医用物理-1电磁现象及其生物效应

1、1境自远尘皆入咏 物含妙理总堪寻2第八章第八章 电磁现象及其生物效应电磁现象及其生物效应学习要求：学习要求：1 1、掌握磁感应强度、磁通量的基本概念。、掌握磁感应强度、磁通量的基本概念。2 2、掌握磁场的高斯定理及其应用。、掌握磁场的高斯定理及其应用。3 3、掌握毕奥、掌握毕奥- -萨伐尔定律及其应用。萨伐尔定律及其应用。4 4、掌握磁场的安培环路定理及其应用。、掌握磁场的安培环路定理及其应用。3磁场磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，是一种看不见、摸不着的特殊物质，但磁场是客观存在的。但磁场是客观存在的。 透过铁粉显示出的磁场线透过铁粉显示出的磁场线 4计算机模拟演示地球的磁场 磁铁的磁场

2、5人体磁场：人体磁场： 脑磁场、心磁场、肺磁场、眼磁场、肌磁场、脑磁场、心磁场、肺磁场、眼磁场、肌磁场、 人体穴位的磁场、头发毛囊磁场。人体穴位的磁场、头发毛囊磁场。 应用磁场作用治病：应用磁场作用治病：早在公元前二世纪战国时的齐王就有以五石治病之说（磁石早在公元前二世纪战国时的齐王就有以五石治病之说（磁石乃五石之一）。乃五石之一）。神农本草经神农本草经中记载：中记载：“慈（磁）石味辛酸寒，主治周痹慈（磁）石味辛酸寒，主治周痹风温、肢节肿痛风温、肢节肿痛”。唐代医学家孙思邈在唐代医学家孙思邈在千金方千金方中载有磁末丸中载有磁末丸“常服益眼常服益眼力力”。6v国外应用磁石治病也有记载：国外应用磁

3、石治病也有记载：古希腊盖伦在公元二世纪曾用磁石治腹泻。古希腊盖伦在公元二世纪曾用磁石治腹泻。十一世纪阿拉伯名医阿维森纳用磁石治疗肝、脾疾病等十一世纪阿拉伯名医阿维森纳用磁石治疗肝、脾疾病等 。明代医药学家李时珍的明代医药学家李时珍的本草纲目本草纲目详述了磁石治病，如详述了磁石治病，如“大肠脱肛用磁石未面糊调卤上大肠脱肛用磁石未面糊调卤上”、“小儿惊痫，磁石炼水小儿惊痫，磁石炼水饮之。饮之。”清代清代验方新编验方新编在介绍磁石治疗耳鸣时写道：在介绍磁石治疗耳鸣时写道：“耳中如风耳中如风雨声即通。雨声即通。”陈元龙的陈元龙的格致镜原格致镜原记述用磁石作枕记述用磁石作枕“可老而不昏可老而不昏”。 7

4、v 核磁共振成像核磁共振成像也称磁共振成像，也称磁共振成像，v 是利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，据此可以绘制成物体内部的结构图像 8总而言之：总而言之：磁场磁场是一种客观存在的的特殊物质。是一种客观存在的的特殊物质。如如 ：磁铁有：磁铁有磁性磁性，可以吸引铁制的物品，可以吸引铁制的物品。 磁场力磁场力磁场对放入其中的某些物质有力的作用。磁场对放入其中的某些物质有力的作用。9磁铁的磁性磁铁的磁性:磁性磁性: 能吸引铁、钴、镍等物质的性质能吸引铁、钴、镍等物质的性质.磁极磁极: 磁性最强的区域磁性最强的区域, 分磁北极分磁北极N和磁南极和磁南极S.SN两极不可分割两极不可

5、分割, “磁单极磁单极”不存在不存在.10司南勺司南勺磁力磁力: 磁极间存在相互作用磁极间存在相互作用, 同号相斥同号相斥, 异号相吸异号相吸.地球是一个巨大的永磁体地球是一个巨大的永磁体北宋沈括发明北宋沈括发明“指南针指南针(罗盘罗盘)”问题问题: 磁现象产生的原因是什么磁现象产生的原因是什么?11 电流的磁效应电流的磁效应 1820年奥斯特实验表明年奥斯特实验表明: 电流对磁极有力的作用电流对磁极有力的作用.1820年年9月月11日在法国科学院演示的日在法国科学院演示的奥斯特的实验奥斯特的实验,引起了安培的兴趣引起了安培的兴趣.一周之后安培发现一周之后安培发现:电流间也存在着相互作用力电流

