法拉第电磁效应

1、2022-4-181一、法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律 穿过回路的磁通量变穿过回路的磁通量变化引起回路中电动势化引起回路中电动势 N 匝相同的线圈组成回路匝相同的线圈组成回路BB =dtd =dtddtdN7.1 电磁场的基本规律电磁场的基本规律正向磁通正向磁通增加增加到向后到向后四指方四指方向为向为 的方向的方向2022-4-182二、二、 Maxwell方程组方程组 Maxwell 的新思想的新思想：1、涡旋电场涡旋电场 变化的磁场产生电场变化的磁场产生电场2、位移电流位移电流 变化的电场产生磁场变化的电场产生磁场 前人的经验前人的经验：QSdDS 0 LrdE00 SSdB00

2、LIrdB00静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场2022-4-183 SSdD0SdtBrdELS 静静电电场场QSdDS 0LrdE00涡涡旋旋电电场场稳稳恒恒磁磁场场 SSdB00LIrdH0涡涡旋旋磁磁场场 SSdB0SdtDrdHLS 2022-4-184 Maxwell方程组方程组01SdESdtdl dEmLSSdB0dtdcIl dBmL201tDJHDtBE0 BEDHBEJ 各向同性、静止的介质中物态各向同性、静止的介质中物态方程方程2022-4-1851888年赫兹利用振荡偶极子研究电磁波，得出电磁波的一些性质年赫兹利用振荡偶极子研究电磁波，得出电磁波的一些性质 7.2 7.2

3、电磁波电磁波一、电磁波的辐射和传播一、电磁波的辐射和传播2022-4-186电磁波的性质电磁波的性质（实验得出）（实验得出）（1）传播规律类似几何光线，）传播规律类似几何光线， （反射、折射）（反射、折射）（2）有干涉、衍射现象）有干涉、衍射现象（3）横波）横波同位相与方向HEHEu,EHu (4) 波速波速 1ucu 001 真空中真空中（5）能穿透绝缘体，但被导体屏蔽）能穿透绝缘体，但被导体屏蔽2022-4-187 的频率、相位和振幅的关系的频率、相位和振幅的关系HE,沿沿X轴正向传播的特解：轴正向传播的特解：)(cos0uxtEEy 与之相应的磁场与之相应的磁场 dtxEHyz1)(co

4、s0uxtuEHz tHxEzy HE, 同相、同频同相、同频00HEHExyz2022-4-188能流密度大小：能流密度大小：(6) 能量关系能量关系Wu =EH 方向：沿方向：沿 的方向的方向utsuuHES辐射强度（玻印亭矢量）辐射强度（玻印亭矢量）对于平面波对于平面波：)(cos200uxtHEEHS平均辐射强度平均辐射强度：0021HESEHu2022-4-189电磁波的传播电磁波的传播2022-4-1810电磁波的传播电磁波的传播2022-4-1811 电磁波的传播电磁波的传播2022-4-1812二、电磁波谱1865年麦克斯韦建立了完整的电磁场理论，并预言了电磁波的存在及电磁波的

5、波速就是光速。1887年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言，并且证实了电磁波和光波一样，具有反射、折射、干涉、偏振等现象。此后，人们先后发现了X射线、 射线等都是电磁波。按照电磁波在真空中的波长或频率的顺序把各种电磁波排列起来，被称为电磁波谱。2022-4-1813 一、微波生物效应现象微波生物效应现象从研究的方法上考虑，则可分为电磁场的致热生物效应和非热生物效应。 1热效应现象热效应现象 所谓热效应，是指电磁波照射到生物体中，使生物体的温度升高，从而所谓热效应，是指电磁波照射到生物体中，使生物体的温度升高，从而促进细胞的代谢水平，并由此引起生物体的各种生理和病理变化过程。促进细胞的代谢水平，并由

6、此引起生物体的各种生理和病理变化过程。 2非热效应现象非热效应现象 所谓非热效应，是指电磁场通过热效应以外的方式来改变生物体生理、所谓非热效应，是指电磁场通过热效应以外的方式来改变生物体生理、生化过程的效应。生化过程的效应。或者说电磁场除了对生物组织的加热作用外，电磁辐射或者说电磁场除了对生物组织的加热作用外，电磁辐射对生物体的其他生理影响，这种影响是用别的手段提供热时不会出现的。对生物体的其他生理影响，这种影响是用别的手段提供热时不会出现的。这种说法当然是很笼统的，但是到目前为止，还不能给非热生物效应下一这种说法当然是很笼统的，但是到目前为止，还不能给非热生物效应下一个确切的定义。个确切的定

