磁的应用举例-全面.ppt

1、第3章 举例 磁现象的应用,信鸽归巢之谜,趋磁细菌的发现,生物磁的测量,生物磁的来源,磁的副作用,核磁共振技术,动植物与磁,磁疗法,其它磁应用,主要参考文献,生命与电磁学,地球的电磁场 人体中的应用,home,信鸽爱好者都知道，如果把鸽子放飞到数百公里以外，它们还会自动归巢.鸽子为什么有这么好的认家本领呢？,信鸽归巢之谜,鸽子是怎么认识归家之路的?,是鸽子眼神好、记忆力惊人吗？不是。倘若是把鸽子装在严密遮挡的笼子里运到一个陌生的地方放飞，它们依然能轻而易举地飞回家。 有人说，鸽子是利用地球磁场导航的，按照此论，当地球磁场畸形时鸽子就不认识路了。 果真如此吗？,若在鸽子头顶和脖子上绕几匝线圈，以

2、小电池供电，鸽子头部就产生一个均匀的附加磁场。当电流顺时针方向流动时，在阴天放飞的鸽子向四面八方乱飞，这表明：地球磁场是鸽子的导航罗盘。那么鸽子是怎样按照地球磁场来确定飞行方向的呢？,有人把鸽子看作有1000欧姆电阻的半导体，它在地球磁场中振翅飞行时，切割磁感线，因而在两翅之间产生感应电动势。鸽子按不同方向飞行，因为切割磁感线方向不同，所以感应电动势也各不相同。鸽子体内的感受器官根据感应电动势就可以判别飞行的方向。,上面的讨论是阴天放飞的情况，那么晴天放飞时又如何呢？试验表明，附加磁场对它没有影响，依然能定向飞行，这一事实说明：地球磁场并不是它唯一的导航罗盘。原来，鸽子能检测偏振光，在晴天它能

3、根据太阳的位置选取择特定的飞行方向，并由体内生物钟对太阳的移动进行相应的较正。,必须说明：当电流逆时针方向流动时，不管是晴天还是阴天外地飞行，鸽子都能飞回家。,除鸽子外，能检测地球磁场的还有甲虫、蜜蜂、苍蝇、鱼、白蚁、蜗牛等。,原来，其头颅内存在磁性细粒(磁性细胞)，起罗盘定向作用.它们可以利用地磁找到自己的家.,信鸽归巢之谜,如果在鸽子的头部绑上一块磁铁，鸽子就会迷航.如果鸽子飞过无线电发射塔，强大的电磁波干扰也会使它们迷失方向.,候鸟(如燕鸥)作季节性往返迁徙而不迷途,其大脑组织中含有比鸽子更丰富的磁性成分.,信鸽归巢之谜,20世纪70年代，Blakemore 在研究生存在海底淤泥的厌氧细

4、菌时发现，这种细菌能自动沿磁场方向游动，于是把它叫做趋磁细菌.,趋磁细菌的发现,趋磁细菌体内有由大小约50 nm的主要由Fe3O4组成的几十个小颗粒构成的长链.正是由于细菌自身的小磁石链，使它能借助 鞭毛的挥动而沿磁 场方向运动.,因为厌氧细菌总要避开富氧的上层而游向养料丰富的水底淤泥，因而在北半球（磁场线斜向下）就沿地磁方向游向下方.,趋磁细菌的发现,生命与电磁学,地球的电磁场 由于地球周围物质的电离和碰撞作用，导致大量电子进入地球，使地球变成一个大的带电体。 假定，地球近似是一个大导体，则其表面的负电荷密度约为1Mc/km2，地球表面的电场强度为120V/m，其方向是指向地心的。 地球表面

