医用物理学：10-11-电与磁

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1、第第5章章 电与磁电与磁electricity & magnetism 体内体内产生的电是用于控制和驱动神经、肌肉和产生的电是用于控制和驱动神经、肌肉和器官的。实际上，人体所有功能和活动都以某种器官的。实际上，人体所有功能和活动都以某种方式涉及到电。肌肉的力是由电荷的吸引和排斥方式涉及到电。肌肉的力是由电荷的吸引和排斥所引起的。脑的活动基本上是电的活动，出入脑所引起的。脑的活动基本上是电的活动，出入脑的所有神经信号都包含有电流。的所有神经信号都包含有电流。 有关人体电活动的许多概念可追溯到许多年有关人体电活动的许多概念可追溯到许多年以前。以前。1786年年Galvani首先在这一领域作出了贡首

2、先在这一领域作出了贡献，当时他在青蛙腿上发现了生物电，此后有许献，当时他在青蛙腿上发现了生物电，此后有许多年对人体内、外的电效应进行了广泛的实验研多年对人体内、外的电效应进行了广泛的实验研究。这一领域的基础研究叫神经生理学。究。这一领域的基础研究叫神经生理学。人体内的电在云和大地之间的电势差在云和大地之间的电势差超过超过107V每秒流动的电荷达每秒流动的电荷达105C1 电荷（Electric Charge）1 1、两种电荷两种电荷正电荷和负电荷正电荷和负电荷2 2、导体与绝缘体导体与绝缘体静电静电的应用的应用墨粉借助墨粉借助静电吸引粘着在静电复印静电吸引粘着在静电复印机的小载体珠上。珠的直机

3、的小载体珠上。珠的直径约径约0.3mm0.3mm生活中的带电现象生活中的带电现象 干燥天气，接触金属把手放电；衣服摩擦发出电火花；闪电； 某些材料中，存在能自由移动的电某些材料中，存在能自由移动的电荷，称为导体，例如荷，称为导体，例如；另一些材料；另一些材料中没有能自由移动的电荷，称为非导中没有能自由移动的电荷，称为非导体或绝缘体。体或绝缘体。半导体、超导体半导体、超导体气泡室中一个电子和一气泡室中一个电子和一个正电子留下的由气泡个正电子留下的由气泡形成的径迹的照片。形成的径迹的照片。基本电荷e是自然界的重要常量。电子和质子具有大小为e的电荷。3、电荷是量子化的电荷是量子化的(quantiza

4、tion)其中，基本电荷 e =1.6010-19C放射学衰变4、电荷是守恒的电荷是守恒的正负电子对湮灭C. A. Coulomb C. A. Coulomb 1736 18061736 1806法国物理学家法国物理学家 17731773年提出的计算物体上应力和应变年提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法，是结构工程的理论基础。分布情况的方法，是结构工程的理论基础。 17791779年对摩擦力进行分析，提出有关年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论。润滑剂的科学理论。 1785178917851789年，用扭秤测量静电力和年，用扭秤测量静电力和磁力，导出著名的库仑定律。磁力，导出著名的

5、库仑定律。 通过对滚动和滑动摩擦的实验研究，通过对滚动和滑动摩擦的实验研究，得出摩擦定律。得出摩擦定律。库仑定律库仑定律 (Coulombs Law)(Coulombs Law) 静电常量静电常量 k k 9.09.0 10109 9 NNmm2 2/C/C2 2 Coulombs Law The The electrostatic forceelectrostatic force of attraction or repulsion of attraction or repulsion between two between two point chargespoint charges ha

6、s the magnitude has the magnitudeq2q1（CoulombCoulombs s lawlaw）真空介电常数真空介电常数 0 = 8.8510-12 C2/Nm2平方反比规律平方反比规律思考：引力和静电力的差别？ 引力和静电力都遵守叠叠加加原原理理。如果有n个带电粒子，它们独立地成对相互作用，于是作用在其中任意一个粒子（假定为粒子q0）上的力，由矢量和给定：其中，例如，F3是电荷q3作用在粒子q0上的力。【例例】假假设设一一个个男男孩孩(60kg)(60kg)带带有有1 1库库仑仑的的电电荷荷，一一个个女女孩孩(40kg)(40kg)带带有有1 1库库仑仑的的电电

