la cantidad tiene solo una pieza de información. Ejemplos de esto son la presión de los gases y el campo de Higgs, en el que el bosón de Higgs da masa a algunas otras partículas fundamentales.
• Un campo vectorial describe una cantidad que tiene tanto una magnitud como una dirección. Por lo tanto, la cantidad tiene dos piezas de información. Ejemplos de esto son los campos gravitatorios, los campos eléctricos y los campos magnéticos, cada uno de los cuales ejerce una fuerza en una dirección.
• Un campo de tensor describe una cantidad que tiene tres piezas de información, típicamente una magnitud y dos direcciones. Ejemplos de esto son la susceptibilidad eléctrica, el estrés y la conductividad térmica.

Efectos de los campos

Los efectos de los campos en física incluyen la formación de sistemas solares alrededor de estrellas masivas por campos gravitatorios, la orientación de una brújula en un campo magnético y la presencia de masa a través del campo de Higgs. Las implicaciones físicas de los campos son, por lo tanto, vastas y diversas.

Las implicaciones matemáticas de los campos incluyen que el efecto de la gravedad entre dos objetos está inversamente relacionado con el cuadrado de su distancia. La atracción o repulsión entre las dos cargas también está inversamente relacionada con la distancia entre ellas. La atracción de los electrones de valencia al núcleo cargado positivamente de un átomo, por ejemplo, es más débil que la atracción de los electrones del núcleo al núcleo porque los electrones del núcleo están más cerca del núcleo que los electrones de valencia.

Ejemplos de campos

Al aprender acerca de los campos, es útil considerar algunos ejemplos. Los siguientes son ejemplos de campos:

• El campo de Higgs tiene solo una magnitud, no una dirección (una partícula no tiene masa en una dirección, solo tiene masa). Por lo tanto, el campo de Higgs es un campo escalar. El campo de Higgs es importante porque, sin él, los objetos no tendrían masa y, por lo tanto, no estarían sujetos a la gravedad.
• Los campos gravitatorios evitan que los organismos en la Tierra floten como los astronautas en el espacio, mantienen los satélites GPS en órbita alrededor de la Tierra y mantienen a la Tierra en órbita alrededor del Sol. En todos estos casos, cada objeto en el campo gravitatorio es la fuente de un campo gravitatorio que atrae a otros objetos.

Figura 2: El campo gravitacional de la Tierra apunta hacia la Tierra desde todas las direcciones.

• Un campo magnético puede ser causado por un imán o por una corriente eléctrica que fluye a través de un cable. La dirección del campo magnético depende de la dirección de la corriente en el alambre. La conexión entre los campos eléctricos y los campos magnéticos es la razón del término “electromagnetismo”. El campo magnético de la Tierra permite a las personas navegar a través de brújulas, cuyas agujas de metal apuntan hacia el polo sur magnético de la Tierra, que es situado muy cerca del Polo Norte geográfico.

Figura 3: Un campo magnético, B, gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de una corriente hacia la derecha, I, en un cable.

Resumen de la lección

Un campo en física es una región del espacio en la que actúa una fuerza. Michael Faraday acuñó por primera vez el término “campo” en el siglo XIX, pero el concepto de fuerzas sin contacto se remonta a la antigua Grecia. Los tres tipos de campos son:

• Un campo escalar describe una fuerza con una magnitud, pero no una dirección. Un ejemplo es el campo de Higgs, en el que el bosón de Higgs imparte masa a las partículas fundamentales que tienen masa.
• Un campo vectorial describe una fuerza con una magnitud y una dirección. Por ejemplo, la gravedad se dirige hacia la masa que es la fuente del campo.
• Un campo tensorial describe una fuerza que tiene tres piezas de información, como una magnitud y dos direcciones. La susceptibilidad eléctrica, el estrés y la conductividad térmica son campos tensoriales.

La principal característica de los campos es la proximidad de la fuente que provoca el campo (p. ej., un imán o corriente en un campo magnético). Otras características principales incluyen el carácter espacial (el campo es una región del espacio) y la localidad (la magnitud de la fuerza puede variar en diferentes lugares y tiempos en el campo). Las líneas de campo muestran la dirección de la fuerza ejercida por el campo sobre el tipo de objeto que se ve afectado por el campo. Cuanto más densamente empaquetadas estén las líneas de campo, más fuerte será la fuerza neta del campo en esa ubicación.