Home Física Biología Glaciología
TEMAS | FÍSICA Las fuerzas eléctricas y magnéticas: la idea de campo
Agujeros Masivos
Volta
Teoría de la relatividad
Electrones, fotones
Newton, la gravedad
Galvani y Volta
Las fuerzas eléctricas y magnéticas
Confinamiento y libertad de los quarks
La teoría del Átomo
Grados de libertad internos y compactos
El principio de la Relatividad de Einstein
Galvani y la electricidad animal
Las fuerzas
El movimiento
La dimensión
La dimensión geométrica
Geometría y física



electricas1


electricas2

La acción de una peineta de plástico sobre un pedazo de papel -una fuerza eléctrica, a veces de atracción, otras de repulsión- o la magia de un imán que hace saltar clavos desde el suelo parecen ser efectos "a distancia". ¿Puede mantenerse de manera consistente esa idea de que sin haber nada en medio, solo el espacio, haya una acción de un cuerpo sobre otro? Filosóficamente, resulta incómodo. Una primera respuesta que los físicos se dieron fue la idea de campo.

Charles Coulomb verificó experimentalmente que objetos que son cargados según un determinado procedimiento, por ejemplo, al frotarlos con algún particular material, se atraen o se repelen entre sí. Cuando dos de esos objetos se repelen se dice que tienen una carga del mismo signo; cuando se atraen, de distinto signo. Eso alude al tipo de propiedad que un cuerpo debe tener para provocar el fenómeno. La intensidad de la fuerza de interacción depende de la magnitud de carga que tengan los cuerpos y de la distancia entre ellos. Mientras menor la distancia entre los objetos, mayor es la fuerza.

La llamada ley de Coulomb establece una ecuación matemática para la fuerza en función de la cantidad de carga de los objetos y de la distancia entre ellos. La fuerza depende de la distancia como el inverso del cuadrado de ésta, esto es, al doble de la distancia le corresponde un cuarto de la fuerza, etc.

Este es un importante resultado. Pero, ¿cómo se "da cuenta" un objeto, separado una cierta distancia de otro objeto, de que está siendo "atraído" o "repelido"? Si a esta pregunta le damos unos segundos de reflexión nos convenceremos de que esto es una de esas cosas que se esconden bajo la alfombra.

Este mismo problema se da con la ley de gravitación universal de Newton. ¿Cómo sabe la Luna, o cómo sabe una piedra que cae que está siendo atraída por la Tierra, si no se encuentra "en contacto" con ella? La idea de acción a distancia sobrevivió a la física del siglo XVIII.

El campo


Los físicos del siglo XIX, específicamente el inglés Michael Faraday, introdujeron otra idea: el concepto de campo.

¿Qué hay en el espacio entre las dos cargas, y que pueda comunicar las fuerzas que éstas se ejercen? Hay un campo.

Este campo representa la causa de las fuerzas eléctricas que experimenta un cuerpo cargado en cada punto del espacio. Este campo aparece, o tiene su origen, a su vez, en otras cargas. Pero, no necesitamos saber qué cargas son esas, una vez que sabemos los detalles del campo mismo. De esta manera independizamos conceptualmente el campo de las cargas. Pueden ser consideradas entidades separadas, los campos y las cargas, que interactúan entre sí: el campo afecta a la carga y la carga al campo.

Matemáticamente, el campo es una función que a cada punto del espacio le asigna una intensidad y una dirección, y que corresponden más o menos a la intensidad y dirección de la fuerza que una carga experimentaría puesta en ese lugar. Más precisamente, es la fuerza dividida por la carga, esto es, son las unidades de fuerza por cada unidad de carga que allí, en el respectivo punto del espacio, experimentaría un objeto cargado. Faraday introdujo esta idea de "líneas de fuerza" que actúan sobre los objetos cargados que se encuentran con ellas.

El campo es una propiedad del espacio cuya presencia podemos detectar y medir.
electricas3

Campos y cargas


En el dibujo especificamos un determinado campo mediante flechas de distinto tamaño y dirección, aunque no se ha dibujado tantas flechas como se necesita (¡se necesita infinitas!). También, se ha representado solo en un plano y hay que imaginarlo más bien en tres dimensiones. En este ejemplo, en cada punto el campo tiene dirección radial respecto de un punto o centro y mientras más lejos se está del ese centro menor es la intensidad del campo.

¿Cuál es la fuente de ese campo o cómo se puede generar tal campo? Conceptualmente, es una pregunta diferente. Aunque la respuesta es necesaria para cerrar el círculo, para completar la ecuación del problema.

electricas4

El campo es el mediador de la fuerza

La respuesta es que la fuente de los campos son las propias cargas. Una carga eléctrica produce un campo en todo el espacio.

La fuerza de una carga sobre otra es el resultado del campo de una de ellas actuando sobre la otra carga. Una carga eléctrica, situada a una cierta distancia de otra carga percibe el campo de la otra carga y experimenta una fuerza. Y viceversa.

Entonces, hay un mediador. Es el campo el que media la interacción entre ambas cargas.
electricas5



electricas6

El campo electromagnético

La misma idea se usa para los campos magnéticos, que son campos que afectan a imanes, alambres con corriente, o cargas en movimiento. La fuerza que ejerce un imán en otros objetos -objetos con propiedad "magnética"- se produce a partir del campo magnético producido en el espacio por el imán.

El resultado de los efectos eléctricos y magnéticos combinados es el campo electromagnético, el cual tiene interacción con cargas, imanes o corrientes eléctricas.

Pictóricamente, no es fácil representar un campo. Ni las flechas ni las líneas que hemos usado aquí son adecuadas. Las líneas intentan dar una idea de la dirección que tiene el campo en cada punto, pero se pierde la información acerca de la intensidad. Además, y en ambos casos, el campo está en todo el espacio, no solamente donde pasa la línea o se dibuja la flecha.

Lo importante es entender que hay un continuo en el espacio que testifica que hay una alteración del mismo, que llamamos el campo, y que tiene su propia energía. Este campo se traducirá en fuerzas. Eléctricas o magnéticas, en el caso que hemos visto. O, también, gravitacionales, que es otro ámbito donde también esta idea puede aplicarse.

Pero, ¿cómo se sostiene el campo? ¿Tiene alguna "materialidad"? ¿No se estará reemplazando la idea de acción a distancia por otra áun más esotérica?

El éter sostiene el campo, se decía en el siglo XIX.

Campo y éter

En los comienzos del electromagnetismo, la introducción de la idea de campo llevó a los físicos del siglo XIX a inventar el éter, un ente bizarro de propiedades portentosas, que llenaba todo el espacio y que, en particular, era perturbado por las cargas presentes. Este éter "sostiene" el campo, y los cambios que experimenta se transmiten de un punto a otro, dando origen a las fuerzas eléctricas y magnéticas entre los objetos.

Hoy en día, la idea de campo se ha refinado o, mejor dicho, ha perdido esta concepción "éterea".

Más allá

El problema no concluye aquí. La idea de campo resultó muy fructífera en la física. Más adelante, será una idea crucial cuando el problema de las fuerzas se aborde en términos de la teoría cuántica. Esa será otra historia.

electricas7

2017 Centro de Estudios Científicos | Arturo Prat 514, Valdivia, Chile | Tel (56) 63-2-234500 | info@cecs.cl