7、荷荷。当当他他们们间间隔一个足球场的长度（隔一个足球场的长度（100100米）时米）时, ,【例例】 氢氢原原子子中中质质子子和和电电子子间间的的距距离离约约为为0.530.53埃埃，这这两两粒粒子子间间的的电电力力和和万万有有引引力力各各为为多大？多大？电力电力引力：引力： 库仑定律应用于量子物理学的结构中时，它正确描述了：（a）原子中原子核束缚电子的力；（b）把原子结合在一起形成分子的力；（c）把原子或分子结合在一起从而形成固体或液体的力。【例例】 假假设设铁铁原原子子核核中中两两个个质质子子相相距距 4.0X104.0X10-15-15mm，问问这这两两质质子子之之间间有有多多大大的的库

8、库仑仑斥力？斥力？核力核力或或强强相互作用相互作用强力强力电磁力电磁力弱力弱力引力引力场的观点：电荷之间的相互作用是通过电场传递的，或者说电荷周围存在电场。2 电场 (Electric Field)空间某处的电场强度，定义为该点单位正电荷所受的电场力电场强度定义电场强度：电力线电力线 (Electric field line )(Electric field line )1) 1)任一点处的任一点处的切线方向切线方向给出该给出该点处点处E E的方向；的方向；2)2)垂直于场线单位横截面积上垂直于场线单位横截面积上电力线的电力线的数目数目表示表示E E的大小；的大小； 为使电场形象化，法拉第用为

9、使电场形象化，法拉第用电力线来描绘电场电力线来描绘电场电偶极子电偶极子一对等量正点电荷一对等量正点电荷Electric dipole 电场线远离正电荷（发源之处）并朝向负电电场线远离正电荷（发源之处）并朝向负电荷（终止之处）延伸荷（终止之处）延伸电势差（电压）电势差（电压）electric potential difference electric potential difference or voltageor voltage 某一点的某一点的电势电势，是该点与，是该点与电势零点电势零点的电的电势差。通常在电路中，选择地球为零电势。势差。通常在电路中，选择地球为零电势。 把一单位电荷由点把

10、一单位电荷由点ab 的过程中电场的过程中电场力作的功，叫做这两点的电势差，即力作的功，叫做这两点的电势差，即标量，单位标量，单位 1伏特伏特1焦耳焦耳/库仑库仑电势梯度电势梯度 （potential gradient） 在电场中，两点间的电势差与电场强度在电场中，两点间的电势差与电场强度 E有关，有关，对于平行板间的均匀电场，对于平行板间的均匀电场，等势面法等势面法线方向线方向可以定义一个矢量，它沿着可以定义一个矢量，它沿着n方向，大小等于。这方向，大小等于。这个矢量叫做个矢量叫做U的梯度的梯度(gradient)，用，用 U或或gradU表表示。示。 电容电容 (electric capac

11、ity)(electric capacity)平行板电容器平行板电容器电容器的用途电容器的用途储存能量，储存电荷储存能量，储存电荷电容器储存的能量电容器储存的能量电容器串、并联电容器串、并联串联：串联：并联：并联：等效电容器（总电容）等效电容器（总电容） 当电势差当电势差U U加在几个串联的电容器上时，这些电加在几个串联的电容器上时，这些电容器具有相等的电荷容器具有相等的电荷q q。所有电容器的电势差之和。所有电容器的电势差之和等于所加的电势差。等于所加的电势差。 当电势差当电势差U U加在几个并联的电容器上时，该电势加在几个并联的电容器上时，该电势差加到每个电容器上。差加到每个电容器上。 电

12、流电流 electric currentelectric current1、运动电荷与电流一截孤立铜线中的自由电子以 106m/s 数量级的速率作无规则运动。电流实例导线、电气设备、雷电、神经电流、 显象管中电子束、芯片、太阳风、 高能宇宙射线载流子的定向移动形成宏观的电流。 导体中存在大量的可自导体中存在大量的可自由移动的带电粒子由移动的带电粒子 2 2、恒定电流、恒定电流 电量dq在时间dt内通过一横截面积，则电流（强度）定义为： 极短时间后，电子流动达到恒定值，于是电流处于稳恒状态。1安培1库每秒3 3、基尔霍夫、基尔霍夫节点定律节点定律I3I2I1S对于恒定电流，有对于恒定电流，有流出