6、间也存在着相互作用力. 此后安培又提出了著名的安培定律此后安培又提出了著名的安培定律: 磁体附近的载流导线会受到力的作磁体附近的载流导线会受到力的作用而发生运动用而发生运动.12 结论结论: 磁现象与磁现象与电荷的运动电荷的运动有着密切的关系有着密切的关系. 运动电荷既能产生磁效应运动电荷既能产生磁效应,也受到磁力的作用也受到磁力的作用. 安培把磁性归结为电流之间的相互作用安培把磁性归结为电流之间的相互作用. 1822年安培提出了年安培提出了分子电流假说分子电流假说: 物质的磁性取决于内部分子电流对外界磁效应的总和物质的磁性取决于内部分子电流对外界磁效应的总和. 说明了磁极不能单独存在的原因说

7、明了磁极不能单独存在的原因. 一切磁现象起源于电荷的运动一切磁现象起源于电荷的运动. 磁性物质的分子中存在磁性物质的分子中存在分子电流分子电流， 每个分子电流相当于一每个分子电流相当于一基元磁体基元磁体。NS13 磁性本质：电荷的运动磁性本质：电荷的运动 对磁场中电流有作用力对磁场中电流有作用力. 对在磁场中运动的载流导线作功对在磁场中运动的载流导线作功. 磁感强度磁感强度 描述磁场大小和方向的物理量描述磁场大小和方向的物理量磁场的对外表现磁场的对外表现:电磁现象相互联系：电磁现象相互联系：静止电荷静止电荷 电场电场 电场力电场力运动电荷运动电荷 电场、磁场电场、磁场 电场力、磁场力电场力、磁

8、场力稳恒电流稳恒电流 稳恒磁场稳恒磁场140第一节第一节 磁感应强度磁感应强度一、磁感应强度一、磁感应强度设带电量为设带电量为q0，速度为，速度为v的运动试探电荷处于磁场中，的运动试探电荷处于磁场中，（1 1）当运动试探电荷以同一速率）当运动试探电荷以同一速率v沿不同方向通过磁场中某沿不同方向通过磁场中某点点 p 时，电荷所受磁力的大小是不同的，但磁力的方向却时，电荷所受磁力的大小是不同的，但磁力的方向却总是总是与电荷运动方向垂直与电荷运动方向垂直；v15（2 2）在磁场中的）在磁场中的p点处存在着一个点处存在着一个特定特定的方向，当电荷沿此的方向，当电荷沿此方向或相反方向运动时，所受到的方向

9、或相反方向运动时，所受到的磁力为零磁力为零，与电荷本身性，与电荷本身性质无关质无关; ;16（3）在磁场中的在磁场中的p点处，电荷沿与上述点处，电荷沿与上述特定特定方向垂直的方向方向垂直的方向运动时所受到的磁力最大运动时所受到的磁力最大(记为记为Fm)， 并且并且Fm与与q0 v的比值是的比值是与与q0 、v无关的确定值。无关的确定值。017方向：方向：右手螺旋法则右手螺旋法则大小：大小：由实验结果可见，磁场中任何一点都存在一个固有的特定方由实验结果可见，磁场中任何一点都存在一个固有的特定方向和确定的比值向和确定的比值Fm/(q0v)，与试验电荷的性质无关，反映了磁，与试验电荷的性质无关，反映

10、了磁场在该点的方向和强弱特征，为此，定义一个矢量函数：场在该点的方向和强弱特征，为此，定义一个矢量函数：mFvB vqFBm0国际单位国际单位：特斯拉：特斯拉（T） 非国际单位非国际单位： 高斯高斯（Gs）1 1Gs10-4 T 18右手螺旋法则右手螺旋法则mFvB0sinvBqF 方法：右手四指伸直，拇指与四指在同一平面，且与其垂直。方法：右手四指伸直，拇指与四指在同一平面，且与其垂直。四指由指向四指由指向 Fm 的方向弯向速度的方向弯向速度 v 的方向，此时拇指的指向的方向，此时拇指的指向即为磁感应强度即为磁感应强度 B 的方向。的方向。19磁场叠加原理：磁场叠加原理：产生磁场的磁铁、运动

