Concepto campo

El concepto campo es un concepto fundamental en la comprensión y estudio de la mecánica y el electromagnetismo, por ello es importante que antes de entrar en el estudio de cualquiera de estas dos áreas de la Física se comprenda y analice la naturaleza de dicho concepto en una primera aproximación.   Lo esencial de este concepto se pone en evidencia al intentar comprender la frase: "una carga eléctrica puntual o masa genera modificaciones en el espacio, y estas modificaciones la modeliza el físico a través del concepto: Campo".   En consecuencia, es importante comprender, el concepto campo, para comprender, a su vez lo que implica modificar el espacio.  

Analogía usada para explicar el concepto campo

Imaginemos una esponja de las que usamos para lavar los platos (figura 1).

Fig. 1. Esponja.

La esponja, cuando no ha sido usada, se ve firme (tensa) y uniforme a todo lo largo de su superficie superior.  También se puede construir un sistema que represente esta uniformidad a la que se hace referencia, por ejemplo, la superficie del siguiente dispositivo, que fabricamos, también tiene una superficie firme (tensa) y uniforme (figura 2).

Fig. 2. Dispositivo que representa una superficie uniforme.

Para el caso que queremos modelizar, la superficie de la esponja y la superficie del dispositivo van a representar el espacio. ¿Qué sucede a la superficie de la esponja o a la superficie del dispositivo, si colocamos sobre ellas una esfera de hierro sólida?   Al colocar una esfera sólida sobre la esponja observamos que su superficie de la esponja deja de ser firme (tensa) y uniforme (figura 3).

Fig. 3.  La superficie de la esponja pierde su uniformidad.

Lo mismo ocurre con la superficie de nuestro dispositivo (figura 4).

Fig. 4.  Dispositivo que pierde su uniformidad al colocarle un cuerpo sobre el mismo.

¿Cómo se explica lo anterior?  El físico necesita un modelo. Por lo tanto, es necesario construir un modelo simple que explique lo que ocurre.

Un Físico ante una situación como esta, se preguntaría: ¿Cómo medimos la deformación de la esponja?  Pero, para medir la deformación de la esponja en su superficie, es necesario elaborar un modelo simple.  ¿Cómo construimos un modelo simple, que nos ayude a explicar las modificaciones del espacio? 

La construcción de un modelo simple, puede comenzar por identificar, en el fenómeno de deformación de la esponja o en la deformación de la superficie del dispositivo, debido al peso de la esfera de hierro sólida, una propiedad física medible que represente dicha deformación.  ¿Cuál es la propiedad física medible que representa dicha deformación, en los dos ejemplos que estamos analizando?  La altura de la esponja, así como la altura del dispositivo, teniendo como referencia la superficie sobre la que reposan: ¿es medible?

¿Cuántas alturas identificamos?  Una altura para cada caso, antes de la deformación, y un conjunto de alturas después de la deformación.  Específicamente, nos centraremos en comparar lo que sucede antes y después de la deformación, a la altura de la esponja y a la altura del dispositivo, en cualquiera de sus puntos, alrededor de la esfera de hierro sólida. 

Como primer elemento para la comparación de las alturas, inicial y finales, establecemos una altura h₁.  Esta altura h₁ tiene como referencia la superficie plana, sobre la que reposa, tanto la esponja o el dispositivo construido (figura 5).

La altura inicial de la esponja  h₁ , antes de colocar sobre ella la esfera de hierro sólida es igual en cualquier punto en su superficie. Lo mismo pasa con el dispositivo construido.

Fig. 5.

Pero, después de colocada la esfera sólida vemos que la altura de la esponja o la altura del dispositivo a la superficie sobre la que reposan, alrededor de la esfera sólida, cambia punto a punto (figura 6).

Fig. 6.

Incluso podemos mejorar el modelo, porque observamos que no es necesario que exista contacto entre la esponja y la esfera sólida para que exista una deformación, es decir, una diferencia de altura en cualquier punto de la superficie de la esponja (figura 3 y 4).

¿Cómo representamos eso en el modelo que estamos construyendo?

Entonces, a modo de recapitulación de este ejemplo, podemos decir que la esfera sólida ha deformado el espacio a su alrededor (la superficie de la esponja) y que ahora existe un valor distinto para h, en cualquier punto (cualquier posición) en la cercanía de la esfera sólida (figura 7).

Fig. 7.

¿Qué diría un físico ante estos resultados?

Un Físico diría que en la vecindad de la esfera sólida, existe un campo de alturas.

Vamos a ver que ese ejemplo es válido para la atracción gravitatoria entre el sol y la Tierra y la Tierra y la Luna. Cómo muestran las imágenes siguientes (figura 8).

Fig. 8.

Recapitulemos, la existencia de una masa de los cuerpos como la de la esfera sólida, la de la Tierra, la de la Luna y la del Sol, deforman el espacio y se explican con el modelo de interacciones de tipo gravitatorio.

¿Qué es un campo en Física?

El concepto de campo es fundamental en toda la Física.   Este concepto tiene alguna relación con un campo de fútbol o un campo de maíz, sin embargo en Física este concepto se caracteriza por preciso y complejo, pues requiere del manejo de herramientas matemáticas con cierto nivel de complejidad.

Generalización del modelo: La propiedad altura puede ser cualquier magnitud física de naturaleza escalar, vectorial, matricial (tensor). La variable espacial x se extiende al vector posición. Definición: Campo M (magnitud física) es toda función (α significa escalar, vector o sensor) de la posición r.

M F^α (r)

Además, si el campo depende del tiempo se dice que se trata de una onda.

M F^α (r, t)

Generalización del modelo: La propiedad altura puede ser cualquier magnitud física de naturaleza escalar, vectorial, matricial (tensor). La variable espacial x se extiende al vector posición.

Definición: Campo M (Magnitud física) es toda función (α significa escalar, vector o tensor) de la posición r.

Potencial eléctrico V (r) Potencial Magnético A (r) Campo de Fuerzas F (r) Potencial\, \, gravitatoria\, U_{g}\left ( r \right )

Campo gravitatorio g(r) Campo eléctrico  E (r) Campo magnético B (r) Campo de temperaturas T (r)

Hay campos que provienen de otros campos.  Por ejemplo un campo vectorial puede provenir de un campo escalar.  Si la operación que los transforma es una deriva direccional  (que se hace mediante una operación que se llama nabla ∇ se dice que "el campo deriva de".  Ejemplo, el campo eléctrico “deriva de” un potencial eléctrico o el campo magnético “deriva de” un potencial vector.

Analiza los siguientes videos y explica lo que ocurre.

Referencias imágenes

1. Kerchak (2019). Gravedad: ¿Qué es? Fuerza de la gravedad en la Tierra y la Luna. Disponible en: https://kerchak.com/que-es-la-fuerza-de-la-gravedad/
2. Costa, P. (s.f.) Viaje al Cosmos. Las extraordinarias formas de expresar cómo influye la gravedad en la tierra. Disponible en: https://viajealcosmos.com/como-influye-la-gravedad-en-la-tierra/.