¿Por qué el campo eléctrico tiene un papel importante en la visión?

La visión de nuestro ojo se debe a la fuerza que experimenta la carga en movimiento sobre nuestra retina. La carga en movimiento experimenta fuerza debido a campos eléctricos y magnéticos.

Fuerza debida al campo eléctrico: qE

Fuerza debida al campo magnético: qVB

Relación de estas dos fuerzas = E/VB

                   =C/V

                   =10^8/V

Por lo tanto, la partícula en movimiento oscila principalmente debido al campo eléctrico y, por lo tanto, el campo eléctrico tiene un papel importante en el proceso de visión.

En la radiación electromagnética, es el campo eléctrico,$\vec{E}(r,t)$que tiene mayor magnitud que el campo magnético$\vec{B}(r,t)$. La expresión formal para estos campos se puede derivar de la ecuación de Maxwell:

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

$$\vec{B}(\vec{r},t) = \vec{\nabla} \times \vec{A}(\vec{r},t) \tag{2}$$ Aquí asumimos que esta radiación EM está en el vacío, por lo que no hay campos eléctricos ni magnéticos externos. Elegimos el calibre de Coulomb: $$\vec{\nabla}.\vec{A}(\vec{r},t) = 0 \tag{3}$$ Usando la ecuación de Maxwell podemos demostrar que $\vec{A}(\vec{r},t)$satisface la ecuación de onda: $$\vec{\nabla}^2 \vec{A}(\vec{r},t) - \frac{1}{c^2} \frac{\partial ^2\vec{A}(\vec{r},t)}{\partial^2t} = 0 \tag{4}$$ Esta ecuación da la siguiente solución: $$\vec{A} = 2\vec{A}_{0}(\omega)cos(\vec{k}.\vec{r}-\omega t + \phi) \tag{5}$$ Aquí $\vec{A}_{0}(\omega)$determina la intensidad y la dirección de polarización de la radiación. Si $\vec{k}$es la dirección de propagación de la radiación entonces: $$\vec{k}.\vec{A}_{0}(\omega) = 0 \tag{6}$$ Dado que la radiación es de naturaleza transversal. Los campos eléctricos y magnéticos asociados con este vector potencial se pueden encontrar usando (1) y (2) para ser: $$\vec{E} = -2\omega A_{0}(\omega)sin(\vec{k}.\vec{r} - \omega t + \phi)\hat{\epsilon} \tag{7}$$ $$\vec{B} = -2A_{0}(\omega)sin(\vec{k}.\vec{r} - \omega t + \phi)\vec{k}\times \hat{\epsilon} \tag{8}$$ Desde $\omega$porque digamos que la luz visible es de orden muy alto, podemos decir que la mayoría de los efectos asociados con la radiación electromagnética se deben a este campo eléctrico.

¿Qué sabemos sobre la visión? - El campo eléctrico Explicación de la refracción y su función.

Introducción

Nota para los lectores: Esto está escrito de una manera fácil de entender y es consistente con las explicaciones conocidas dadas por destacados físicos sin entrar en el mayor nivel de detalle posible.

La luz viaja cerca de 300.000.000 metros/segundo lo que significa que nos llega del sol en 500 segundos.

Cuando la luz se encuentra con materiales sólidos o líquidos, la mayoría de las veces se refleja en la superficie, pero en otros casos, como el agua, el vidrio y cualquier elemento que llamamos transparente, ingresa al material y la mayor parte sale por el otro lado.

La luz oscila y puede verse como algo similar a un resorte helicoidal que se mueve rápidamente. El resorte tiene un espacio regular entre sus vueltas y para la luz la propiedad correspondiente es su longitud de onda. El material aprieta la luz en su dirección de viaje, reduciendo su longitud de onda de la misma manera que uno puede empujar cada extremo de un resorte helicoidal y hacer que su espiral se comprima. Esto se llama refracción.