5、携带负电荷，地球是自西向东转的，那么地球所带的负电荷在自转的时候可以等效看作是绕自转轴的环流了，这样的环流产生的磁场就是我们的地磁场。 它的南北极和我们的地理南北极相反。 地球磁场的95%是来源于这样的环流的。根据测定，地磁场等效于一个位于地球中心，大小约为81025Gcm3（1G=10-4T）的磁偶极子。不过，这个等效的磁偶极子的方向和地球自转轴不完全重合，它们之间的夹角约为11，地球表面的磁感应强度在一般情况下是从0.3G（赤道水平方向）到0.7G（两极垂直方向）。,home,生命与电磁学,在地球上的生物都受到地磁场的影响。 家鸽就是明显的例子，据说是因为它们体内含有永磁物质。 我还听说，

6、有些动物的精子里也有永磁物质。1972年，有报道称：在试验过程中，将捉到的欧洲知更鸟放在大笼子里，发现它栖息时，有一种本能性的选择，偏爱栖息在笼子的北边；若设法使笼子内的磁场方向改变，则知更鸟栖息的地方也随之改变；当笼子内的磁场方向与地磁相反时，它栖息在南边。 磁场与声，电，光一样，在一定条件下，达到一定阀值时，将会产生生物效应。老鼠在地磁屏蔽（即“零磁场”）的环境中，寿命要缩短。 在强磁场作用下，番茄会提前结果，小麦会早熟，蚕会提前作茧。 根据电磁学知识，可以知道：活的机体或生物标本处于磁场中时，可能会发生如下的一些物理作用：（1）运动导体中产生电动势；（2）有洛仑磁力作用于运动电荷；（3）

7、有力或力矩作用于永磁偶极子和抗磁或顺磁颗粒。 此外，磁场还能引起三种化学或生物现象：（1）降低生化反映速率，减弱高分子转动扩散；（2）使和化学反应效率有关的键角变化；（3）使DNA和RDA中质子隧道效应发生变化。 总的说来呢，磁场和生命体的耦合有两个渠道：直接耦合和间接耦合。磁直接耦合只有在体内含有永磁物质时，比如你刚才说的鸽子和动物精子等，这种强度的相互作用才有意义。因为通过磁极化后再发生的相互作用，其作用力将以数量级递减。但是，当电磁场对各类生命体赖以生存的水环境进行处理后，能使水的理化特性发生变化，而这一变化则会间接影响生命体。而且值得一提的是：对生物细胞的分裂和生长，磁场的作用出现了正

8、反馈现象。,home,生命与电磁学,现在的很多医疗器械和药物都提及磁疗，看来就是利用我们上面提到的磁场生物效应了。 事实上，历史记载：我国把磁石（磁铁矿）作为内服药物已有两千多年的历史了。 磁场疗法（简称磁疗）是指在人体一些经穴或患处施加磁场作用。 过去用作场源的是一些强度不高的磁性材料，它只能对个别磁敏感较强的穴位起作用，所以疗效不显著。 近代出现了新的磁性材料，大大地增强了磁场强度，现在的磁场强度一般为1003000高斯。磁场的类型也增多了，有：恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场和交变磁场等。 磁疗中除了用场源直接对准穴位或患处作用外，还可以用磁片，磁带贴敷和埋针（以磁针刺入穴位）等。 另外，还

9、有饮用磁水的方法等等。 其实，人体内神经和肌肉的活动中也有很多的电磁特性，我们也可以把它们作为切入点进行研究！ 心电图就是科学家应用人体的电磁特性为人类服务的一个典型例子。,home,（1）生物电流产生的磁 主要由生物体内大分子活动期间生物电流引起.,生物磁的来源,（2）生物体内微量强磁性物质产生的磁,人体心脏在收缩和舒张时产生的生物电流导致的心磁场约为10-1110-10 T,人体脑神经活动产生的脑(神经)磁场约为10-1310-12 T,美国心脏学会的研究表明：心脏磁场的产生和人的心理状态喜怒哀乐等密切相关.,人体内的生物磁,心磁图、脑磁图等能提供生物体内生理和病理状态的信息.,近几年来，

