Warum spielt das elektrische Feld eine wichtige Rolle beim Sehen?

Das Sehvermögen unseres Auges beruht auf der Kraft, die die sich bewegende Ladung auf unserer Netzhaut erfährt. Die sich bewegende Ladung erfährt Kraft sowohl aufgrund elektrischer als auch magnetischer Felder.

Kraft durch elektrisches Feld: qE

Kraft durch Magnetfeld: qVB

Verhältnis dieser beiden Kräfte = E/VB

                   =C/V

                   =10^8/V

Daher schwingen sich bewegende Teilchen hauptsächlich aufgrund des elektrischen Felds, und daher spielt das elektrische Feld eine wichtige Rolle beim Sehvorgang.

Bei der elektromagnetischen Strahlung ist es das elektrische Feld,$\vec{E}(r,t)$die eine größere Stärke hat als das Magnetfeld$\vec{B}(r,t)$. Der formale Ausdruck für diese Felder lässt sich aus der Maxwell-Gleichung ableiten:

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

$$\vec{B}(\vec{r},t) = \vec{\nabla} \times \vec{A}(\vec{r},t) \tag{2}$$ Hier gehen wir davon aus, dass sich diese EM-Strahlung im Vakuum befindet, sodass keine externen elektrischen und magnetischen Felder vorhanden sind. Wir wählen die Coulomb-Eichung: $$\vec{\nabla}.\vec{A}(\vec{r},t) = 0 \tag{3}$$ Mit der Maxwell-Gleichung können wir das zeigen $\vec{A}(\vec{r},t)$erfüllt die Wellengleichung: $$\vec{\nabla}^2 \vec{A}(\vec{r},t) - \frac{1}{c^2} \frac{\partial ^2\vec{A}(\vec{r},t)}{\partial^2t} = 0 \tag{4}$$ Diese Gleichung ergibt die folgende Lösung: $$\vec{A} = 2\vec{A}_{0}(\omega)cos(\vec{k}.\vec{r}-\omega t + \phi) \tag{5}$$ Hier $\vec{A}_{0}(\omega)$bestimmt Intensität und Polarisationsrichtung der Strahlung. Wenn $\vec{k}$ist die Ausbreitungsrichtung der Strahlung dann: $$\vec{k}.\vec{A}_{0}(\omega) = 0 \tag{6}$$ Da die Strahlung transversaler Natur ist. Die mit diesem Vektorpotential verbundenen elektrischen und magnetischen Felder können unter Verwendung von (1) und (2) wie folgt ermittelt werden: $$\vec{E} = -2\omega A_{0}(\omega)sin(\vec{k}.\vec{r} - \omega t + \phi)\hat{\epsilon} \tag{7}$$ $$\vec{B} = -2A_{0}(\omega)sin(\vec{k}.\vec{r} - \omega t + \phi)\vec{k}\times \hat{\epsilon} \tag{8}$$ Seit $\omega$Da sichtbares Licht beispielsweise von sehr hoher Ordnung ist, können wir sagen, dass die meisten mit elektromagnetischer Strahlung verbundenen Effekte auf dieses elektrische Feld zurückzuführen sind.

Was wissen wir über das Sehen? - Die elektrische Felderklärung der Brechung und ihre Rolle.

Einführung

Hinweis für die Leser: Dies ist leicht verständlich geschrieben und stimmt mit den bekannten Erklärungen prominenter Physiker überein, ohne auf die größtmögliche Detailebene einzugehen.

Licht bewegt sich mit fast 300.000.000 Metern/Sekunde fort, was bedeutet, dass es uns von der Sonne in 500 Sekunden erreicht.

Wenn Licht auf feste oder flüssige Materialien trifft, wird es meistens von der Oberfläche reflektiert, aber in anderen Fällen wie Wasser, Glas und jedem Gegenstand, den wir als transparent bezeichnen, dringt es in das Material ein und das meiste davon tritt auf der anderen Seite wieder aus.

Licht oszilliert und kann als einer sich schnell bewegenden Schraubenfeder ähnlich angesehen werden. Die Feder hat einen regelmäßigen Abstand zwischen ihren Windungen und für Licht ist die entsprechende Eigenschaft ihre Wellenlänge. Das Material quetscht das Licht in seiner Ausbreitungsrichtung – es reduziert seine Wellenlänge auf die gleiche Weise, wie man auf jedes Ende einer Schraubenfeder drücken kann, wodurch sich ihre Spirale zusammendrückt. Dies wird Refraktion genannt.

