Campo (fÃsica)
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En fÃsica, un campo es cualquier magnitud fÃsica que presenta cierta variación sobre una región del espacio. En ocasiones campo se refiere a una abstracción matemática para estudiar la variación de una cierta magnitud fÃsica; en este sentido el campo puede ser un ente no visible pero sà medible.
Históricamente fue introducido para explicar la acción a distancia de las fuerzas de gravedad, eléctrica y magnética, aunque con el tiempo su significado se ha extendido substancialmente, para describir variaciones de temperatura, tensiones mecánicas en un cuerpo, propagación de ondas, etc.
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[editar] Concepto amplio de campo fÃsico
Los sistemas fÃsicos formados por un conjunto de partÃculas interactuantes de la mecánica clásica y los sistemas fÃsicos de partÃculas relativistas sin interacción, son sistemas con un número finito de grados de libertad, cuyas ecuaciones de movimiento vienen dadas por ecuaciones diferenciales ordinarias como todos los ejemplos anteriores. Sin embargo, los campos fÃsicos además de evolución temporal o variación en el tiempo, presentan variación en el espacio. Esa caracterÃstica hace que los campos fÃsicos se consideren informalmente como sistemas con un número infinito de grados de libertad. Las peculiaridades de los campos hacen que sus ecuaciones de "movimiento" o evolución temporal vengan dadas por ecuaciones en derivadas parciales en lugar de ecuaciones diferenciales ordinarias.
[editar] Campos escalares, vectoriales y tensoriales
Una clasificación posible atendiendo a la forma matemática de los campos es:
- Campo escalar: aquel en el que cada punto del espacio lleva asociada una magnitud escalar. (campo de temperaturas de un sólido, campo de presiones atmosféricas...)
- Campo vectorial: aquel en que cada punto del espacio lleva asociado una magnitud vectorial (campos de fuerzas,...).
- Campo tensorial: aquel en que cada punto del espacio lleva asociado un tensor (campo electromagnético en electrodinámica clásica, campo gravitatorio en teorÃa de la relatividad general, campo de tensiones de un sólido, etc.).
- Campo espinorial: un campo que generaliza al tipo anterior y que aparece sólo en mecánica cuántica y teorÃa cuántica de campos
[editar] Propiedades de campos escalares y vectoriales
[editar] Ejemplos de campos fÃsicos
[editar] Campos de fuerzas en fÃsica clásica
En fÃsica el concepto surge ante la necesidad de explicar la forma de interacción entre cuerpos en ausencia de contacto fÃsico y sin medios de sustentación para las posibles interacciones. La acción a distancia se explica, entonces, mediante efectos provocados por la entidad causante de la interacción, sobre el espacio mismo que la rodea, permitiendo asignar a dicho espacio propiedades medibles. AsÃ, será posible hacer corresponder a cada punto del espacio valores que dependerán de la magnitud del cuerpo que provoca la interacción y de la ubicación del punto que se considera. Los campos más conocidos en fÃsica clásica son:
- Campo electromagnético. Descomponible para cada observador en dos campos campo electrostático y campo magnético. En fÃsica newtoniana el campo electromagnético puede ser tratado como dos campos vectoriales, aunque en fÃsica relativista el campo electromagnético relativista se trata como un campo tensorial, derivable de un único campo vectorial cuatridimensional.
- Campo gravitatorio. En mecánica newtoniana el campo gravitatorio puede ser tratado como un campo vectorial irrotacional, y por tanto derivable de un campo escalar. En cambio la descripción de la gravedad en la TeorÃa general de la relatividad es más compleja y requiere definir un tensor de segundo orden, llamado tensor métrico sobre un espacio-tiempo curvo
[editar] Campos de fuerzas en fÃsica cuántica
En teorÃa cuántica los campos se tratan como distribuciones que permiten asignar operadores que describen el campo. La existencia de un campo medible en una región del espacio se trata como un estado del espacio-tiempo consistente en que la medición de los operadores de campo sobre determinada región del espacio toma cierta distribución.
[editar] Campo de tensiones
La mecánica de medios continuos estudia la deformación de un sólido continuo o el movimiento de un fluido, mediante la asignación a cada punto del medio continuo de un campo tensorial llamado tensor tensión y dos campos vectoriales: un campo de velocidades y un campo de desplazamientos. Todos esos campos se relacionan mediante un sistema complejo de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, generalmente no lineales. Debido a la complejidad de las ecuaciones de movimiento que describe la evolución temporal de dese tipo de sistemas muchas veces esos problemas sólo pueden ser abordados de manera práctica mediante técnicas numéricas como el método de los elementos finitos.
[editar] Propagación de ondas
La propagación de ondas, es el estudio de como cierto tipo de perturbación de un medio material o un medio continuo pasa de afectar las regiones vecinas de regiones previamente afectadas para la perturbación. Aunque existen diversos tipos de fenómenos ondulatorios, muchos fenómenos de propagación de ondas pueden ser modelizados por la ecuación de onda que es una ecuación diferencial lineal en derivadas parciales de tipo parabólico, para la que existen multitud de técnicas de resolución, tanto analÃticas como numéricas.