10、人类实现了测量人体和生物体的极微弱磁场,发展了核磁共振成像诊断技术.从而实现了利用磁探病、治病.,生物磁的测量,利用核磁共振成像技术可以诊断人体异常组织，判断疾病.,核磁共振技术,原子核带有正电，并进行自旋运动.通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向有序过渡.,如果此时核自旋系统受到外界作用，一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应.,核磁共振技术,在射频脉冲停止后，自旋系统已激化的原子核，不能维持这种状态，将回复到磁场中原来的排列状态，同时释放出微弱的能量，形成射电信号，把该信号检出，进行空间分辨，就能得到运动中原子核分布图像.,核磁共振技术

11、,核磁共振成像的特点是流动液体不产生信号,称为流动效应或流动空白效应.因此血管是灰白色管状结构，而血液为无信号的黑色.这样使血管很容易与软组织分开.,核磁共振技术,正常脊髓周围有脑脊液包围，脑脊液为黑色的，并有白色的硬膜为脂肪所衬托，使脊髓显示为白色的强信号结构.,核磁共振成像技术已用于全身各系统的成像诊断. 效果最佳的是颅脑及脊髓、心脏大血管、关节骨骼、软组织及盆腔等.,核磁共振技术,核磁共振技术,核磁共振全身成像图,应用核磁共振成像技术,对心血管疾病不但可以观察各腔室、大血管及瓣膜的解剖变化, 而且可作心室分析, 进行定性及半定量的诊断,可作多个切面图,空间分辨率高,显示心脏及病变全貌及其

12、与周围结构的关系,优于其它X线成像、二维超声、核素及CT检查.,核磁共振技术,磁不仅可以诊断，而且能够帮助治疗疾病.,磁石是古老中医的一味药材. 2 000多年前的战国时期，扁鹊就用磁石给人治病.,磁疗法,明代李时珍在本草纲目中，列举了用磁石治疗肾虚、耳聋、眼花、大肠脱肛等病症.,11世纪，古希腊和阿拉伯等国家也有用磁石治疗腹泻、脾脏和肝病等.,磁疗法,磁疗对急性扭伤、肩周炎、腰肌劳损、神经性头痛等疗效显著；用磁场镇痛（磁麻）代替药物麻醉.,磁场对人体的作用主要体现在磁生物效应、细胞效应、组织效应、器官效应等.,磁疗法,现在，人们利用血液中不同成分的磁性差别来分离红细胞和白细胞.,利用磁场与人

13、体经络的相互作用，在治疗多种疾病方面有独到的作用，已经有磁疗枕、磁疗腰带等应用.,磁化水：可治疗肾结石、胆结石、尿道结石等，有溶石、降石、排石作用，对高血压、糖尿病等也有一定疗效.,磁疗法,癌症每年夺去世界上700万人的生命,我国现在平均每5个死亡者中就有1人死于癌症.,广州军区武汉总医院肿瘤科用脉冲磁场治疗仪进行临床试验取得较好的效果.,磁疗法,磁场能影响癌细胞的代谢，使癌细胞的恶性程度降低，抑制癌细胞的分裂，提高细胞的免疫功能.,高压输电线附近居民,受低频电磁波影响,有情绪易激动、易疲劳、工作效率低等症状.,磁的副作用,在地球上,地磁强度低的地区,肾癌发病率较高,易出现磁暴的地区,青光眼发

14、病率较高.,在高强度磁场下长期工作和生活，会影响人体生态平衡，出现食欲下降、头痛失眠、血压失常、烦躁、生育畸形和导致癌变等.,磁的副作用,在0.5 T环境中，每年累计不得超过30天.,约3%5%的人对磁有副作用，表现为心悸、恶心、头昏、乏力等.,将地磁环境下生活的老鼠置于磁屏蔽中，其寿命大大缩短。置于人工强磁场中，会立即死亡. 强磁场中,细菌的繁殖将受到抑制.,动植物与磁,把果蝇饲养在0.30.4 T的磁场中,其形态畸变显著增大.,值得注意的是：关于磁生物现象和效应的作用机理尚未搞清，有待进一步研究.,动植物与磁,农业中的磁应用,环保中的磁应用,北极光与磁,太阳黑子与磁,地质勘探中的磁应用,军

