磁场与生物磁现象.ppt
2023/11/4,1,第六章 磁场与生物磁现象,2023/11/4,2,自然界的各种基本力可以互相转化。究竟电是否以隐蔽的方式对磁体有作用？,17世纪，吉尔伯特、库仑曾认为：电与磁无关！,1731年 英国商人,雷电后，刀叉带磁性！,1751年富兰克林,莱顿瓶放电后，缝衣针磁化了！,1812年 奥斯忒,6.1 磁场及其描述,1、磁力与磁现象,一、磁场,2023/11/4,3,1820年4月哥本哈根大学,电与磁,奥斯忒,接通电源时，放在边上的磁针轻轻抖动了一下,I,1820年7月21日，以拉丁文报导了60次实验的结果。,2023/11/4,4,运动电荷除了在周围产生电场外，还有另一种场只对运动电荷起作用磁场稳恒电流产生的磁场叫稳恒磁场。,电荷受力,2023/11/4,5,静止电荷,静止电荷,静止电荷之间的作用力 电场力,运动电荷之间的作用力 电场力+磁场力,运动电荷,运动电荷,说明,1、磁场由运动电荷(或电流)产生;,3、磁场有能量、,2、磁场,电场,磁场传递磁相互作用,2、磁场对运动电荷(或电流)有力的作用;,2023/11/4,6,洛仑兹力,运动电荷在电磁场中受力,磁感应强度,q 沿此直线运动时,设计实验确定空间一点的磁感应强度,单位 T 或 Gs 1Gs=10 4 T,磁场服从叠加原理,二、磁感应强度,几种不同形状电流磁场的磁感应线,磁感应线的性质,与电流套连,闭合曲线(磁单极子不存在),互不相交,方向与电流成右手螺旋关系,三、磁感应线,规定：通过磁场中某点处垂直于 矢量的单位面积的磁感应线数等于该点 矢量的量值。磁感应线越密，磁场越强；磁感应线越稀，磁场就越弱，磁感线的分布能形象地反映磁场的方向和大小特征。,2023/11/4,8,毕奥-萨伐尔定律,真空磁导率,叠加原理,6.2毕奥-萨伐尔定律,一、毕奥-萨伐尔定律,2023/11/4,9,1.载流直导线的磁感应强度,方向,0,-l,L 则 1=0 2=,方向：右手定则,无限长,半无限长,二、毕奥-萨伐尔定律应用举例,2023/11/4,10,2.载流圆线圈轴线上的磁感应强度。,(3)圆弧导线在圆心,2023/11/4,11,求：一段圆弧圆电流在其曲率中心处的磁场。,例题,方向,解：,2023/11/4,12,例题,宽度为 a 的无限长金属平板，均匀通电流I，,将板细分为许多无限长直导线每根导线宽度为 d x 通电流,解：建立坐标系,所有dB 的方向都一样：,求：图中P点的磁感应强度。,2023/11/4,13,一、磁场的高斯定理,(2)与形成磁场的电流相套连.,1.磁感应线特点,(1)无头无尾的闭合曲线.,磁场是无源场.,单位 韦伯（W b）,6.3 磁场的高斯定理和安培环路定理,3.磁场的高斯定理,2.磁通量,2023/11/4,14,正向穿过以L为边界的任意曲面的电流的代数和。,二、安培环路定理,1、安培环路定理,安培,电流I的正负规定：积分路径的绕行方向与电流成右手螺旋关系时，电流I为正值；反之I为负值。,在磁场中，沿任一闭合曲线 矢量的线积分（也称 矢量的环流），等于真空中的磁导率0乘以穿过以这闭合曲线为边界所张任意曲面的各恒定电流的代数和。,安培环路定理,在垂直于导线的平面内任作的环路上取一点，到电流的距离为r，磁感应强度的大小：,由几何关系得：,(1)环路包围电流,2.安培环路定理的证明,如果闭合曲线不在垂直于导线的平面内：,结果一样！,如果沿同一路径但改变绕行方向积分：,结果为负值！,表明：磁感应强度矢量的环流与闭合曲线的形状无关，它只和闭合曲线内所包围的电流有关。,结果为零！,表明：闭合曲线不包围电流时，磁感应强度矢量的环流为零。,(2)环路不包围电流,2023/11/4,20,空间所有电流共同产生的磁场,在场中任取的一闭合线，任意规定一个绕行方向,L上的任一线元,空间中的电流,环路所包围的所有电流的代数和,物理意义：,2023/11/4,21,几点注意：,环流虽然仅与所围电流有关，但磁场却是所 有电流在空间产生磁场的叠加。,任意形状稳恒电流，安培环路定理都成立。,安培环路定理仅仅适用于恒定电流产生的恒 定磁场，恒定电流本身总是闭合的，因此安 培环路定理仅仅适用于闭合的载流导线。,静电场的高斯定理说明静电场为有源场，环 路定理又说明静电场无旋；稳恒磁场的环路 定理反映稳恒磁场有旋，高斯定理又反映稳 恒磁场无源。