Почему электрическое поле играет важную роль в зрении?

Зрение нашего глаза обусловлено силой, с которой движущийся заряд действует на нашу сетчатку. Движущийся заряд испытывает силу как из-за электрических, так и из-за магнитных полей.

Сила электрического поля: qE

Сила магнитного поля: qVB

Отношение этих двух сил=E/VB

                   =C/V

                   =10^8/V

Следовательно, движущаяся частица колеблется в первую очередь из-за электрического поля, и, следовательно, электрическое поле играет главную роль в процессе зрения.

В электромагнитном излучении это электрическое поле,$\vec{E}(r,t)$которое имеет большую величину, чем магнитное поле$\vec{B}(r,t)$. Формальное выражение для этих полей можно получить из уравнения Максвелла:

$$\vec{E}(\vec{r},t) = -\vec{\nabla}{\phi}(\vec{r},t) - \frac{\partial \vec{A}(\vec{r},t)}{\partial t} \tag{1}$$

$$\vec{B}(\vec{r},t) = \vec{\nabla} \times \vec{A}(\vec{r},t) \tag{2}$$ Здесь мы предполагаем, что это ЭМ излучение находится в вакууме, поэтому внешние электрические и магнитные поля отсутствуют. Выбираем кулоновскую калибровку: $$\vec{\nabla}.\vec{A}(\vec{r},t) = 0 \tag{3}$$ Используя уравнение Максвелла, мы можем показать, что $\vec{A}(\vec{r},t)$удовлетворяет волновому уравнению: $$\vec{\nabla}^2 \vec{A}(\vec{r},t) - \frac{1}{c^2} \frac{\partial ^2\vec{A}(\vec{r},t)}{\partial^2t} = 0 \tag{4}$$ Это уравнение дает следующее решение: $$\vec{A} = 2\vec{A}_{0}(\omega)cos(\vec{k}.\vec{r}-\omega t + \phi) \tag{5}$$ Здесь $\vec{A}_{0}(\omega)$определяет интенсивность и направление поляризации излучения. Если $\vec{k}$- направление распространения излучения, тогда: $$\vec{k}.\vec{A}_{0}(\omega) = 0 \tag{6}$$ Так как излучение носит поперечный характер. Электрические и магнитные поля, связанные с этим векторным потенциалом, могут быть найдены с использованием (1) и (2): $$\vec{E} = -2\omega A_{0}(\omega)sin(\vec{k}.\vec{r} - \omega t + \phi)\hat{\epsilon} \tag{7}$$ $$\vec{B} = -2A_{0}(\omega)sin(\vec{k}.\vec{r} - \omega t + \phi)\vec{k}\times \hat{\epsilon} \tag{8}$$ С $\omega$скажем, видимый свет очень высокого порядка, мы можем сказать, что большинство эффектов, связанных с электромагнитным излучением, происходят из-за этого электрического поля.

Что мы знаем о видении? - Электрическое поле, объяснение преломления и его роль.

Введение

Примечание для читателей: это написано простым для понимания образом и согласуется с известными объяснениями, данными выдающимися физиками, без максимально возможного уровня детализации.

Свет распространяется со скоростью около 300 000 000 метров в секунду, что означает, что он достигает нас от Солнца за 500 секунд.

Когда свет сталкивается с твердыми или жидкими материалами, в большинстве случаев он отражается от поверхности, но в других случаях, таких как вода, стекло и любой предмет, который мы называем прозрачным, он входит в материал и большая его часть выходит с другой стороны.

Свет колеблется, и его можно рассматривать как что-то вроде быстро движущейся винтовой пружины. Пружина имеет регулярное расстояние между витками, а для света соответствующим свойством является длина волны. Материал сжимает свет в направлении его движения, уменьшая длину его волны точно так же, как можно нажимать на каждый конец винтовой пружины, вызывая сжатие ее спирали. Это называется преломлением.