15、事中的磁应用,畜牧业中的磁应用,其它磁应用,用电磁选种子 桑蚕的人工孵化,农业与电磁学,home,农业与电磁学,用电磁选种优良的种子，就是“纯，净，干，壮，饱和健”。 这里呢，我们从电磁学的角度出发，只讲讲如何检验种子的含水量。 传统的选种的方法是用烘烤脱水法来测量种子的含水量，也就是把样品种子烘烤一下，种子脱水，分别测量烘前后的质量，这样就可以测出含水量了呀：含水量 =（试样的烘前质量 烘后质量）/ 试样的烘前质量。它的优点是简便，但是费时且精度差。 现在用LC或RC谐振回路中的电容器来测量种子的含水量，具体的方法是：将种子填满电容器，由于不同含水量的种子介电常数不同，因而导致振荡回路的振荡

16、频率因种子含水量的不同而不同，所以只要用含水量对频率定标后，就可以十分迅速且准确地显示出样本的含水量。当然，对不同类别的种子，其含水量的频率定标是不同的。,home,农业与电磁学,桑蚕的人工孵化桑蚕饲养的一个重要问题是人工孵化，因为受精卵产生以后有一段时间长短不一的滞育期，其滞育时间的长短除了和蚕种及蚕的机质有关外，还和蚕卵所处的物理化学环境有关。 因此，桑蚕的自然孵化不仅是孵化不整齐，容易感染疾病，而且不能根据桑树生长的情况及时供应蚁蚕，给饲养带来困难和局限。 这就需要进行人工孵化，也就是人为地制造蚕卵所处的物理化学环境，使蚕卵根据需要解除滞育，孵化出蚁蚕。 现在我国和日本这方面做得比较好，

17、利用电晕放电技术对家蚕卵进行电晕放电处理. 电晕放电实际上是辉光放电的一种。曲率大的带电导体，其表面电荷密度高，该处附近的电场强度强。当导体的曲率不断增大时，造成它附近的电场强度超过空气的击穿场强时，就会出现空气被电离的放电现象，在暗环境下可观察到该处周围呈现出蓝紫色的光晕。,home,用磁化水（在10-210-1 T下磁化）浸种、育苗或浇灌，可提高种子发芽率，促进生长.,磁场影响植物生长,通过对磁场强弱的调节,可促进植物生长,也可抑制其发育.,农业中的磁应用,用磁化水浸种后收获的大米，含的粗蛋白和赖氨基酸成分增多.,用磁化水浇灌的黄瓜香脆多水，辣椒肉厚籽少.,农业中的磁应用,以磁化水作为饮用

18、水，猪、鸡、牛、羊等家畜少病、生长快、毛质提高.,畜牧业中的磁应用,磁分离法可将煤中的硫除去，能将废水中的油污、杂质等分离.,磁化水可以防止锅炉结垢,环保中的磁应用,用磁铁作成的除铁器可以去除面粉等中可能存在的铁末.,由于所有物质均具有或强或弱的磁性，如果它们聚集在一起形成矿床，就必然对附近区域的地磁场产生干扰，使地磁场出现异常.,地磁的变化可以用来勘探矿床.,地质勘探中的磁应用,根据这一点，可以在陆地、海洋或者空中测量大地的磁性，获得地磁图，对地磁图上磁场异常的区域进行分析和进一步勘探，往往可以发现未知的矿藏或特殊的地质构造.,地质勘探中的磁应用,很多矿藏资源都是共生的，也就是说好几种矿物质

