¿Qué son los campos?

Faraday inventó la idea de una “línea de fuerza”. Esta es una línea que ilustra cómo una partícula o cualquier objeto puede ejercer una fuerza remota sobre otro objeto.

¿Son reales las líneas de fuerza? ¿O son sólo una abstracción? Mantengamos esa pregunta por un momento.

Los físicos posteriores, particularmente Maxwell, reemplazaron el concepto de línea de fuerza con uno de “campo”. Un campo funciona de la siguiente manera: un objeto crea un “campo” a su alrededor. Entonces este campo ejerce una fuerza sobre otros objetos. Entonces, no es un mapeo de fuerzas (como el concepto de Faraday) sino una entidad separada.

El campo podría considerarse una abstracción, excepto por el hecho de que Maxwell se dio cuenta de que los campos podían separarse de los objetos originales. Agite (acelere) una carga eléctrica, y parte del campo se separará y viajará a través del espacio. Cuando calculó la velocidad de tales campos de viaje, para el electromagnetismo, descubrió que se movían a la velocidad de la luz. Esto llevó a una de las predicciones más atrevidas y sobresalientes de todos los tiempos: que la luz es un campo electromagnético en movimiento.

Creemos que los campos son reales simplemente porque tratarlos de esta manera nos permite hacer predicciones probadas experimentalmente. Las ondas de radio también son un campo electromagnético que se ha liberado de su generador (generalmente una antena, que contiene una colección de cargas de aceleración).

El concepto de campo también funciona para la gravedad y para cualquier otra fuerza conocida por la física. Los campos exhiben propiedades que solíamos asociar con partículas (por ejemplo, el campo electromagnético a veces actúa como si fuera una partícula que llamamos “fotón”). Ahora se cree que todas las partículas tienen un aspecto de campo, y todos los campos tienen un aspecto de partícula. Ya no pensamos que hay cosas que son campo puro o partículas puras; solo hay un tipo de objeto cuántico que tiene ambos tipos de propiedades. (He sugerido que deberíamos llamar a esas cosas “ondulaciones”). Esa suposición está en el corazón de la teoría cuántica del “campo”.

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Un campo se define como una propiedad que se extiende a cada punto de la región que está considerando. Algunos ejemplos de esto son medir la temperatura a lo largo de una línea, en la superficie de una mesa, oa través de un volumen de agua en un vaso. El primero es un campo unidimensional, el segundo es bidimensional, el tercero tridimensional. Si hay un solo número (como la temperatura) en cada punto, entonces tienes un campo escalar (en este caso, la temperatura). Si hay un vector (como la velocidad del viento) en cada punto, entonces usted tiene un campo vectorial (en este caso, un campo de velocidad).

Shad Azmi

Los campos nos ayudan a visualizar procesos físicos abstractos, como el “flujo de energía”. Dicho de manera simple, un campo es una representación mental de la distribución espacial de “algo” que pretendemos medir. Un evento físico que se modela como un campo tendrá algún valor en cada punto del espacio; cada valor de punto se puede interpretar como la intensidad o la fuerza del evento físico en ese punto en el espacio. Al hacerlo, queda inmediatamente claro que la intensidad de un evento físico en un punto en el espacio depende de la posición del punto en el espacio. A continuación se describe el uso de campos para modelar la distribución espacial de cantidades escalares y vectoriales.

La distribución espacial de una cantidad escalar se modela como un campo escalar . Todo lo que es necesario para representar un escalar (solo una cantidad con magnitud) es un valor único en cada punto del campo escalar. Los fenómenos eléctricos pueden describirse en términos de un campo escalar (por ejemplo, campo de energía eléctrica o campo de potencial eléctrico). Lo mismo se puede hacer con la gravedad, el calor, etc.

La distribución espacial de una cantidad vectorial se modela como un campo vectorial . Para representar completamente un vector (una cantidad con dirección y magnitud), cada punto en un campo vectorial debe tomar al menos dos valores. El número exacto de valores de puntos requeridos para representar un vector depende de la elección de un sistema de coordenadas espaciales. En el familiar sistema de coordenadas rectangulares bidimensional, un vector se puede representar completamente mediante dos valores de puntos: la componente del eje x y la componente del eje y del vector. En un sistema tridimensional de coordenadas rectangulares, cada vector está representado por tres valores de puntos: el eje x, el eje y, y los componentes del eje z del vector. Las interacciones eléctricas se pueden describir en términos de un campo vectorial (por ejemplo, campo de fuerza eléctrica o campo eléctrico). Lo mismo se puede hacer con la gravedad y otros fenómenos en la naturaleza.

