1、医学物理学,境自远尘皆入咏 物含妙理总堪寻,2,第八章 电磁现象及其生物效应,学习要求：,1、掌握磁感应强度、磁通量的基本概念。2、掌握磁场的高斯定理及其应用。3、掌握毕奥-萨伐尔定律及其应用。4、掌握磁场的安培环路定理及其应用。,3,磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，但磁场是客观存在的。,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,5,人体磁场： 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。,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（磁石乃五石之一）。神农本草经中记载：“慈（磁）石味辛酸寒，主治周痹风温、肢节肿痛”。
2、唐代医学家孙思邈在千金方中载有磁末丸“常服益眼力”。,6,国外应用磁石治病也有记载：古希腊盖伦在公元二世纪曾用磁石治腹泻。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本草纲目详述了磁石治病，如“大肠脱肛用磁石未面糊调卤上”、“小儿惊痫，磁石炼水饮之。”清代验方新编在介绍磁石治疗耳鸣时写道：“耳中如风雨声即通。”陈元龙的格致镜原记述用磁石作枕“可老而不昏”。,7,核磁共振成像也称磁共振成像，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：磁场是一种客观存在的的特殊物质。,如 ：磁铁有磁性，可以吸引铁制的物品。
3、,磁场力磁场对放入其中的某些物质有力的作用。,9,磁铁的磁性:,磁性: 能吸引铁、钴、镍等物质的性质.,磁极: 磁性最强的区域, 分磁北极N和磁南极S.,两极不可分割, “磁单极”不存在.,10,司南勺,磁力: 磁极间存在相互作用, 同号相斥, 异号相吸.,地球是一个巨大的永磁体,北宋沈括发明“指南针(罗盘)”,问题: 磁现象产生的原因是什么?,11,电流的磁效应,1820年奥斯特实验表明: 电流对磁极有力的作用.,1820年9月11日在法国科学院演示的奥斯特的实验,引起了安培的兴趣.一周之后安培发现:电流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: 磁体附近的载流导线会受到力的作
4、用而发生运动.,12,结论: 磁现象与电荷的运动有着密切的关系. 运动电荷既能产生磁效应,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. 1822年安培提出了分子电流假说:,物质的磁性取决于内部分子电流对外界磁效应的总和.,说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.,磁性物质的分子中存在分子电流， 每个分子电流相当于一基元磁体。,13,磁性本质：电荷的运动,对磁场中电流有作用力.,对在磁场中运动的载流导线作功.,磁感强度, 描述磁场大小和方向的物理量,磁场的对外表现:,电磁现象相互联系：静止电荷 电场 电场力运动电荷 电场、磁场 电场力、磁场力稳恒电流 稳恒磁场,1
5、4,0,第一节 磁感应强度,一、磁感应强度,设带电量为q0，速度为v的运动试探电荷处于磁场中，,（1）当运动试探电荷以同一速率v沿不同方向通过磁场中某点 p 时，电荷所受磁力的大小是不同的，但磁力的方向却总是与电荷运动方向垂直；,15,（2）在磁场中的p点处存在着一个特定的方向，当电荷沿此方向或相反方向运动时，所受到的磁力为零，与电荷本身性质无关;,16,（3）在磁场中的p点处，电荷沿与上述特定方向垂直的方向运动时所受到的磁力最大(记为Fm)， 并且Fm与q0 v的比值是与q0 、v无关的确定值。,0,17,方向：右手螺旋法则,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向和确
6、定的比值Fm/(q0v)，与试验电荷的性质无关，反映了磁场在该点的方向和强弱特征，为此，定义一个矢量函数：,国际单位：特斯拉（T） 非国际单位： 高斯（Gs）,1Gs10-4 T,18,右手螺旋法则,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 Fm 的方向弯向速度 v 的方向，此时拇指的指向即为磁感应强度 B 的方向。,19,磁场叠加原理：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，它们产生的磁场服从叠加原理。以 Bi 表示第 i 个磁场源在某处产生的磁场，则在该处的总磁场为：,20,地磁场在地球表面附近的B约为0.5高斯；一
7、般电表中永久磁铁产生的B约为几千高斯；大型电磁铁产生的B可达12万高斯；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10-8-10-6高斯。,基本常识：,21,电与磁的联系,磁现象的本质：,22,磁感应线的规定,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 磁场中的高斯定理,1、磁感应线(line of magnetic induction),通过垂直于B的单位面积上的磁感应线的条数等于该处B的大小.,23,磁感应线的性质,24,I,直线电流的磁力线,圆电流的磁力线,通电螺线管的磁力线,25,地球磁场,地理南极磁场的北极地理北极磁场的南极,26,2
8、、磁通量,通过一定面积的磁力线数目。,单位:韦伯 Wb,27,28,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。,29,3、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。,物理意义：穿过任意闭合曲面S的总磁通必然为零。说明磁场是无源场（涡旋场）。,30,静电场:电场线起于正电荷、止于负电荷.（有源场）,稳恒磁场: 磁感应线闭合,无自由磁荷.（无源场）,静电场的高斯定理,磁场的高斯定理,31,然而迄今为止，人们还没有发现
9、可以确定磁单极子存在的实验证据。,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“磁荷”（或叫单独的磁极）存在。但是狄拉克1931年在理论上指出，允许有磁单极子的存在，提出：,式中q 是电荷、qm 是磁荷。,电荷量子化已被实验证明了。,如果实验上找到了磁单极子，那么磁场的高斯定理以至整个电磁理论都将作重大修改。,运动电荷是磁现象的根源,32,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，同名磁极也相推，异名磁极也相吸；变化的电场能激发磁场，变化的磁场也能激发生电场似乎电和磁是一对对称而和谐的“佳偶”。,电和磁一个最大的不同点：正、负电荷可以
10、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,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,1931年，刚刚对“反电子”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，不仅使麦克斯韦方程具有完全对称的形式，而且根据磁单极子的存在，电荷的量子化现象也可以得到解释。,杨振宁于1983年5月在北京所作的一次学术
11、报告中才盛赞狄拉克的磁单极子假设，是 “神来之笔”。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，一直认为“它的存在是可能的”。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，给磁单极子的存在以更坚实的理论根据。,基本磁荷g0比基本电荷e大得多，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，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,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
12、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，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。,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。1973年科学家对“阿波罗” 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,在对磁单极子进行寻找的过程中
13、，人们“收获”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。,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。1975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，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，这些痕迹到底是谁留下的，还是桩 “悬案”。,1982年，美国物理学家凯布雷拉宣布，在他的实验中发现了一个磁单极子。实验所得的数据与磁单极子理论所提出的磁场
14、单极子产生的条件基本吻合。不过由于以后没有重复观察到类似于那次实验中所观察到的现象，所以这一事例还不能确证磁单极子的存在。,36,结论尚需费工夫,理论上虽然证明了磁单极子的存在，但目前既又赞成的，也有反对者。,赞成这一理论的，不乏非常杰出的物理学家。他们认为，磁单极子是存在的，但它们成对结合得太紧密了，现在所有的高能质点尚不能把它们轰开。,存在持否定态度的也大有人在，并且能提出这样或那样的理由加以论证。其中特别应该指出的 是到了晚年的狄拉克本人，也不完全相信磁单极子真的存在。,考虑到它对物理学所产生的巨大影响，完全值得不遗余力地去寻找。目前，寻找磁单极子的实验还在进行中，如果磁单极子确实存在，不仅现有的电磁理论要作重大修改，而且物理学乃至天文学的基础理论也将又重大的发展。,