19、混合的一起，它们具有不同的磁性.利用这个特点，人们开发了磁选机.,地质勘探中的磁应用,磁选机利用不同成分矿物质的不同磁性以及磁性强弱的差别，用磁铁吸引这些物质，那么它们所受到的吸引力就有所区别，结果可以将混在一起的不同磁性的矿物质分开，实现了磁性选矿.,地质勘探中的磁应用,普通的水雷或者地雷只能在接触目标时爆炸,因此作用有限.如果在水雷或地雷上安装磁性传感器,由于坦克或者军舰等都是钢铁制造的,在它们接近(无须接触)目标时,传感器就可 探测到磁场的变化使水雷 或地雷爆炸,提高了杀伤力.,军事中的磁应用,在飞机表面涂一层特殊的磁性材料吸波材料，可以吸收雷达发射的电磁波，使之很少反射，因此敌方雷达无

20、法探测到雷达回波，从而使飞机达到隐身的目的.,军事中的磁应用,北极光是太阳风中的粒子和地磁场相互作用的结果. 太阳风是太阳发出的高能带电粒子流.,北极光与磁,当太阳发出的高能带电粒子流到达地球时，与地磁场发生相互作用，就好象带电的导线在磁场中受力一样，使得这些粒子向南北极运动和聚集，并且和地球高空的稀薄气体相碰撞，结果使气体分子受激发，从而发光.,北极光与磁,太阳黑子是太阳上磁场活动非常剧烈的区域.太阳黑子的爆发对我们的生活会产生影响，例如使得无线电通信暂时中断等.因此，研究太阳黑子对我们有重要意义.,太阳黑子与磁,计算机与电磁学,磁记录 计算机与超导 home,计算机与电磁学,磁记录 磁记录

21、是现在使用得非常广泛的一种信息技术。它利用了铁磁材料的特性和电磁感应的规律。 用来记录信息（如声音，图象或特殊信息）的铁磁材料常制成粉状而用粘结剂涂敷在特制的带，圆柱或圆盘的表面，称为磁带，磁鼓或磁盘。 录音或录象时，需要一个录音磁头， 它实际上是一个具有微小气隙的电磁铁（如图）。,home,计算机与电磁学,录音时，就使磁带靠近磁头的气隙走过，磁头的线圈内此时将通入由声音或图象转化成的电信号，即强弱和频率都在改变着的电流。 这电流将使铁心的磁化状态以及缝隙中的磁场发生同步的变化。 这变化着磁场将使附近经过的磁带上的磁粉的磁化状态发生同步的变化，从而使磁粉离开磁头后，它的剩磁的强弱变化相应于输入

22、磁头的电流的变化，也就是相应 于声音或图像信号的变化 这样就在磁带上记录下了声音或图像(如图)。,home,计算机与电磁学,我们可以想象一下放音或放像的工作过程：让已录了音(或像)的磁带在磁头的气隙下面通过磁带上铁粉的剩磁强弱的变化将引起铁心内磁通的变化。 这变化将在线圈内产生同步变化的感应电流 很明显只要此时磁带移动的速度和录音时磁带移动的速度相同，此时线圈中产生的感应电流的变化将和录音时输入的信号电流的变化相同将此电流放大再经过电声转换或电像转换就可以得到原来记录的声音或图像 要想把已记录了的声音或图像抹去，只要在磁带通过时在磁头的线圈内通以等幅振荡电流就可以了，这就是消音 录音磁粉和磁头

23、铁心都是磁性材料，但它们是有别的，由于要起的作用不同，所以录音磁粉和磁头铁心所用的材料就不同 磁粉要记录声音或图像，并希望加以保存，所以应该具有较大的剩磁和矫顽力因此磁粉应选用硬磁材料，即磁滞回线比较胖的材料。 对磁头铁心来说，要求它能及时地准确地与信号发生同步的变化，所以要求它具有很小的剩磁，面且磁导率比较大因此，铁心要选用软磁材料，即磁滞回线瘦，面且磁化曲线比较陡(u大)的材料 另外，由于磁化曲线在微弱磁场范围内有弯曲，不是线性的，就容易使记录失真为了避免这一缺点，就在与输入录音信号的同时输入一个等辐振荡电流(频率比信号的最高频率大510倍)，称之为偏磁电流这样就能使要记录的信号只在磁化曲