,安培环路定理,2023/11/4,22,3.安培环路定理的应用,用来求解具有高度对称的磁场,例题,求：无限长直线电流的磁场,解：对称性分析磁感应线是 躺在垂直平面上的同心圆，选环路,2023/11/4,23,例题,求：无限长圆柱面电流的磁场,解：对称性分析磁感应线是 躺在垂直平面上的同心圆，选环路,2023/11/4,24,与轴平行！,例题,求：均匀密绕无限长直螺线管的磁场（已知 n、I）,解：对称性分析管内垂轴平面上任意一点 垂直平面,有限长的螺线管当 LR，在中部也有此结果,在端部,2023/11/4,25,例题,求：均匀密绕螺线环的磁场（已知 中心半径R，总匝数N，电流强度I）,解：对称性分析管内任意一个垂轴平面都是对称面磁感应线是一组同心圆,0（其他）,与环的横截面形状无关。,2023/11/4,26,6.4 电流与磁场的相互作用,一、磁场对载流导线的作用,I,电流元,一个电子受力,N个电子受力,1,2,2023/11/4,27,2、均匀磁场中的闭合线圈 F=0,3、若处处（不一定均匀）F=0,2023/11/4,28,均匀磁场中放置一半径为R的半圆形导线，电流强度为I，导线两端连线与磁感强度方向夹角=30，求此段圆弧电流受的磁力。,例题,长度矢量,解：,方向,2023/11/4,29,均匀磁场,二、磁场对载流线圈的作用,作用在一直线上,俯视,不作用在一直线上,力矩,方向：（俯视图上）,磁矩,M=ISB,M=0,=0 稳定平衡；=不稳定平衡。力矩总力图使线圈正向磁通量达到最大。,2023/11/4,30,一、在 均匀磁场,匀速直线运动,磁力提供向心力。,周期与速度无关,匀速率圆周运动,轨迹？,三、磁场对运动电荷的作用,2023/11/4,31,=螺旋运动,粒子束发散角不大、速度相近，v/几乎相等。,匀速率圆周运动+匀速直线运动,螺 距,半径,周期,磁聚焦,2023/11/4,32,磁聚焦,磁聚焦,2023/11/4,33,磁聚焦,电子显微镜中的磁聚焦,2023/11/4,34,（3）地磁场内的范艾仑辐射带,二、非均匀磁场,（1）磁镜,（2）磁瓶,60000km,8OO km,4000km,用于高温等离子磁约束,（也是螺旋运动，R、h 都在变化）,2023/11/4,35,四、霍耳（E.C.Hall)效应,霍耳,霍耳效应,2023/11/4,36,霍耳（E.C.Hall)效应,在一个通有电流的导体板上，垂直于板面施加一磁场，则平行磁场的两面出现一个电势差，这一现象是1879年美国物理学家霍耳发现的，称为霍耳效应。该电势差称为霍耳电势差。,2023/11/4,37,实验指出，在磁场不太强时，霍耳电势差 U与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的宽d成反比。,RH称为霍耳系数，仅与材料有关。,霍耳效应,2023/11/4,38,导体中运动的载流子在磁场中受到洛仑兹力发生偏转，正负载流子受到的洛仑兹力刚好相反，在板的上下底面积累了正负电荷，建立了电场 EH，形成电势差。,导体中载流子的平均定向速率为v，则受到洛仑兹力为qvB，上下两板形成电势差后，载流子还受到一个与洛仑兹力方向相反的电场力qEH，二力平衡时有：,霍耳效应,2023/11/4,39,设载流子浓度为n，则电流强度与载流子定向速率的关系为：,霍耳效应,2023/11/4,40,-,垂直于 的方向出现电势差 霍耳效应,霍耳电压UH,正效应载流子是 空穴 P型半导体,负效应载流子是电子 n型半导体,四、霍耳效应,2023/11/4,41,-,=,霍耳系数,2023/11/4,42,理论曲线,霍耳电阻,量子霍耳效应,崔琦、施特默：更强磁场下,克里青：半导体在低温强磁场 m=1、2、3、,1985年 诺贝尔物理奖,1998年 诺贝尔物理奖,实验曲线,2023/11/4,43,例题质谱仪测粒子的荷质比,实验：加速电压U，均匀磁场B，粒子垂直入射，进口到胶片记录位置间距为D，计算粒子的Q/m值。,解：粒子进质谱仪时动能,进磁场后做匀速率圆周运动，,2023/11/4,44,定义,在介质均匀充满磁场的情况下,(锰、铬、铂、氧、氮等),(铜、铋、硫、氢、银等),(铁、钴、镍等),一、磁介质的分类,6-5 物质的磁性,磁介质：在磁场中影响原磁场的物质称为磁介质。