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1、物质磁性的主要来源： 电子的自旋磁矩 轨道磁矩（分子电流）,磁现象本质：电荷运动,第十章 稳恒磁场,电场,电荷,电场力,电荷,第一节 磁感应强度,一、磁感应强度（magnetic induction),1. 磁感应强度 B （实验结果） a）方向：q0运动不受磁力的方向；,用运动的检验电荷q0在磁场中所受力的大小和方向来定义,b) q0在垂直于B方向运动受磁力最大,c）v与B成角时，q0受磁力,比值与电荷性质无关 反映磁场本身的性质 SI单位：T（特斯拉） 1T=104G,2. 磁感应强度的大小,磁场服从叠加原理,3. v、B、f 三矢量间的关系： 右手螺旋法则,运动电荷受到的磁场力为,二、磁
2、 通 量,方向： 曲线上一点的切线方向和该点的磁场方向一致。,大小：疏密反映磁场的强弱。,磁感应线,磁感应线是无头无尾的闭合曲线，磁场中任意两条磁感应线不相交。 磁感应线与电流线铰链,性质：,通过某曲面磁感应线的总数,规定磁感应强度的值等于该点的磁感应线密度。,1. 磁通量（magnetic flux）,2.磁场中的高斯定理,涡旋场,第二节 电流的磁场,一、毕奥萨伐尔定律 （电流元产生磁场的规律）,方向：右手螺旋法则,r,dB,电流元,真空中的磁导率,1. 直载流导线的磁场,二、毕奥沙伐尔定律的应用,(1) 无限长直导线,方向：右手螺旋法则,(2) 任意形状直导线,讨 论,2. 圆环电流轴线上
3、的磁场,1,2, 3，4,5,第三节 安培环路定律 (Ampere circuital theorem),B的环路积分，反映磁场与建立磁场源之间的联系,磁场没有保守性，它是 非保守场，或无势场,电场有保守性，它是 保守场，或有势场,电力线起于正电荷、 止于负电荷。 静电场是有源场,磁力线闭合、 无头无尾 磁场是涡旋场,例题：真空中长直螺线管内的B,螺线管长 L, N 匝 ；单位长度的匝数为：n=N/L,当场源分布具有对称性时，利用安培环路定理计算磁感应强度分布。,例：无限长载流圆柱导体的磁场分布,分析对称性,电流分布轴对称,磁场分布轴对称,已知：I、R 电流沿轴向，在截面上均匀分布,第四节 磁
4、场对电流的作用,一、磁场对运动电荷的作用,1. 洛伦兹力(Lorentz force) 大小：,electron,方向：垂直于 v 和 B决定的平面；,特点：使带电粒子运动方向改变，不做功,二、磁场对载流导线的作用,导线所受的磁场力是导线中所有电子所受的洛伦兹力的总和。,三、载流线圈的磁矩(magnetic moment),1.矩形平面线圈上的力矩 F2 与 F2 大小相等方向相反，形成力偶。,对匀强磁场任意形状的平面线圈都成立,2. N匝线圈，且法线方向与B方向成角,例：电子轨道中心的 B,美国物理学家霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机制时发现:当电流垂
5、直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。,四、霍尔效应(Hall effect),载流子受力（平衡）,Uab 霍尔电压 K 霍尔系数,霍尔电势差：,量子霍尔效应,德国物理学家冯克利青发现整数量子霍尔效应,因此获得1985年诺贝尔物理学奖。,霍尔电阻（低温，强磁场中，纵向电压和横向电流的比值）是量子化的,崔琦、施特默和赫萨德（A. C. Gossard）发现分数量子霍尔效应，前两者因此与劳赫林（Robert Betts Laughlin）分享1998年诺贝尔物理学奖。,随着磁场增强，霍尔常数出现了新的台阶。