13、为负流出为负,流入为正流入为正电流的方向电流的方向 下图所示为电路的一部分。在右下方导线下图所示为电路的一部分。在右下方导线中电流的大小和方向为何？中电流的大小和方向为何？惯例，电流箭头沿正载流子运动的方向。3A5A2A6A8A例例水以水以 450cm450cm3 3/s /s 的体积流量的体积流量 dV/dtdV/dt 流流过塑胶水管，负电荷的电流有多大？过塑胶水管，负电荷的电流有多大？解：解：关键点，每秒钟通过的分子数来表示电流电阻、电阻率与欧姆定律电阻、电阻率与欧姆定律 通过器件的电流正比于加到该器件上的电势差。电阻电阻 resistanceresistance欧姆定律欧姆定律 OhmO

14、hms laws law 当一导电器件的电阻与所加电势差大小和极性无关时，该器件遵守欧姆定律。电阻率随温度的变化金属导体金属导体超导体超导体 superconductorsuperconductor 19111911年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家 KamerlinghKamerlingh OnnesOnnes 发现低于发现低于4K4K的温度下汞的电阻率完全消失。的温度下汞的电阻率完全消失。温度系数温度系数 超导电性于导电性是很不同的。 最好的常规导体如铜和银，在任何温度下都不能变为超导电，而新的陶瓷超导体当不处于低温超导电状态时，都是良好绝缘体。电阻率电阻率 resistivityresis

15、tivity电动势electromotive force电源的电动势：把单位正电荷从负极通过电源内部移到正极时，非静电力所做的功+ RAB电源电源I 电电源源：提提供供非非静静电电力力的装置。的装置。K电动势的正方向：电动势的正方向：负极到正极负极到正极含源电路电势差ABCDEFR1I1R2I2 1 3+ + 2含源电路的欧姆定律ABCDEFR1I1R2I2 1 3+ + 2巡视方向巡视方向正负判断：正负判断：沿巡视方向，沿巡视方向，电压下降为正电压下降为正正负号规定1、标明各支路的电流方向；2、当电流方向与巡视方向一致时，IiRi项前 面为加号，反之为减号；3、当电动势方向与巡视方向一致时，

16、i项前 面为减号，反之为加号；4、当电源的内阻r不能忽略时，把电源等效为 一个电动势为 的内阻为零的理想电源和 阻值为r的电阻的串联。 基尔霍夫方程组kirchhoff equations1、节点、支路、回路2、基尔霍夫第一方程组3、基尔霍夫第二方程组4、基尔霍夫方程组解题步骤1、节点、支路、回路node, branch, loop节点：三条或更多条支路的汇集点；ABCDr1r2R 1 2I1I2I3 支路：支路：两相邻节点间的一段电路；两相邻节点间的一段电路； 回路：回路：一个或多个支路所组成的闭合电路一个或多个支路所组成的闭合电路2、基尔霍夫第一方程组从节点流出的电流前面写减号；流向节点的

17、电流前面写加号。 则汇于节点的各支路电流的代数和为零。n个节点的电路，个节点的电路，(n 1)个彼此独立的电流方程个彼此独立的电流方程。节点电流方程组：节点电流方程组：I3I2I1SABCDr1r2R 1 2I2I3I1设各支路电流方向：设各支路电流方向：节点节点A A：节点节点B B：节点节点n=2n=2，只有，只有n-1=1n-1=1个独立的节点电流方程个独立的节点电流方程3、基尔霍夫第二方程组BCDr1r2R 1 2I1I2I3闭合回路电势差为闭合回路电势差为0 0支路：支路：P P独立节点方程：独立节点方程：N-1节点：节点：N N独立方程：独立方程：P P独立回路方程：独立回路方程：

18、P-N+13、基尔霍夫第二方程组ABCDr1r2R 1 2I2I11 1、确定节点、确定节点2 2、确定支路，设电流、确定支路，设电流3 3、选定回路，设巡视方向、选定回路，设巡视方向4 4、列独立回路的电压方程、列独立回路的电压方程回路回路BCABBCAB回路回路BADBBADBI34、基尔霍夫方程组解题步骤对于一个具有n个节点和p条支路的电路：根据所得电流值的正负根据所得电流值的正负判断各支路电流的实际方向。判断各支路电流的实际方向。 确定节点、支路和回路确定节点、支路和回路假定各假定各支路电流的正方向支路电流的正方向和和回路的巡行方向回路的巡行方向；列列节点电流方程节点电流方程( (n