Взаимодействие электрического поля

Это электрическое поле материала, которое сжимает длину волны света, чтобы стать сжатым. Мы можем представить себе, как падающий свет вызывает небольшую вмятину на поверхности материала, создавая вмятину в электрическом поле материала (на границе материала), когда он проталкивается через поверхность. Эта вмятина будет иметь глубину и ширину. (Глубина будет зависеть от типа материала и количества фотонов, прошедших через него почти в том же месте. Его ширина будет функцией амплитуды электрического поля фотона.) Фотон движется вперед, и его электрическое поле колеблется в стороны. Общий эффект представляет собой электрическое поле, которое (с точки зрения материала) указывает на него под острым углом, и его поле смещает направление поля под менее острый угол. И,

Зрение

В наших личных оптических системах волна проходит по нервам, называемым оптическими нервами, которые передают сигнал от световых рецепторов в сетчатке наших глаз к зрительной коре на затылке, где происходит процесс визуализации. Сигналы могут быть обнаружены как крошечные изменения напряжения, обнаруживаемые на коже головы. Обычно другие электрические помехи заглушают такие сигналы. Однако, когда глаз видит повторяющуюся картину в течение минуты или около того, электрические импульсы от ее изменения могут накапливаться с сигналом, возникающим по мере того, как фоновый шум в среднем приближается к нулю. несут сигнал или нет.

Изменение скорости света

В случае воды ее электрическое поле приводит к тому, что длина волны проходящих в нее фотонов приближается к 2/3 их нормальной длины волны, и свету требуется в 3/2 раза больше времени, чтобы пройти такое же расстояние, как обычно, когда он проходит через воду. . Изменение временного фактора называется показателем преломления, и, как вы уже поняли, оно всегда больше 1.

Таким образом, наши персональные оптические системы действуют как преобразователи сигналов, преобразуя энергию фотона в электрический сигнал, передаваемый нашими зрительными нервами для дальнейшей обработки.

Наши глаза

На самом деле наши личные оптические системы (глаза) имеют 3 стадии. Свет проходит через хрусталик глаза, который представляет собой выпуклую форму, толщина которой варьируется от тонкой до толстой и тонкой, а другая характеристика преломления (изменение направления при прохождении через границу между материалами разных типов) заставляет свет фокусироваться в виде изображения на сетчатке в задней части каждого глаза. Средняя стадия проходит через воду между хрусталиком и сетчаткой и здесь особых изменений нет. Если форма или размер «сферы» воды несовершенны, это приводит к размытию изображения. Свет оставляет вмятины на материале сетчатки (как описано ранее) — на палочках (для черно-белого ночного видения) и колбочках (для цветного зрения), и сигналы от них проходят по зрительному нерву. У нас есть 3 типа колбочек — каждый со своим собственным электрическим полем и, следовательно, чувствительным к 3 различным диапазонам световых длин волн — и они приводят к сигналам, которые наша зрительная кора показывает нам как красный, зеленый и синий цвета и их комбинации. (Таким образом, на самом деле нет ни красного, ни зеленого, ни синего света, но есть диапазоны длин волн, которые наш мозг в конечном итоге интерпретирует как цвета.)

Важная точка

Из этого обсуждения вы должны были узнать, что электрическое поле фотона взаимодействует с электрическими полями материалов, и в результате фотон замедляется в своем движении через материал. Это отличается от сопротивления, поскольку сопротивление будет замедлять фотоны все больше и больше. Сопротивление, безусловно, имеет место в некоторых материалах — в тех, которые называются непрозрачными — фотоны теряют энергию в результате других процессов, и появляется меньшее их количество, чем входит.

В очень прозрачных материалах, когда свет выходит из материала, сжимающее давление электрического поля материала больше не влияет на фотон, поэтому он снова растягивается до своей нормальной длины волны.

Можно спросить, играет ли какая-либо роль в преломлении колеблющаяся составляющая Магнитного поля фотона. Пока никто этого не предлагает. Материал, на который ссылаются ниже, говорит исключительно о задействованном компоненте электрического поля,

Дэвид Л. Эванс, доктор философии, 21 сентября 2017 г.

Публикация

Эванс Д.Л., Гуд Д.Х., Гибкая автоматизированная система сбора данных для офтальмологической электрофизиологии, Aust Phys Eng Sci in Med. б/у 15: 124–130, 1992

Сопутствующий материал

Лекция Массачусетского технологического института

https://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-024-electronic-optical-and- Magnetic-properties-of-materials-spring-2013/lecture-notes/MIT3_024S13_2012lec22.pdf

Ричард Фейнман

http://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_31.html