Sí, hay diferencias claras entre los diferentes tipos de campo; por ejemplo, la fuente del campo gravitatorio es materia con masa y la fuente del campo eléctrico es materia con carga . También hay propiedades que son comunes a ambos. Por ejemplo, si modelas la gravedad y los fenómenos eléctricos como “campos de fuerza”, obedecerán la ley del cuadrado inverso “geométrico”. Tanto los campos gravitatorios como los eléctricos también se propagan en el vacío con la misma velocidad, C (aunque todavía hay cierta controversia aquí). Como se indicó anteriormente, los campos son modelos mentales / matemáticos de la distribución de “algo” en el espacio; La única forma de saber que existe “algo” es midiendo su efecto en algún punto desde la fuente. e, g, los efectos del campo gravitatorio se traicionan por la forma en que un cuerpo con masa se mueve en relación con la fuente del campo y los efectos del campo eléctrico se miden utilizando una partícula cargada (carga de prueba) u observando sus efectos magnéticos. Los efectos son “reales” y no requieren la presencia de un observador o dispositivo de medición. Sin embargo, la precisión de la medición dependerá del método de medición y la propiedad física o entidad que se esté midiendo.

Tjaart Lemmer

¿Qué es un campo ?:

Un campo es una representación gráfica y matemática de cómo un objeto (o propiedad de un objeto) influye en el espacio que lo rodea.

Una carga positiva tiene un campo eléctrico que se ve así (perdón por el tamaño):
El campo le dice todo sobre cómo la fuerza electrostática influirá en una partícula cargada cercana. Más cerca de la carga, la densidad de las líneas aumenta; por lo tanto, la fuerza sobre la partícula cargada cercana aumenta. Más lejos, las líneas de fuerza divergen y una partícula cargada a una distancia experimentará una fuerza menor.

Propiedades:

Hay campos vectoriales y escalares. Un campo escalar es básicamente una función antigua regular. Un gráfico de temperatura vs. posición es un ejemplo de un campo escalar porque describe la influencia que la temperatura escalar de la escala tiene sobre el espacio que lo rodea. Puedes leer un campo escalar como una función.

Ejemplos más comunes de campos son campos vectoriales. Describen cómo una cierta cantidad de vectores, como la fuerza o la velocidad, influye en el espacio a su alrededor. Vuelva a consultar la imagen del campo eléctrico de la carga positiva. Describe la magnitud y la dirección de la fuerza eléctrica en una partícula cargada en una región relativa a la carga positiva. Las propiedades comunes a la mayoría de los campos vectoriales son que la densidad del campo está directamente correlacionada con la intensidad de campo, como expliqué anteriormente y que la dirección del vector en el campo determina la dirección de la cantidad del vector que describe. Aparte de eso, los campos vectoriales, como los campos escalares, pueden verse muy diferentes. Un campo eléctrico para una carga positiva apunta hacia afuera; El campo de una carga negativa apuntaría hacia adentro, al igual que un campo gravitatorio. El campo eléctrico alrededor de una carga puntual disminuye en uno sobre el cuadrado de la distancia; el campo magnético alrededor de un cable disminuiría solo uno sobre la distancia.

La configuración del campo varía ampliamente con la configuración del sistema que representa. Las reglas principales sobre la densidad y la dirección del vector son realmente las únicas propiedades constantes. Otras cosas que es importante recordar específicamente sobre ciertos campos son las convenciones de signos y direcciones (por ejemplo, el campo eléctrico positivo apunta hacia afuera; los puntos negativos hacia adentro).

¿Existencia?:

Si bien los campos demuestran ser una herramienta maravillosa en física y matemáticas, en realidad no son reales. Un cargo no se repele porque un “campo” real lo está alejando. Sería como decir que una montaña está elevada porque un mapa lo describe como tal. Las preguntas como “¿por qué los cargos similares se repelen?” y, lo que es más importante, “¿cómo se produce esa repulsión?” No son respondidas o incluso dirigidas por el campo. Responder por qué las cargas se repelen es una cuestión de termodinámica y de los estados probables de una partícula; Cómo esa repulsión realmente sucede es algo que no sé.

Un campo gravitatorio dice que el sol debe tirar de la tierra. Lo que descubrió Einstein es que la inmensa masa del sol en realidad deforma el espacio (imagina que la tierra es el sol):

Un planeta viajaría en una de esas líneas de cuadrícula. Originalmente, eran rectos porque el objeto se movería derecho si el sol no estaba allí (sin gravedad), pero cuando ese objeto masivo se desploma, deforma la tela del espacio como un objeto pesado sobre una manta. Un planeta que viaja en una de las líneas de la cuadrícula ahora tiene un camino combado, idéntico a cómo la gravedad provocaría una fuerza centrípeta y causaría un movimiento circular / elíptico.