19、1)1)个；个；列列回路电压方程回路电压方程( (p n+1) ) 个；个；对对p个方程求解，求各支路电流值；个方程求解，求各支路电流值；例题 惠斯登电桥如图所示，设电源电动势 为已知，电源内阻可忽略。求：（1）通过检流计的电流强度Ig与 和各臂电阻的关系；（2）电桥平衡的条件。 G R1R3R2R4GABCD R1R3R2R4IgI3I1II2I41、节点支路和回路、节点支路和回路4 4节点，节点，6 6支路支路3 3节点方程节点方程3 3回路方程回路方程2、设电流方向、设电流方向6、求电流大小，确定实际方向、求电流大小，确定实际方向3、节点电流方程、节点电流方程5、回路电压方程、回路电压方

20、程4、选定回路，设巡视方向、选定回路，设巡视方向 电鳗潜伏在南美洲的河流中，它用脉冲电流捕获鱼类并将其杀死。通过沿其长度产生几百伏的电势差，在周围的水中，从其头部到尾部附近，引起的电流可达到 1安培。起电斑起电斑 150mV 如果电鳗周围的水具有电阻如果电鳗周围的水具有电阻 ，则，则电鳗在水中能生成多大电流？电鳗在水中能生成多大电流？140140行行50005000个个 神经系统和神经元神经系统和神经元 The nervous system The nervous system and the neuronand the neuron 神经系统的基本结构是神经系统的基本结构是神经元。它是专门用

21、于电信神经元。它是专门用于电信息的接受、译码和传送的神息的接受、译码和传送的神经细胞经细胞 。 树突是专门用于接收刺树突是专门用于接收刺激信息或来自其它细胞的信激信息或来自其它细胞的信息的组成部分。轴突可长到息的组成部分。轴突可长到1 1米，它输送电信号到肌肉、米，它输送电信号到肌肉、腺体或其它神经元。腺体或其它神经元。 静息电位静息电位 resting potentialresting potential 由于在神经元的膜里比膜外存在比较多的负离由于在神经元的膜里比膜外存在比较多的负离子，每个神经元有跨膜电位差。我们说神经元被子，每个神经元有跨膜电位差。我们说神经元被极化了。标准情况下，细胞

22、内比外负极化了。标准情况下，细胞内比外负6090mV6090mV，这个电位差称为这个电位差称为静息电位（静息电位（膜电位）膜电位）。静息电位(resting potential)：细胞未受刺激时存在于细胞内外两侧的电位差 。生物膜电位：静息电位是由于细胞内外液体中离子浓度不同以及细胞膜对不同种类离子的通透性不同而引起的，所以又叫生物膜电位能斯特方程Nernst equation能斯特方程描述由于透膜扩散而达到平衡时膜两侧电势差u与两侧离子浓度间的关系NCiCoE半透膜半透膜玻尔兹曼常数，开氏温度玻尔兹曼常数，开氏温度离子的电量离子的电量神经细胞静息状态细胞膜细胞膜细细胞胞内内细细胞胞外外ui=

23、-90 mVuo=0K+ 155Na+ 12 Cl 4表示表示K K+ +、NaNa+ +泵的作用下所引起的迁移泵的作用下所引起的迁移表示由于浓度差所引起的流向表示由于浓度差所引起的流向表示由于膜电位差所引起的流动表示由于膜电位差所引起的流动K+ 4Na+ 145 Cl 120mol/m3-98mV-90mV66mV电泳electropho-resis定义：在直流电场中，带电粒子向带符号相反的电极移动的现象，用于离子分离分析与浓度检验。电极电极电极电极缓冲液缓冲液滤纸滤纸2. 2. 动作电位动作电位 action potentialaction potential 当神经或肌肉细胞受一次短促的

24、阈刺激或阈上当神经或肌肉细胞受一次短促的阈刺激或阈上刺激而发生兴奋时，细胞膜在静息电位的基础上会刺激而发生兴奋时，细胞膜在静息电位的基础上会发生一次迅速而短暂的、可向周围扩散的电位波动，发生一次迅速而短暂的、可向周围扩散的电位波动，称为称为动作电位动作电位。动作电位的主要成份是峰电位。动作电位的主要成份是峰电位。大致过程：大致过程：阈刺激阈刺激细胞部分去极化细胞部分去极化NaNa+ +少量内流少量内流去极化去极化至阈电位水平至阈电位水平NaNa+ +内流与去极化形成正反馈（内流与去极化形成正反馈（NaNa+ +爆发性内流）爆发性内流）达到达到NaNa+ +平衡电位（膜内为正膜外为平衡电位（膜内