7、义。 7-3 微波的生物效应2022-4-1814二、热效应和非热效应的基本特点 电磁波致热生物效应的主要特点是电磁波致热生物效应的主要特点是：在生物体的平衡态附近，生物系统对电磁波的应答（即响应）是属于线性范围，这种范围一直可达到场强值为105Vm的区域。生物系统产生的热正比于场强的平方，并且这种热效应和用其他不同的加热方式（如红外线和热水浴）加热生物系统所产生的热效应是相同的。 电磁场的非热生物效应有如下的一些特点电磁场的非热生物效应有如下的一些特点：生物系统对满足一定条件的电磁波的应答是非线性的。这种应答在生物学上与免疫反应相类似，在化学上与自催化学反应相类似，在物理学上与相变过程相类似

8、。这种应答方式有时可用协同性或相干性来说明。非热生物效应的生物应答有频率特异性，即只对一定频率的电磁波有明显的应答，一般将其称为“频率窗”效应。除了“频率窗”外，还有所谓的“功率窗”或“振幅窗”效应。如前所述的新生鸡离体前脑组织的钙离子的“功率窗”效应。在应答的时间上和强度上，非热生物效应发生要快得多，强得多，而且能直接反映出来。常常有这种情况，引起非热效应的人射功率密度可能是十分微弱的，但在引起非热效应时，生物系统的应答常常是很强烈的。 2022-4-1815 三、非热生物效应的一些机理问题讨论 电磁场与生物体的相互作用通常可分为热效应和非热效应，历史上长时期主要是研究热效应，所以非热效应的

9、研究相对来说要少一些，至今非热生物效应的微观机理还不很清楚 。2022-4-18167-4 红外技术一、红外辐射红外辐射 在电磁波谱中，介于可见光和微波之间，波长在0.75ml000m范围内的电磁波被称为红外线。mmmm10001515663;375. 0极远红外：波长范围为远红外：波长范围为中红外：波长范围为近红外：波长范围为2022-4-1817二、热辐射规律二、热辐射规律红外辐射最显著的特性是热效应，遵从热辐射的一般规律。 能够吸收一切外来的电磁辐射的物体模型能够吸收一切外来的电磁辐射的物体模型，叫做黑体黑体。黑体的吸收本领最大，因而它的辐射本领也最大。一般物体的辐射本领（或吸收本领）除

10、与温度有关外，还和材料种类、表面状态等因素有关。而黑体的辐射本领却只与温度无关。 人们由实验和理论总结出两条有关黑体辐射的规律。即：1 斯忒藩波尔兹曼定律黑体的单位表面上在单位时间内发出的热辐射（包括全部波长范围） 总能量（即辅出度）E0和它的热力学温度T的四次方成正比，即 式中=5.6010-8W/m2，称为斯忒藩常量。 它表明温度越高黑体辐射总能量越大。40TE2维恩位移定律黑体辐射中能量最强的波长（称为峰值波长m）与热力学温度T成反比， 即 mT = b 式中常量 b2.89810-3 m.k 。它表明随着温度的升高，黑体具有最大辐射能的波长要向短波方向移动。 2022-4-18181.

11、 X 射线的产生射线的产生X 射线射线 : 在在10-1102 范围内的电磁波范围内的电磁波-KAX射线射线X X 射线管射线管+K 阴极，阴极，A 阳极阳极(钼、钨、铜等金属钼、钨、铜等金属)，A K间加几万伏高压，以加速阴极发射的热电子。间加几万伏高压，以加速阴极发射的热电子。伦琴伦琴1895年伦琴发现年伦琴发现X 射线，射线，1901年获首届诺贝尔物理奖。年获首届诺贝尔物理奖。7-5 X 射线的衍射射线的衍射2022-4-1819X 射线射线准直缝准直缝晶体晶体劳厄斑劳厄斑2. 劳厄实验劳厄实验劳厄实验是为了实现劳厄实验是为了实现X X射线的衍射而设计的。射线的衍射而设计的。晶体相当于三