24、线的直线部分发生变化，从而减少了失真,home,计算机与电磁学,计算机与超导 现在的计算机技术越来越发达了，有人就会提问：计算机的运行速度越来越快了，它的发展会不会受到物理条件的限制？ 现实中随着集成电路芯片上元件密度不断提高，而整个主机又装在愈来愈小的空间中，那么各个层次上元件发散的热量又会对计算机造成潜在的威胁。有资料说，计算机的功率密度已达到几瓦/厘米2的水平，相当于家庭炉灶上热水锅的功率密度。 对于计算机的元件的散热问题，如果提高集成电路底板上的散热效率，或采用传热效率高的传热液体（如氟利昂）作成计算机的冷却系统，对此科学家早就有了超导计算机的设想，采用超导材料和超导器件来代替原来计算

25、机中的半导体材料和器件。 超导体在低温下没有电阻，这样就可以用超导材料来做计算机的内外传输连线，是一种最理想的不发热导线。 超导材料除了做不发热导线外，还可以用来逻辑开关元件。超导逻辑开关元件是根据英国科学家约瑟夫逊在1962年发明的超导隧道结。在两块超导体中间夹一层极薄的绝缘氧化层，约瑟夫逊发现，超导体内的电子对可以穿越绝缘层而产生导电电流。这就是超导隧道效应，又称“约瑟夫逊效应”。而当外加电流超过临界电流Ic时，超导体进入正常导体状态，这时超导隧道效应消失，器件处于截止状态。这种隧道结器件有导通，截止两种状态可用做逻辑开关元件。 这种逻辑开关元件跟半导体开关元件相比，有着自己的优越性，由于

26、从超导态向正常态的转变非常快，因此，这种元件的开关时间可能达到皮秒的数量级。这种器件的功率消耗很低， 大约为微瓦量级，因此，明显优于半导体开关元件。 只是，因为超导计算机必须在低温状态下工作，这就对材料，器件等的要求比较高，也会给制备工作带来困难。 另外，维持低温状态的费用还比较昂贵。,home,汽车与电磁学,霍尔效应与汽车 电桥平衡在空气流量计,汽车与电磁学,霍尔效应与汽车 霍尔效应是一种电流的磁效应，（少图）当电流通过霍尔元件时，比如说是p型半导体，在垂直于电流的方向施加一个磁场。空穴有一定的漂移速度v，空穴将受到垂直与磁场的洛伦兹力的作用，即： ，洛伦兹力使电荷产生横向偏转，而偏转的载流

27、子将在边界积累起来，产生一个横向的电场E，直到电场对载流子的作用力 与洛伦兹力相抵消为止，即： ，霍尔电势差就是由这个电场建立起来的。电磁流血计的工作原理也是根据这个原理制作的。,home,汽车与电磁学,经过简单的推导我们知道霍尔电势差就是： ，其中：R为霍尔系数，d为样品厚度。前面我们说过，可以根据这个电势差来判断半导体是n型的还是p型的，即半导体材料的导电类型；还讲了根据霍尔效应制成的高斯计来测量磁感应强度。其实它在生活中还有很多的应用，这里我们来看看霍尔式电子点火装置。下面两个图,home,汽车与电磁学,图中的数字分别表示：1触发叶轮的叶片；2 霍尔元件；3 永久磁铁；4 导板。第一幅图是触发叶片进入空气隙中，霍尔元件中的磁场被旁路了；第二幅图是触发叶片离开空气隙霍尔元件被磁场饱和。既是通过出发叶片来旁路磁场，点火时需要相对比较高的电压，所以这里还需要一个放大回路：,home,汽车与电磁学,具体的原理就是这样的：当触发叶轮转动时，每当叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的空隙时，通过霍尔元件的原磁场被触发叶轮的叶片旁路，霍尔电压消失，发生器无