25、为正膜外为负）负）形成动作电位上升支。形成动作电位上升支。膜去极化达一定电位水平膜去极化达一定电位水平NaNa+ +内流停止、内流停止、K K+ +迅速外迅速外流流形成动作电位下降支。形成动作电位下降支。例例试求神经膜的电场强度。已知膜试求神经膜的电场强度。已知膜厚度约为厚度约为150150埃。埃。 这个数值足以击穿干燥空气引起一个火花这个数值足以击穿干燥空气引起一个火花（击穿场强（击穿场强3x106 v/m），但击穿橄榄油需要约），但击穿橄榄油需要约107伏伏/米的场强。神经膜的电场强度并未高到足米的场强。神经膜的电场强度并未高到足以击穿一种自然油。以击穿一种自然油。例例 人体肌肉的收缩总是

26、伴有电活性的，它以电人体肌肉的收缩总是伴有电活性的，它以电压脉冲的形式出现，在皮肤表面，其振幅可以达到压脉冲的形式出现，在皮肤表面，其振幅可以达到1mv1mv。这些电脉冲可以在肩和膝之间靠近身体处建。这些电脉冲可以在肩和膝之间靠近身体处建立起约立起约0.8mv/m0.8mv/m的暂时电场。已知某种鲨鱼对于电的暂时电场。已知某种鲨鱼对于电场变化为场变化为0.1uv/cm0.1uv/cm能起反应，如果你正在海洋中游能起反应，如果你正在海洋中游泳，试计算鲨鱼能够发觉你的最大范围。泳，试计算鲨鱼能够发觉你的最大范围。解：场强解：场强 0.1uv/cm=10uv/m=10-2mv/m。对于。对于一点电荷

27、场源，电场随一点电荷场源，电场随 而降落。所以，而降落。所以，心脏搏动的电性质及其测量 心脏的搏动基本上是由一心脏的搏动基本上是由一系列有节奏的心肌收缩组成的。系列有节奏的心肌收缩组成的。 心脏的机械活动伴有始于窦心脏的机械活动伴有始于窦房结的电的活动。窦房结称为起房结的电的活动。窦房结称为起搏点，因为它控制了心脏搏动的搏点，因为它控制了心脏搏动的频率。电的活动迅速传遍整个心频率。电的活动迅速传遍整个心肌，并且产生电位的改变。此电肌，并且产生电位的改变。此电位改变虽小，但在放置于体表处位改变虽小，但在放置于体表处的电极间可观察到。的电极间可观察到。 电极导联方式：标准肢导电极导联方式：标准肢导

28、联联左腕（左腕（LALA）、右腕）、右腕（RARA）和左腿（）和左腿（LLLL）。）。VIVIV VLALAV VRARA，VIIVIIV VLLLLV VRARA，VIIIVIIIV VLLLLV VLALA。三种导联观察到。三种导联观察到的波形相似而不相等。的波形相似而不相等。 记录器上观察到的作为时间函数的电压变化图形，称为心记录器上观察到的作为时间函数的电压变化图形，称为心电图（电图（electrocardiogramelectrocardiogram，ECG)ECG)。P P波相当于心房的兴奋，波相当于心房的兴奋，QRSQRS波是由于心室的兴奋。波是由于心室的兴奋。T T波是由于心室

29、的复极化。心房的波是由于心室的复极化。心房的复极化为复极化为QRSQRS波掩盖。周期为波掩盖。周期为0.80.8秒。最大电压约秒。最大电压约1mv1mv。神经膜的电模型 静息电位的维持相当于电池的作用。在离子静息电位的维持相当于电池的作用。在离子电荷流动时会出现膜电阻。此外，电荷在二层细电荷流动时会出现膜电阻。此外，电荷在二层细胞膜上的堆积可以模拟为电容效应。根据这些基胞膜上的堆积可以模拟为电容效应。根据这些基本因素，一小段神经（或肌肉）膜的电模型可由本因素，一小段神经（或肌肉）膜的电模型可由下图所示的电路加以说明。下图所示的电路加以说明。例例 在动作电位通过期间，在动作电位通过期间，NaNa