6、这种现象称为分数量子霍尔效应,量子反常霍尔效应,由中科院物理所和清华大学等机构的科研人员组成的团队，首次成功实现“量子反常霍尔效应”。该结果于3月14日在线发表于美国科学杂志。,1、量子反常霍尔效应使得在零磁场的条件下应用量子霍尔效应成为可能； 2、这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，可用于制备低能耗的高速电子器件。,薛其坤：咱们用一个形象的比喻，计算机芯片里电子的运动几乎可以看成是一个无规律的，从晶体管的电极一端到达另一端的时候，就像从农贸市场的一端到达另一端的时候，电子比喻成人的话，运动过程中老碰到很多无序的话它老是要走弯路，走弯路就会造成发热，效率就不高，这是目前晶体管发热的一个
7、重要原因之一。量子霍尔的电子被这个效应定义了一个规则，不像农贸市场的运动非常杂乱了，就像高速公路的汽车一样，按照规则进行。 薛其坤院士解释说，目前，普通量子霍尔效应的产生无法被广泛应用，因为它需要非常强的磁场，成本非常昂贵，比较困难。 薛其坤：要实现这种量子霍尔效应所占的磁场，是地球地磁场的十万倍甚至上百万倍，要产生这样的磁场需要一个非常大的设备，一般来讲的话是和冰箱那么大，一个计算机的芯片很小，显然这种量子霍尔效应很难得到应用。 但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，因此这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。,五、质谱仪和回旋加速器,
8、B2,B1,可识别同类离子的各种同位素,Electromagnetic pump,电磁泵,利用作用在导电液体上的磁力运送导电液体,六、 电磁泵和电磁流量计,D,电磁流量计,七、 磁流体发电,把燃料（油、煤气和原子能反应堆）加热而产生的高温（约3000K）气体，以高速 v（约1000 m/s）通过用耐高温材料制成的导电管，气体在高温情况下，原子中的一部分电子克服了原子核引力的束缚而变成自由电子，同时原子则因失去了电子而变成带正电的离子,再在这种高温气流中加入少量容易电离的物质（如钾和铯），更能促进气体的电离，从而提高气体的导电率，使气体差不多达到等离子状态，如在垂直于气体运动的方向加上磁场，则气
9、流中的正、负离子由于受洛伦兹力的作用，将分别向垂直于 v 和 B 的两个相反方向偏转，结果在导电管两个电极上产生电势差。如果不断提供高温、高速的等离子气体，便能在电极上连续产生电能。,磁流体发电是一种新型的发电方法。它把燃料的热能直接转化为电能，省略了由热能转化为机械能的过程,第五节 磁介质（magnetic medium),磁介质：凡是处于磁场中能对磁场发生影响的物质。 一、介质中的磁场,1. 磁介质的磁化,磁化电流：磁介质边缘形成大的环形电流,磁介质分子在外磁场中产生感生磁矩,2、介质中的磁场 由于磁场中的磁介质被磁化，产生附加磁场B 介质中的磁感应强度 B=B0+B,实验：保持螺线管电流
10、不变，测得真空时的磁感应强度为 B0; 充满磁介质时的磁感应强度为 B 二者关系为： B = rB0,3、磁导率(permeability) 空心螺线管内磁感应强度：,充满磁介质后磁感应强度：,有、无磁介质时，磁感应强度发生变化， H不变。 H与磁介质无关。（辅助量）,4、磁场强度(magnetic intensity),生物分子含有过渡族的金属离子， 如含有过渡族原子铁、钴、锰、钼等,生物分子在氧化还原等生命过程中 产生的自由基，如含铁的血红蛋白、 肌红蛋白和铁蛋白等生物分子。,二、磁介质的分类 1.顺磁质(paramagnetic medium)： 磁化后产生的附加磁场与外磁场同向 B B
11、0 r 1,大多数生物大分子是各向异性的抗磁质。 如叶绿素分子、脱氧核糖核酸分子等。,2.抗磁质(diamagnetic medium)： 磁化后产生的附加磁场与外磁场反向 B B0 r 1 如：铜、铋、锑及其惰性气体等。,3.铁磁质(ferromagnetic material)： 磁化后产生的附加磁场与外磁场同向 、且很强 B B0 r 如：铁、镍、钴及其合金。某些海水细菌、蜜蜂、鸽子、海豚等动物体内均含有磁铁矿物Fe304的微粒。,构成生物体的各种生物大分子多为各向异性的抗磁质。 少数为顺磁性; 极少数为铁磁性,三、超导体及其磁学特性,超导电现象 某些材料在温度低于某一温度时，电阻突然降