Wechselwirkungen mit elektrischen Feldern

Es ist das elektrische Feld des Materials, das die Wellenlänge des Lichts komprimiert, um komprimiert zu werden. Wir können uns vorstellen, dass das einfallende Licht eine kleine Delle in der Oberfläche des Materials verursacht, indem es eine Delle im elektrischen Feld des Materials (an der Materialgrenze) erzeugt, wenn es sich seinen Weg durch die Oberfläche bahnt. Diese Delle hat eine Tiefe und eine Breite. (Die Tiefe hängt von der Art des Materials und von der Anzahl der Photonen ab, die an ungefähr derselben Stelle eintreten. Seine Breite ist eine Funktion der Amplitude des elektrischen Felds des Photons.) Das Photon bewegt sich vorwärts und sein elektrisches Feld schwingt seitlich ein und aus. Der Gesamteffekt ist ein elektrisches Feld, das (aus Sicht des Materials in einem spitzen Winkel hinein zeigt und dessen Feld die Richtung des Felds in einen weniger spitzen Winkel drückt. Und,

Vision

In unseren persönlichen optischen Systemen wird die Welle entlang Nerven geleitet, die Sehnerven genannt werden, die das Signal von den Lichtrezeptoren in der Netzhaut unserer Augen zum visuellen Kortex im Hinterkopf leiten, wo der Visualisierungsprozess stattfindet. Die Signale können als winzige Spannungsschwankungen auf der Kopfhaut erkannt werden. Normalerweise würde anderes elektrisches Rauschen solche Signale überdecken. Wenn das Auge jedoch etwa eine Minute lang ein sich wiederholendes Muster sieht, können die elektrischen Impulse von seiner Änderung mit dem Signal akkumuliert werden, das entsteht, wenn das Hintergrundrauschen im Durchschnitt auf etwa Null geht. Dies ist die Grundlage für elektrodiagnostische Tests, um festzustellen, ob Sehnerven vorhanden sind ein Signal tragen oder nicht.

Ändern der Lichtgeschwindigkeit

Im Fall von Wasser bewirkt sein elektrisches Feld, dass die Wellenlänge der Photonen, die hineingehen, sich auf 2/3 ihrer normalen Wellenlänge nähert, und das Licht braucht 3/2 mal so lange, um die gleiche Strecke wie normal zurückzulegen, wenn es durch das Wasser geht . Die Änderung des Zeitfaktors wird als Brechungsindex bezeichnet und ist, wie Sie vielleicht gefolgert haben, immer größer als 1.

Somit fungieren unsere persönlichen optischen Systeme als Signalwandler, die die Energie eines Photons in ein elektrisches Signal umwandeln, das von unseren Sehnerven zur weiteren Verarbeitung getragen wird.

Unsere Augen

Tatsächlich haben unsere persönlichen optischen Systeme (Augen) 3 Stufen. Das Licht geht durch die Linse des Auges, die eine konvexe Form hat, die in der Dicke von dünn zu dick zu dünn und dem anderen Merkmal der Brechung (Richtungsänderung beim Passieren einer Grenze) variiert zwischen Materialien unterschiedlicher Art) bewirkt, dass das Licht als Bild auf der Netzhaut hinter jedem Auge fokussiert wird. Die mittlere Stufe geht durch das Wasser zwischen Linse und Netzhaut und hier gibt es nicht viel Veränderung. Wenn die Form oder Größe der Wasserkugel unvollkommen ist, führt dies zu einer Unschärfe des Bildes. Das Licht macht Dellen auf dem Material der Netzhaut (wie zuvor beschrieben) – auf den Stäbchen (für das Schwarz-Weiß-Nachtsehen) und den Zapfen (für das Farbsehen) und Signale wandern von ihnen um den Sehnerv herum. Wir haben 3 Zapfentypen – jeder mit seinem eigenen unterschiedlichen elektrischen Feld und daher empfindlich für 3 verschiedene Bereiche von Lichtwellenlängen – und diese führen zu Signalen, die unser visueller Kortex uns als rot, grün und blau und Kombinationen davon anzeigt. (So ​​gibt es eigentlich kein rotes, grünes oder blaues Licht, aber es gibt Wellenlängenbereiche, die unser Gehirn schließlich als Farben interpretiert.)

Wichtiger Punkt

Aus dieser Diskussion sollten Sie gelernt haben, dass es der elektrische Feldteil eines Photons ist, der mit den elektrischen Feldern von Materialien interagiert und das Ergebnis eine Verlangsamung des Photons auf seinem Weg durch das Material ist. Dies unterscheidet sich vom Widerstand, da der Widerstand die Photonen immer mehr verlangsamen würde. Widerstand tritt sicherlich in einigen Materialien auf - den sogenannten undurchsichtigen - die Photonen verlieren Energie durch andere Prozesse und eine geringere Anzahl tritt aus als eindringt.

Wenn in sehr transparenten Materialien das Licht aus dem Material austritt, beeinflusst der Kompressionsdruck des elektrischen Felds des Materials das Photon nicht mehr, sodass es sich wieder auf seine normale Wellenlänge ausdehnt.

Man kann sich fragen, ob die oszillierende Magnetfeldkomponente des Photons irgendeine Rolle bei der Brechung spielt. Das behauptet bis heute niemand. Das Material, auf das unten verwiesen wird, spricht ausschließlich von der beteiligten elektrischen Feldkomponente,

David L. Evans PhD 21. September 2017

Veröffentlichung

Evans DL, Goode DH, Ein flexibles automatisiertes Datenerfassungssystem für die ophthalmologische Elektrophysiologie, Aust Phys Eng Sci in Med. verwendet 15: 124–130, 1992

Verwandtes Material

MIT-Vortrag

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

Richard Feynmann

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