11、电荷或电流可称为磁场源。产生磁场的磁铁、运动电荷或电流可称为磁场源。实验指出，在空间同时存在若干个磁场源的情况下，它们实验指出，在空间同时存在若干个磁场源的情况下，它们产生的磁场服从叠加原理。产生的磁场服从叠加原理。以以 Bi 表示第表示第 i 个磁场源在某处产生的磁场，则在该处的总个磁场源在某处产生的磁场，则在该处的总磁场为：磁场为： iBB20地磁场在地球表面附近的地磁场在地球表面附近的B约为约为0.50.5高斯；高斯；一般电表中永久磁铁产生的一般电表中永久磁铁产生的B约为几千高斯；约为几千高斯；大型电磁铁产生的大型电磁铁产生的B可达可达1 12 2万高斯；万高斯；用超导材料制成的磁体可以

12、产生几万，甚至几十万高斯的磁场。用超导材料制成的磁体可以产生几万，甚至几十万高斯的磁场。人体的生物磁场约为人体的生物磁场约为1010-8-8-10-10-6-6高斯。高斯。 基本常识：基本常识：21运动电荷运动电荷磁磁 场场运动电荷运动电荷电与磁的联系电与磁的联系稳恒电流稳恒电流运动电荷运动电荷电场电场磁场磁场静电荷静电荷静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场 学习方法学习方法: :类比法类比法磁现象的本质：磁现象的本质：22磁感应线的规定磁感应线的规定l磁感应线上任一点的切线方向为该点磁感应强度的方向磁感应线上任一点的切线方向为该点磁感应强度的方向二、磁通量二、磁通量 磁场中的高斯定理磁场中的高斯定理

13、1 1、磁感应线、磁感应线( (line of magnetic induction) )l通过垂直于通过垂直于B的单位面积上的磁感应线的条数等于该处的单位面积上的磁感应线的条数等于该处B的大小的大小. .23磁感应线的性质磁感应线的性质电流磁感应线与电流套连与电流套连有方向的闭合曲线有方向的闭合曲线( (无源场、涡旋场无源场、涡旋场) )互不相交互不相交方向与电流成右手螺旋关系方向与电流成右手螺旋关系24I直线电流的磁力线直线电流的磁力线圆电流的磁力线圆电流的磁力线I通电螺线管的磁力线通电螺线管的磁力线II25地球磁场地球磁场地理南极地理南极磁场的北极磁场的北极地理北极地理北极磁场的南极磁场

14、的南极26dSBSBmcosddvvSSmdSBSBcosdvvdSnB2 2、磁通量、磁通量通过一定面积的磁力线数目。通过一定面积的磁力线数目。单位单位: :韦伯韦伯 WbWb27BSmSB cosBSSBm S n B SSmcosBdSSdB SBnds 匀强磁场匀强磁场Sdsn Bn 非匀强磁场非匀强磁场 SSmdScosBSdB 28对于闭合曲面来讲，通常规定指向曲面外的方向为法线的正对于闭合曲面来讲，通常规定指向曲面外的方向为法线的正方向。按此规定，穿出曲面的的磁通量为正，穿入曲面的磁方向。按此规定，穿出曲面的的磁通量为正，穿入曲面的磁通量为负。通量为负。293 3、磁场中的高斯定

15、理（磁通连续原理）、磁场中的高斯定理（磁通连续原理）由磁感应线的闭合性可知，对任意闭合曲面，穿入的磁感应由磁感应线的闭合性可知，对任意闭合曲面，穿入的磁感应线条数与穿出的磁感应线条数相同，因此，通过任何闭合曲线条数与穿出的磁感应线条数相同，因此，通过任何闭合曲面的磁通量为零。面的磁通量为零。0 SSmdScosBSdB B物理意义物理意义：穿过任意闭合曲面穿过任意闭合曲面S S的总磁通必然为零。的总磁通必然为零。说明磁场是无源场（涡旋场）。说明磁场是无源场（涡旋场）。30静电场静电场: :电场线起于正电荷、止于负电荷电场线起于正电荷、止于负电荷. .（有源场）（有源场）稳恒磁场稳恒磁场: :