30、进入神经，进入神经，K K离开神经。因离开神经。因为上升支是由于为上升支是由于NaNa进入所致，所以进入轴突的离子数目足以进入所致，所以进入轴突的离子数目足以产生测到的膜电位变化。对于乌贼大轴突而言，产生测到的膜电位变化。对于乌贼大轴突而言，c c1uF/cm1uF/cm2 2，测到的电位变化是测到的电位变化是110mv110mv。求进入的。求进入的NaNa离子数，以离子数，以mol/cmmol/cm2 2为为单位，并与测量值单位，并与测量值3.7x103.7x10-12-12mol/cmmol/cm2 2作比较。作比较。解：解：Na离子将按膜电容离子将按膜电容C对膜层充电，对膜层充电，QCV

31、，因此，因此， 此电模型在此电模型在2020世纪世纪5050年代提出，经实验年代提出，经实验检验基本正确，对巨大的枪乌贼而言，检验基本正确，对巨大的枪乌贼而言，所测的静息电压是所测的静息电压是56mv56mv电击的危险性电击的危险性 电击对人体的影响如何，决定于：电击对人体的影响如何，决定于：电流的大小；电流的大小； 电流的持续时间；电流的持续时间； 电流电流通过人体的途径；通过人体的途径； 电流的种类与频率；电流的种类与频率； 人体电阻的高低。人体电阻的高低。 通过人体的电流通过人体的电流强度强度对电击伤害的程度对电击伤害的程度有决定性的作用。有决定性的作用。 通过人体的电流越大，人体的生理

32、反应越明通过人体的电流越大，人体的生理反应越明显，引起心室颤动所需的时间越短，致命的危险显，引起心室颤动所需的时间越短，致命的危险就越大。就越大。 电流对人体的影响电流对人体的影响 对工频交流电，下表按数量级的近似值总结对工频交流电，下表按数量级的近似值总结了电击对人体的影响。了电击对人体的影响。电流电流结果结果0.52mA感觉阈感觉阈210mA有痛感；肌肉收缩有痛感；肌肉收缩16mA不能自行脱离电源不能自行脱离电源525mA因肌肉强力收缩而受伤因肌肉强力收缩而受伤25100mA呼吸麻痹呼吸麻痹13A发生心室纤维性颤动发生心室纤维性颤动3A由于全部心肌去极化引起心跳停止；由于受热由于全部心肌去

33、极化引起心跳停止；由于受热而引起组织的严重破坏而引起组织的严重破坏 对于工频交流电，按照通过人体的电流大小不对于工频交流电，按照通过人体的电流大小不同，人体呈现不同的状态，可将电流划分为三级：同，人体呈现不同的状态，可将电流划分为三级：感知电流：引起人感觉的最小电流称为感知电流。感知电流：引起人感觉的最小电流称为感知电流。人对电流最初的感觉是轻微麻抖和刺痛。人对电流最初的感觉是轻微麻抖和刺痛。 摆脱电流：电流大于感知电流时，发热、刺痛的摆脱电流：电流大于感知电流时，发热、刺痛的感觉增强。电流大到一定程度，触电者将因肌肉收感觉增强。电流大到一定程度，触电者将因肌肉收缩，发生痉挛而紧抓带电体，不能

34、自行摆脱电源。缩，发生痉挛而紧抓带电体，不能自行摆脱电源。人触电后能自主摆脱电源的最大电流称为摆脱电流。人触电后能自主摆脱电源的最大电流称为摆脱电流。 致命电流：在较短时间内危及生命的电流称为致致命电流：在较短时间内危及生命的电流称为致命电流。电击致死的主要原因，大都是电流引起心命电流。电击致死的主要原因，大都是电流引起心室颤动造成的。室颤动造成的。引起引起心室颤动的电流心室颤动的电流大小大小与通电时与通电时间的长短有关。当时间由数间的长短有关。当时间由数秒秒到数分钟，通过电流到数分钟，通过电流达达30503050 m mA A 时即可引起心室颤动。时即可引起心室颤动。和电荷有关的另一种场和电

