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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生命与电磁学电磁学 地球的电磁场 人体中的应用信鸽爱好者都知道，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 小电池供电，鸽子头
2、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
3、它能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
4、泥的厌氧细菌时发现，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
5、心的。 地球表面携带负电荷，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）。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
6、质。 我还听说，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
7、 仑磁力作用于运动电荷；（3）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
8、是：对生物细胞的分裂和生长，磁场 的作用出现了正反馈现象。 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
9、 片，磁带贴敷和埋针（以磁针刺入穴位）等。 另外，还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。 （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
10、物体内生理 和病理状态的信息.近几年来，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.SsS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
11、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
12、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
13、同成分的磁性 差别来分离红细胞和白细胞.利用磁场与人体经络的相互作用，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
14、地区,肾癌发病 率较高,易出现磁暴的地区,青光眼发病率较 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.动植物与磁农业农业中的磁应用中的磁应用环保环保中的
15、磁应用中的磁应用北极光与磁北极光与磁太阳黑子与磁太阳黑子与磁地质勘探地质勘探中的磁应用中的磁应用军事军事中的磁应用中的磁应用畜牧业畜牧业中的磁应用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
16、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。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，利用