16、磁感应线闭合磁感应线闭合, ,无自由磁荷无自由磁荷. .（无源场）（无源场）比较比较iSqSdE 010 SSdB静电场的高斯定理静电场的高斯定理磁场的高斯定理磁场的高斯定理31然而迄今为止，人们还没有发现可以然而迄今为止，人们还没有发现可以确定磁单极子存在的实验证据。确定磁单极子存在的实验证据。2nqqm 和电场的高斯定理相比，可知磁通量反映自然和电场的高斯定理相比，可知磁通量反映自然界中没有与电荷相对应的界中没有与电荷相对应的“磁荷磁荷”（或叫单独的磁（或叫单独的磁极）存在。但是狄拉克极）存在。但是狄拉克19311931年在理论上指出，允许年在理论上指出，允许有磁单极子的存在，提出：有磁单

17、极子的存在，提出：式中式中q 是电荷、是电荷、qm 是磁荷。是磁荷。电荷量子化已被实验证明了。电荷量子化已被实验证明了。如果实验上找到了磁单极子，那么磁场的高如果实验上找到了磁单极子，那么磁场的高斯定斯定理理以至整个电磁理论都将作重大修改。以至整个电磁理论都将作重大修改。ssSBqSD0d,d运运动动电电荷荷是是磁磁现现象象的的根根源源32电和磁有许多相似之处：带电体周围有电场，磁电和磁有许多相似之处：带电体周围有电场，磁体周围有磁场；同种电荷相斥，异种电荷相吸，体周围有磁场；同种电荷相斥，异种电荷相吸，同名磁极也相推，异名磁极也相吸；变化的电场同名磁极也相推，异名磁极也相吸；变化的电场能激发

18、磁场，变化的磁场也能激发生电场能激发磁场，变化的磁场也能激发生电场似似乎电和磁是一对对称而和谐的乎电和磁是一对对称而和谐的“佳偶佳偶”。电和磁一个最大的不同点：正、负电荷可以单独存在；而磁电和磁一个最大的不同点：正、负电荷可以单独存在；而磁体的两极总是成对出现，无论磁针被分割成多少部分，无论体的两极总是成对出现，无论磁针被分割成多少部分，无论把它分割得多么小，每一部分总是两极对立，共存共亡。把它分割得多么小，每一部分总是两极对立，共存共亡。电与磁的不对称电与磁的不对称磁和电的不对称性在宇宙中也有所反映，不可胜数的天体磁和电的不对称性在宇宙中也有所反映，不可胜数的天体以及辽阔无垠的星际空间都具有

19、磁场，磁场对天体的起源、以及辽阔无垠的星际空间都具有磁场，磁场对天体的起源、结构和演化部有着举足轻重的影响；可是电场在宇宙空间结构和演化部有着举足轻重的影响；可是电场在宇宙空间几乎无声无息，对丰富多采的天文学似乎毫无建树。几乎无声无息，对丰富多采的天文学似乎毫无建树。33狄拉克的神来之笔狄拉克的神来之笔19311931年，刚刚对年，刚刚对“反电子反电子”的存在做出预言的英国物理学的存在做出预言的英国物理学家狄拉克前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来，家狄拉克前所未有地把磁单极子作为一种新粒子提出来，不仅使麦克斯韦方程具有完全对称的形式，而且根据磁单不仅使麦克斯韦方程具有完全对称的形式，而且

20、根据磁单极子的存在，电荷的量子化现象也可以得到解释。极子的存在，电荷的量子化现象也可以得到解释。 杨振宁于杨振宁于19831983年年5 5月在北京所作的一次学术报告中才盛赞月在北京所作的一次学术报告中才盛赞狄拉克的磁单极子假设，是狄拉克的磁单极子假设，是 “ “神来之笔神来之笔”。 著名的美籍著名的美籍意大利物理学家费米也曾经从理论上考察过磁单极子，一意大利物理学家费米也曾经从理论上考察过磁单极子，一直认为直认为“它的存在是可能的它的存在是可能的”。后来的一些物理学家则弥。后来的一些物理学家则弥补了狄拉克理论中的一些困难和不足，给磁单极子的存在补了狄拉克理论中的一些困难和不足，给磁单极子的存