35、荷有关的另一种场磁场磁场运动的带电粒子产生磁场运动的带电粒子产生磁场方向：用右手螺旋法则来确定。 正运动电荷所受最大磁场力的方向Fmax，经小于的角转向该电荷运动方向v，则螺旋前进的方向就是该点磁感应强度的方向。磁感应强度和磁感应线磁感应强度和磁感应线SI SI单位：特斯拉单位：特斯拉 1T1T1N/Am1N/Am常用单位：高斯常用单位：高斯 1G1G10104 4T TqFmaxBvI无限长直线电流的磁场无限长直线电流的磁场右手定则：把电流元握在右手中，拇指伸直右手定则：把电流元握在右手中，拇指伸直指向电流方向，其余手指自然地沿该电流元指向电流方向，其余手指自然地沿该电流元产生地磁场方向弯曲

36、。产生地磁场方向弯曲。I圆电流的磁场圆电流的磁场II通电螺线管的磁场通电螺线管的磁场B洛伦兹力Lorentz forcel当电荷沿磁场方向运动时，洛伦兹力为零；l当它沿着与磁场垂直的方向运动时，洛伦兹力最大，Fmax=qvB。qF（q0）B（q0）B（q0） Fv （2 2）左手法则）左手法则 左左手手四四指指指指向向v的的方方向向，让让磁磁力力线线垂垂直直通通过过掌掌心心，其拇指方向即为其拇指方向即为F方向。方向。洛伦兹力的方向洛伦兹力的方向vBF （1 1）右手螺旋法则）右手螺旋法则 右右手手四四指指指指向向v的的方方向向，沿沿v经经小小于于 的的角角度度绕绕向向B，其拇指方向即为其拇指方

37、向即为F方向。方向。（1）FB始终垂直于带电粒子的运动速度， 不做功。洛伦兹力只改变带电粒子的运动方向，不改变运动速度的大小。运动电荷只受洛伦兹力作用时，将做圆周运动。（2）运动的电荷在电磁场中，受到的合力为：洛伦兹力总结（1）v与B垂直，F最大；v与B平行，F0；（2）洛伦兹力总是垂直于v、B的平面，所以洛伦兹力 对运动电荷不做功，只改变其运动方向。（3）洛伦兹力的大小：（4）洛伦兹力的方向：F SvB; v B，拇指的指 向。负电荷方向相反。（5）在电磁场中，带电粒子受到的力： 电磁流量计electromagnetic flowmeter 电磁流量计是用来测量血液流速的仪器。设带有离子的血

38、液沿直径为D的血管中以速度v运动，接通电源后，在铁芯间隙处产生如图所示的磁场。BZYXvIDU是血管两端的电势差，D是血管直径。E 电磁泵electromagnetic pump 电磁泵是利用作用在导电液体上的磁力来运送导电液体的一种装置。将导电液体通以电流I，使电流方向和磁场方向垂直，液体将受到一个沿管子方向的推力，使其向前运动。IF B导电液体或血液导电液体或血液在临床上常用来输送血液或其它电解质溶液。在临床上常用来输送血液或其它电解质溶液。 物质的磁性物质的磁性 magnetic materialsmagnetic materials 这是一只青蛙浮在磁场中的俯视图，磁场由竖立在青蛙下面

39、的一个螺线管中的电流产生。螺线管给青蛙的向上磁力与青蛙的重力平衡。然而青蛙并没有磁性。 那么，怎么会对青蛙有一个磁力呢？磁性材料磁性材料 magnetic materialsmagnetic materials 如果所有原子中电子的轨道和自旋磁矩的合成产生了一个净磁矩，则材料就是磁性的。一般有三类磁性：抗磁性，顺磁性和铁磁性。2 2、顺磁性顺磁性是一些包含过渡元素、稀土元素和锕类是一些包含过渡元素、稀土元素和锕类元素的材料所具有的。这种材料的每一个原子都具元素的材料所具有的。这种材料的每一个原子都具有一个永久的合成磁矩。有一个永久的合成磁矩。顺磁质顺磁质 paramagnetismparama

40、gnetism1 1、抗磁性抗磁性是所有普通材料都具有的，但很弱。是所有普通材料都具有的，但很弱。抗磁质抗磁质 diamagnetismdiamagnetism3 3、铁磁性铁磁性是铁、镍和其它一些特定的元素的是铁、镍和其它一些特定的元素的特性。特性。铁磁质铁磁质 ferromagnetismferromagnetism , , 磁性材料磁性材料1 1、顺磁质、顺磁质3 3 磁介质的磁化磁介质的磁化分子具有固有磁矩分子具有固有磁矩固有磁矩趋向外磁场方向固有磁矩趋向外磁场方向表面出现束缚表面出现束缚( (磁化磁化) )电流电流 加强磁场加强磁场 一、磁化的机制一、磁化的机制2 2、抗磁质、抗磁质