12、维光栅，衍射图样（劳厄斑）晶体相当于三维光栅，衍射图样（劳厄斑）证实了证实了X射线的波动性。射线的波动性。劳厄劳厄2022-4-1820 dd d dsin 12晶面晶面ACB: : 掠射角掠射角d :d : 晶面间距晶面间距( (晶格常数）晶格常数）3. 布喇格公式布喇格公式 不同不同晶晶面间散射光的干涉面间散射光的干涉 sin2dCBAC 散射光干涉加强条件：散射光干涉加强条件：), 2 , 1(sin2 kkd 布喇格公式布喇格公式2022-4-18214. 应用应用 已知已知 、 可测可测d X射线晶体结构分析射线晶体结构分析。 已知已知 、d可测可测 X射线光谱分析。射线光谱分析。5

13、. 实际观察实际观察X X射线衍射的作法射线衍射的作法a.劳厄法：劳厄法： 劳厄相劳厄相 德拜相德拜相b.粉末法：粉末法：2022-4-1822亚铂氰化钡荧光屏亚铂氰化钡荧光屏闪光闪光射线射线BE,射线不改变方向射线不改变方向不是带电粒子流，是电磁波不是带电粒子流，是电磁波！nm1 . 0 加电、磁场加电、磁场2022-4-1823 劳厄实验劳厄实验 （1912 年）年）晶片作光栅晶片作光栅nmd1 . 0nm1 . 0 劳厄斑劳厄斑2022-4-1824以波长为以波长为1.10 的伦琴射线照射晶面，的伦琴射线照射晶面， 时获得时获得 第一级极大反射光，求第一级极大反射光，求d=? 0A015

14、11例：例：以待测伦琴射线照射晶面，测得第一级极大的反射光相以待测伦琴射线照射晶面，测得第一级极大的反射光相应的入射角为应的入射角为 ，求波长。，求波长。03017解解：0080. 1sin282. 2sin2sin2AdAdmd2022-4-18252022-4-1826X射线晶体学和结构化学到了40年代，水平已经发展到足以对付生物大分子的结构分析问题了。这里先从晶体结构分析谈起。19世纪后期，有机化学已经发展到立体化学的水平，并为有机分子提供了确定结构的方法，曾在有机化学的发展上起过重大作用。但化学之能全面发展到今天这样的水平，饮水思源，当归功于上个世纪末W.K.伦琴发现X射线（1895）

15、和M.F.劳厄发现了晶体对X射线的衍射（1912）。1913年W.H.和W.L.布喇格父子测定了氯化钠和金刚石等的晶体结构。从此以后，X射线晶体结构分析成为测定晶体和分子结构的主要方法。比起立体化学或其他任何方法，它具有无可比拟的优势。这个方法利用了晶体中原子或分子在空间分布中具有三维周期性，而且周期很短。一般说，晶体结构是三维点阵结构，点阵点所代表的一个单位，称为单胞。不难推算，晶体例如金刚石中相邻原子间的距离当以1/10nm或 这样的单位来计算。伦琴发现的X射线的波长也是以 计的。当X射线入射晶体时，其中所含原子中的全部电子就会跟着电磁波的电场振动，成为次生X射线的波源，并继承入射波的波长

16、和周相，从而产生衍射。晶体以 计的周期能使次生X射线只在一系列由晶体的周期决定的方向上周相一致而互相加强，形成衍射线。各个衍身线按其方向和强度收集在衍射图上成为位置和黑度确定的一系列衍射点，总称衍射谱。衍射点的位置可以给出晶体中原子分布的周期性或单胞的形状和大小，而它们的强度是由晶体中各个原子的位置决定的。换言之，如各个原子的种类和在单胞中的位置已知，亦即晶体结构已知，推算各个衍射点的强度倒并不困难，但从强度倒推结构还欠缺各衍射线的周相角数据。由于X射线在各种介质中的折光率几乎没有变化，极接近于1，从而不可能找到能使衍射线直接聚合成像的透镜材料，而衍射波录下的只是衍射线的方向和强度，已经失掉了它们的周相角数据，为结构分析工作产生了一个周相问题，如不克服，也难于利用数学方法合成成像。对于结构比较简单或单胞中原子数较小的晶体来说