21、在以更坚实的理论根据。以更坚实的理论根据。eec5 .682g0基本磁荷基本磁荷g g0 0比基本电荷比基本电荷e e大得多，大得多，这意味着异性磁荷之这意味着异性磁荷之间的吸引力，比起异性电荷之间的吸引力要强得多，间的吸引力，比起异性电荷之间的吸引力要强得多，必须在很强的外力作用下才能把成对的相反磁荷分开必须在很强的外力作用下才能把成对的相反磁荷分开 。34踏破铁鞋无觅处踏破铁鞋无觅处 在实验室内，可以利用高能加速器来加速核子用来冲击原子核，使在实验室内，可以利用高能加速器来加速核子用来冲击原子核，使原来紧密结合的正负磁单极子分离，然后用核乳胶记录它们。这样原来紧密结合的正负磁单极子分离，然

22、后用核乳胶记录它们。这样的实验已经做了很多次，得到的都是否定的结果。的实验已经做了很多次，得到的都是否定的结果。 加速器实验的否定结果，也许是因为加速器的能量不够高。为什么加速器实验的否定结果，也许是因为加速器的能量不够高。为什么不利用能量更大的天然的宇宙射线呢？于是，科学家走出实验室，不利用能量更大的天然的宇宙射线呢？于是，科学家走出实验室，到大自然中去寻找磁单极子。到大自然中去寻找磁单极子。 首先检验了露出地面的铁矿石和铁陨石碎片。这些具有磁性的物体，会首先检验了露出地面的铁矿石和铁陨石碎片。这些具有磁性的物体，会像吸铁石一样，吸收从宇宙深处飞来的磁单极子。然而，一无所获。类像吸铁石一样，

23、吸收从宇宙深处飞来的磁单极子。然而，一无所获。类似的实验在海底、矿山、深海沉积物和地球大气等，都有人做了多次，似的实验在海底、矿山、深海沉积物和地球大气等，都有人做了多次，都是以失望告终。都是以失望告终。 月球上既没有大气，磁场又极微弱，应该是寻找磁单极子的好场所。月球上既没有大气，磁场又极微弱，应该是寻找磁单极子的好场所。19731973年科学家对年科学家对“阿波罗阿波罗” ” 飞船运回的月岩进行了检测，而且使用了极飞船运回的月岩进行了检测，而且使用了极灵敏的仪器即使在月岩中有一个基本磁荷大小的磁单极子也可以检测出灵敏的仪器即使在月岩中有一个基本磁荷大小的磁单极子也可以检测出来。但出人意料的

24、是，竟没有测出任何磁单极子。来。但出人意料的是，竟没有测出任何磁单极子。35火花一闪难定论火花一闪难定论在对磁单极子进行寻找的过程中，人们在对磁单极子进行寻找的过程中，人们“收获收获”到的总是一次又一到的总是一次又一次地失望。不过也曾不时地闪现过一两次美妙的希望曙光。次地失望。不过也曾不时地闪现过一两次美妙的希望曙光。 一些物理学家认为磁单极子对周围物质有很强的吸引力，所以它们在感一些物理学家认为磁单极子对周围物质有很强的吸引力，所以它们在感光底板上会留下又粗又黑的痕迹。光底板上会留下又粗又黑的痕迹。19751975年，美国的一个科研小组，用气年，美国的一个科研小组，用气球将感光底板送到空气极其稀薄的高空，经过几昼夜宇宙射线的照射，球将感光底板送到空气极其稀薄的高空，经过几昼夜宇宙射线的照射，发现感光底板上真的有又粗又黑的痕迹，他们声称，找到了磁单极子。发现感光底板上真的有又粗又黑的痕迹，他们声称，找到了磁单极子。但是，对于那是否真的是磁单极子留下的痕迹，争论很大，大多数科学但是，对于那是否真的是磁单极子留下的痕迹，争论很大，大多数科学家认为那些痕迹很明显是重离子留下的。到目前为止，这些痕迹到底是家认为那些痕迹很明显是