41、 分子固有磁矩(电子轨道、自旋磁矩的矢量和）为零。但是，电子磁矩在外磁场力矩作用下进动产生和外磁场反向的感生磁矩。出现反向的表面出现反向的表面束缚电流束缚电流减弱磁场减弱磁场但感生磁矩但感生磁矩 固有磁矩固有磁矩所以，顺磁介质的抗磁性被顺磁性掩盖。所以，顺磁介质的抗磁性被顺磁性掩盖。顺磁介质也有抗磁性。顺磁介质也有抗磁性。3 3、铁磁质、铁磁质 电子自旋磁矩自发平行排列，形成磁性很强的磁化区域“磁畴” magnetic domains，强磁场。问题解答：问题解答： 青蛙（与其它动物一样）是抗磁质。青蛙（与其它动物一样）是抗磁质。当青蛙被置于垂直载流螺线管顶端附近的当青蛙被置于垂直载流螺线管顶端

42、附近的发散磁场中时，青蛙中的每个原子都被向发散磁场中时，青蛙中的每个原子都被向上推，青蛙就向上移动，进入较弱的磁场，上推，青蛙就向上移动，进入较弱的磁场，直到向上的磁力与重力平衡，就悬浮在空直到向上的磁力与重力平衡，就悬浮在空中。中。 由于人的抗磁性，如果造一个足够大由于人的抗磁性，如果造一个足够大的螺线管，也可以使人浮在空中。的螺线管，也可以使人浮在空中。1 1、 生物磁场生物磁场 人体的许多功能和活动都是电荷的运动人体的许多功能和活动都是电荷的运动再通过神经系统的活动来传导的。所以，伴再通过神经系统的活动来传导的。所以，伴随着生物电现象的同时必然有磁现象。随着生物电现象的同时必然有磁现象。

43、生物体中的磁场生物体中的磁场 产生生物磁场的另一个原因是，某些产生生物磁场的另一个原因是，某些铁磁性物质被吸入肺脏或进入胃肠器官并沉铁磁性物质被吸入肺脏或进入胃肠器官并沉积在里面，当这些磁性物质被地磁场或外界积在里面，当这些磁性物质被地磁场或外界磁场磁化后，它们就成为小磁石残留在体内磁场磁化后，它们就成为小磁石残留在体内2 2、磁场的生物效应磁场的生物效应 磁场对生命机体的活动及其生理、生化磁场对生命机体的活动及其生理、生化过程有一定影响。这些影响与磁场类型、磁过程有一定影响。这些影响与磁场类型、磁场强度、磁场方向与作用时间有关。场强度、磁场方向与作用时间有关。 利用磁场的生物效应，目前磁疗法

44、已广泛利用磁场的生物效应，目前磁疗法已广泛应用于临床，具有活血化瘀、消炎镇痛的功应用于临床，具有活血化瘀、消炎镇痛的功效，对肌肉劳损、关节炎及气管炎等有较好效，对肌肉劳损、关节炎及气管炎等有较好的疗效。的疗效。3 3、心和脑的磁信号、心和脑的磁信号心磁图和脑磁图心磁图和脑磁图Summary 电荷：量子化、守恒，库仑定律电荷：量子化、守恒，库仑定律电场：电力线电场：电力线电势差电势差电容：存储能量电容：存储能量电流：载流子的定向流动形成宏观的电流。电流：载流子的定向流动形成宏观的电流。电阻电阻电动势电动势基尔霍夫方程组基尔霍夫方程组Summary神经系统和神经元神经系统和神经元静息电位、动作电位、能斯特方程静息电位、动作电位、能斯特方程电泳电泳心脏搏动的电性质以及测量心脏搏动的电性质以及测量神经膜的电模型神经膜的电模型电击的危险电击的危险Summary磁场：磁感应强度磁场：磁感应强度洛伦兹力洛伦兹力电磁流量计电磁流量计电磁泵电磁泵物质的磁性：顺磁质、抗磁质、铁磁质物质的磁性：顺磁质、抗磁质、铁磁质生物体中的磁场生物体中的磁场相关习题：习题五：相关习题：习题五：5-1,-3,-11-13,-15,-16