12、到零的现象。 具有超导电性的材料称为超导体. 电阻降为零的温度称为转变温度或临界温度。,1.超导体,2. 超导体的主要特性,（1）零电阻 若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将无衰减地持续下去。,（2）临界磁场与临界电流 材料的超导态被外加磁场破坏而转入正常态所需的最小磁场强度称为临界磁场。当通过超导体的电流超过某一电流值时，超导态被破坏，此电流称为临界电流。,（3）迈斯纳效应完全抗磁性 样品转变为超导态的过程中，无论先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，超导体内的磁感应强度总是为零,（4）同位素效应 同位素的质量越大，转变温度越低。同位素效应说明超导不仅与电子状态有关，也与金属的离子晶格有关。
13、,第六节 磁场的医学应用,研究内容： 生物机体自身或被诱发产生的磁场诊断； 磁场引起的生物效应治疗。 生物磁场产生的原因： 细胞膜内外的离子运动形成的生物电流产生的磁场，称为变动磁场； 自然界含有铁性成分及某些磁性物质，经呼吸道吸入或经消化道食入体内而形成的磁场，称为定常磁场； 生物磁性材料在外磁场的作用下产生感应磁场 （如肝、脾产生的磁场）。,机体与外磁场的相互作用 感应电动势：分子极化；带电粒子迁移； 洛仑兹力：带电粒子改变原来的运动方向； 磁化：沿外磁场取向（固有磁矩）。,心磁场与心磁图 (Magnetocardiogram),心肌的兴奋心脏电场体外（心）磁场。 在体外测定胸部周围磁场变
14、化，记录下来就是心磁图。 心磁图与心电图一样，用P波、QRS波群、T波、和ST段命名,心磁图与心电图比较：心磁图是非接触性的记录法，SQUID磁强计装置体积大且价格昂贵。,肺磁场,多数粉尘具有磁性：肺内积蓄的粉尘在外部强的恒磁场下将被磁化。 把外加恒磁场撤去，肺内被磁化的粉尘产生的附加磁场仍然存在，经测定可推测粉尘的量和分布情况。 探测方法： 用工频消磁器使肺部污染的强磁性物质去磁，诸点测量作第一张肺磁图 施加一均匀磁场使污染物质磁化，做第二张肺磁图； 两张肺磁图对应点数据相减，得第三张肺磁图即为强磁性污染剩余场在肺中的分布图。,脑电 神经活动联系着体内复杂的信息处理系统，支配着从运动、体感、
15、听觉、视觉等基本功能，到语言、情感、思维等高级功能。 微弱的电(磁)信号有波形、幅度、能量、频率、相位、频谱等特征，与特定的正常和异常生理活动过程相对应。,脑磁图是脑神经细胞的生物电流产生的磁场，在头部表面的检测结果。 测量的是体内神经电流源引发的瞬间磁场。,脑磁图 (Magnetoenceghalogram),组成： SQID本身被封在一个超导屏蔽的小盒内，可对干扰磁场进行部分屏蔽； 检测线匝，用来探测磁场； 杜瓦瓶，内盛液氦。,超导量子干涉仪 （Superconducting Quantum Interference Device,又称SQID磁强计) 灵敏度达 10-15 T,磁疗简介,特点：安全、方便、无痛苦。 依据：中医经络理论，在人体经穴处施加磁场。 作用：活血化淤、镇静止痛、消肿消炎、安神降压等。 疗效：高血压、神经衰弱、各种疼痛性疾病如肌劳损、扭挫伤、骨质增生、类风湿关节炎等。 磁场类型：恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场、交变磁场等。 研究内容：磁场类型、磁场强度、作用部位、治疗时间等。,利用磁场或磁性材料治病，我国已有两千多年的历史。利用磁场的生物效应，已制成多种磁疗仪器。简单的有磁石穴位粘帖胶布、磁化水杯、 磁枕、磁性腹带等。,