Interacciones de campo eléctrico

Es el campo eléctrico del material el que comprime la longitud de onda de la luz para comprimirse. Podemos imaginar que la luz entrante causa una pequeña abolladura en la superficie del material haciendo una abolladura en el campo eléctrico del material (en el límite del material) a medida que avanza a través de la superficie. Esta abolladura tendrá una profundidad y un ancho. (La profundidad dependerá del tipo de material y del número de fotones que pasen por él en un lugar muy similar. Su ancho será una función de la amplitud del campo eléctrico del fotón). El fotón se mueve hacia adelante y su campo eléctrico oscila hacia adentro y hacia afuera hacia un lado. El efecto general es un campo eléctrico que (desde el punto de vista del material apunta hacia él en un ángulo agudo y su campo empuja la dirección del campo hacia un ángulo menos agudo. Y,

Visión

En nuestros sistemas ópticos personales, la onda se canaliza a lo largo de nervios llamados nervios ópticos que llevan la señal de los receptores de luz en la retina de nuestros ojos a la corteza visual en la parte posterior de la cabeza, donde tiene lugar el proceso de visualización. Las señales pueden detectarse como pequeñas variaciones de voltaje detectables en el cuero cabelludo. Normalmente, otro ruido eléctrico inundaría tales señales. Sin embargo, cuando el ojo ve un patrón repetido durante aproximadamente un minuto, los pulsos eléctricos de su cambio se pueden acumular y la señal emerge a medida que el ruido de fondo promedia alrededor de cero. Esta es la base de las pruebas de electrodiagnóstico para determinar si los nervios ópticos están llevando una señal o no.

Cambiando la velocidad de la luz

En el caso del agua, su campo eléctrico hace que la longitud de onda de los fotones que pasan por ella se acerque a 2/3 de su longitud de onda normal y la luz tarda 3/2 veces el tiempo en recorrer la misma distancia normal cuando pasa a través del agua. . El cambio del factor tiempo se llama índice de refracción y, como habrás deducido, siempre es mayor que 1.

Por lo tanto, nuestros sistemas ópticos personales actúan como transductores de señales que cambian la energía de un fotón en una señal eléctrica transportada por nuestros nervios ópticos para su posterior procesamiento.

Nuestros ojos

De hecho, nuestros sistemas ópticos personales (ojos) tienen 3 etapas: la luz pasa a través del cristalino del ojo, que es una forma convexa que varía en grosor de delgado a gordo y delgado y la otra característica de refracción (cambio de dirección al pasar a través de un límite entre materiales de diferentes tipos) hace que la luz se enfoque como una imagen en la retina en la parte posterior de cada ojo. La etapa intermedia pasa por el agua entre el cristalino y la retina y no hay mucho cambio aquí. Si la forma o el tamaño de la 'esfera' de agua son imperfectos, la imagen se verá borrosa. La luz hace mellas en el material de la retina (como se describió anteriormente), en los bastones (para la visión nocturna en blanco y negro) y los conos (para la visión en color) y las señales viajan desde ellos alrededor del nervio óptico. Tenemos 3 tipos de conos, cada uno con su propio campo eléctrico distinto y, por lo tanto, sensible a 3 rangos diferentes de longitudes de onda de luz, y estos dan como resultado señales que nuestra corteza visual nos muestra como rojo, verde y azul y combinaciones de los mismos. (Por lo tanto, en realidad no hay luz roja, verde ni azul, pero hay rangos de longitudes de onda que nuestro cerebro finalmente interpreta como colores).

Punto importante

De esta discusión debería haber aprendido que es la parte del campo eléctrico de un fotón la que interactúa con los campos eléctricos de los materiales y el resultado es una desaceleración del fotón en su viaje a través del material. Esto es diferente a la resistencia, ya que la resistencia ralentizaría los fotones cada vez más. La resistencia ciertamente ocurre en algunos materiales, los denominados opacos, los fotones pierden energía por otros procesos y emerge un número menor que el que ingresa.

En materiales muy transparentes, cuando la luz emerge del material, la presión de compresión del campo eléctrico del material ya no influye en el fotón, por lo que se estira nuevamente a su longitud de onda normal.

Uno puede preguntarse si el componente de campo magnético oscilante del fotón tiene algún papel en la refracción. Hasta la fecha nadie sugiere eso. El material al que se hace referencia a continuación solo habla del componente de campo eléctrico involucrado,

David L Evans PhD 21 de septiembre de 2017

Publicación

Evans DL, Goode DH, Un sistema flexible de adquisición de datos automatizado para electrofisiología oftálmica, Aust Phys Eng Sci in Med. usado 15: 124–130, 1992

material relacionado

Conferencia del MIT

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

ricardo feynman

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