,令：,为相对磁导率,为磁介子的磁导率，,2023/11/4,45,分子电流：把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，统称为分子电流。,分子磁矩：把分子所具有的磁矩统称为分子磁矩，用符号 表示。,电子的进动：在外磁场 的作用下，分子或原子中和每个电子相联系的磁矩都受到磁力矩的作用，由于分子或原子中的电子以一定的角动量作高速转动，这时，每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以外磁场方向为轴线的转动，称为电子的进动。,二、磁介质的磁化,磁 化：磁场对磁场中的物质的作用称为磁化。,1.分子电流和分子磁矩,2023/11/4,46,附加磁矩：因进动而产生的等效磁矩称为附加磁矩，用符号 表示。,可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值，在外磁场 中，电子角动量 进动的转向总是和 磁力矩 的方向构成右手螺旋关系。这种等效圆电流的磁矩的方向永远与 的方向相反。,2023/11/4,47,2.抗磁质的磁化,抗磁材料在外磁场的作用下，磁体内任意体积元中大量分子或原子的附加磁矩的矢量和 有一定的量值，结果在磁体内激发一个和外磁场方向相反的附加磁场，这就是抗磁性的起源。它是一切磁介质所共有的性质。,3.顺磁质的磁化,在顺磁体内任意取一体积元，其中各分子磁矩的矢量和 将有一定的量值，因而在宏观上呈现出一个与外磁场同向的附加磁场，这就是顺磁性的起源。它是一切磁介质所共有的性质。,2023/11/4,48,(1)与弱磁质相比，铁磁质具有以下特点：,(1)在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。,(2)外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。,(4)具有临界温度Tc。在Tc以上，铁磁性完全消失而成为顺磁质，Tc称为居里温度或居里点。不同的铁磁质有不同的居里温度Tc。纯铁：770C，纯镍：358C。,居 里,4.铁磁质,(3)相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场的变化而变化；具有磁滞现象，之间不具有简单的线性关系。,2023/11/4,49,(2)磁滞回线,当铁磁质达到饱和状态后，缓慢地减小H，铁磁质中的B并不按原来的曲线减小，并且H=0时，B不等于0，具有一定值，这种现象称为剩磁。,-Hc,要完全消除剩磁Br，必须加反向磁场，当B=0时磁场的值Hc为铁磁质的矫顽力。,当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场，磁化曲线为一闭合曲线磁滞回线。,2023/11/4,50,B的变化总落后于H的变化，称磁滞现象。,在反复磁化过程中能量的损失叫做磁滞损耗。缓慢磁化过程，经历一次磁化过程损耗的能量与磁滞回线包围的面积成正比。,-Hc,铁磁体在交变磁化磁场的作用下，它的形状随之改变，叫做磁致伸缩效应。,2023/11/4,51,(3)磁畴,在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。,2023/11/4,52,在没有外磁场作用时，磁体体内磁矩排列杂乱，任意物理无限小体积内的平均磁矩为零。,2023/11/4,53,矫顽力很小(Hc102Am-1)，磁滞回线窄，所围的面积小，磁滞损耗小。,软磁材料如纯铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体等材料，适用于交变磁场中，常用作变压器、继电器、电动机、电磁铁和发动机的铁芯。,矫顽力大，剩磁大、磁滞回线宽，所围的面积大，磁滞损耗大。,(4)软磁材料,(5)硬磁材料,2023/11/4,54,硬磁材料如碳钢、钨钢、铝镍钴合金等材料。磁化后能保持很强的磁性，适用于制成各种类型的永久磁铁。,矩磁材料的磁滞回线接近于矩形，特点是剩磁Br接近饱和值BS。,压磁材料具有较强的磁致伸缩效应，常用于制造超声波发生器。,当矩磁材料在不同方向的外磁场磁化后，总是处于 和 两种剩磁状态，可作电子计算机的“记忆”元件。,
