Partícula de prueba

En teoría física , una partícula de prueba , o carga de prueba , es un modelo idealizado de un objeto cuyas propiedades físicas (generalmente masa , carga o tamaño ) se consideran despreciables, salvo la propiedad que se estudia, la cual se considera insuficiente para alterar el comportamiento del resto del sistema. El concepto de partícula de prueba suele simplificar problemas y puede proporcionar una buena aproximación a los fenómenos físicos. Además de su uso para simplificar la dinámica de un sistema en límites específicos, también se utiliza como herramienta de diagnóstico en simulaciones computacionales de procesos físicos.

En las simulaciones con campos eléctricos, las características más importantes de una partícula de prueba son su carga eléctrica y su masa . En esta situación, a menudo se la denomina carga de prueba .

El campo eléctrico creado por una carga puntual q es

${\displaystyle {\textbf {E}}={\frac {q{\hat {\mathbf {r} }}}{4\pi \varepsilon _{0}r^{2}}}}$,

donde ε ₀ es la permitividad eléctrica del vacío .

Multiplicando este campo por una carga de prueba${\displaystyle q_{\textrm {prueba}}}$Describe la fuerza eléctrica ( ley de Coulomb ) que ejerce el campo sobre una carga de prueba. Cabe destacar que tanto la fuerza como el campo eléctrico son magnitudes vectoriales, por lo que una carga de prueba positiva experimentará una fuerza en la dirección del campo eléctrico.

El caso más sencillo para la aplicación de una partícula de prueba surge en la ley de gravitación universal de Newton . La expresión general para la fuerza gravitatoria entre dos masas puntuales cualesquiera${\displaystyle m_{1}}$y${\displaystyle m_{2}}$es:

${\displaystyle F=-G{\frac {m_{1}m_{2}}{|\mathbf {r} _{1}-\mathbf {r} _{2}|^{2}}}}$,

dónde${\displaystyle \mathbf {r} _{1}}$y${\displaystyle \mathbf {r} _{2}}$representan la posición de cada partícula en el espacio. En la solución general para esta ecuación, ambas masas giran alrededor de su centro de masa R , en este caso específico: ^{[ 1 ]}

${\displaystyle \mathbf {R} ={\frac {m_{1}\mathbf {r} _{1}+m_{2}\mathbf {r} _{2}}{m_{1}+m_{2}}}}$.

En el caso en que una de las masas sea mucho mayor que la otra (${\displaystyle m_{1}\gg m_{2}}$), se puede suponer que la masa más pequeña se mueve como una partícula de prueba en un campo gravitatorio generado por la masa más grande, que no acelera. Podemos definir el campo gravitatorio como

${\displaystyle \mathbf {g} (r)=-{\frac {Gm_{1}}{r^{2}}}{\hat {\mathbf {r} }}}$,

con${\displaystyle r}$como la distancia entre el objeto masivo y la partícula de prueba, y${\displaystyle {\hat {r}}}$es el vector unitario en la dirección que va desde el objeto masivo hacia la masa de prueba. La segunda ley del movimiento de Newton de la masa más pequeña se reduce a

${\displaystyle \mathbf {a} (r)={\frac {F}{m_{2}}}{\hat {\mathbf {r} }}=\mathbf {g} (r)}$,

y, por lo tanto, solo contiene una variable, para la cual la solución se puede calcular más fácilmente. Este enfoque proporciona muy buenas aproximaciones para muchos problemas prácticos, por ejemplo, las órbitas de los satélites , cuya masa es relativamente pequeña en comparación con la de la Tierra .

En las teorías métricas de la gravitación, en particular en la relatividad general , una partícula de prueba es un modelo idealizado de un objeto pequeño cuya masa es tan pequeña que no perturba de forma apreciable el campo gravitatorio ambiental .

Según las ecuaciones de campo de Einstein , el campo gravitatorio está acoplado localmente no solo a la distribución de masa-energía no gravitatoria , sino también a la distribución de momento y tensión (por ejemplo, presión, tensiones viscosas en un fluido perfecto ).

En el caso de partículas de prueba en una solución de vacío o solución de electrovacío , esto implica que, además de la aceleración de marea experimentada por pequeñas nubes de partículas de prueba (con o sin espín), las partículas de prueba con espín pueden experimentar aceleraciones adicionales debido a las fuerzas espín-espín . ^{[ 2 ]}

• Partícula puntual ( masa puntual , carga puntual )