1、第二章第二章 生物磁學(xué)生物磁學(xué)生物磁學(xué)作為一門(mén)學(xué)科的確立是在生物磁學(xué)作為一門(mén)學(xué)科的確立是在20世紀(jì)世紀(jì)60年代年代。但是，磁學(xué)和生物學(xué)早在但是，磁學(xué)和生物學(xué)早在古代古代就已經(jīng)發(fā)生了聯(lián)系。就已經(jīng)發(fā)生了聯(lián)系。早在早在2000多年前，司馬遷在多年前，司馬遷在史記史記中就談到中就談到“齊王侍醫(yī)遂病，齊王侍醫(yī)遂病，自煉五石服之自煉五石服之”，磁石就是五石之一。，磁石就是五石之一。古希臘醫(yī)生加侖約公元古希臘醫(yī)生加侖約公元2世紀(jì)世紀(jì)才利用磁石來(lái)治療腹瀉。相比之才利用磁石來(lái)治療腹瀉。相比之下，希臘采用磁療要比我國(guó)下，希臘采用磁療要比我國(guó)晚晚200多年多年。近近10多年來(lái)，生物磁學(xué)發(fā)展非常迅速。研究?jī)?nèi)容豐富多彩

2、。多年來(lái)，生物磁學(xué)發(fā)展非常迅速。研究?jī)?nèi)容豐富多彩。磁場(chǎng)在磁場(chǎng)在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等方面，都有重要應(yīng)用。等方面，都有重要應(yīng)用。人類(lèi)對(duì)磁性的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用歷史悠久人類(lèi)對(duì)磁性的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用歷史悠久 以下是我們?cè)陔姶艑W(xué)課中見(jiàn)到的磁現(xiàn)象以下是我們?cè)陔姶艑W(xué)課中見(jiàn)到的磁現(xiàn)象 所有的物質(zhì)都有磁性嗎？所有的物質(zhì)都有磁性嗎？磁性是物質(zhì)的基本屬性，磁性是物質(zhì)的基本屬性，就像物質(zhì)具有質(zhì)量和電性一樣換句更簡(jiǎn)單的話說(shuō)就是： 一切物質(zhì)都具有磁性一切物質(zhì)都具有磁性生物磁學(xué)生物磁學(xué)磁學(xué)磁學(xué)生物學(xué)生物學(xué)物質(zhì)磁性在各個(gè)方面都得到廣泛應(yīng)用物質(zhì)磁性在各個(gè)方面都得到廣泛應(yīng)用第二章第二章 生物磁學(xué)生物磁學(xué)第一節(jié)第一節(jié) 物質(zhì)的磁

3、性物質(zhì)的磁性第二節(jié)第二節(jié) 生物物質(zhì)的磁性和生物生物物質(zhì)的磁性和生物磁場(chǎng)磁場(chǎng)第三節(jié)第三節(jié) 磁場(chǎng)的生物效應(yīng)磁場(chǎng)的生物效應(yīng)第四節(jié)第四節(jié) 磁技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用磁技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用第一節(jié)第一節(jié) 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性1.1 物質(zhì)磁性的起源物質(zhì)磁性的起源1.2 原子、分子的磁矩原子、分子的磁矩1.3 磁化率與磁導(dǎo)率磁化率與磁導(dǎo)率1.4 順磁性和抗磁性順磁性和抗磁性1.11.1 物質(zhì)磁性的起源物質(zhì)磁性的起源：安培分子電流學(xué)說(shuō)安培分子電流學(xué)說(shuō) 組成磁鐵的每個(gè)分子都具有一個(gè)小組成磁鐵的每個(gè)分子都具有一個(gè)小的的分子電流分子電流，經(jīng)過(guò)，經(jīng)過(guò)磁化磁化的磁鐵其小分子的磁鐵其小分子電流都電流都定向定向規(guī)則排列。

4、規(guī)則排列。1 電子的軌道磁矩現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為物質(zhì)磁性來(lái)源于原子的磁性現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為物質(zhì)磁性來(lái)源于原子的磁性2 電子的自旋磁矩3 原子核的核磁矩 原子的總磁矩應(yīng)是原子中各個(gè)電子的軌道磁矩、自旋磁矩及原子核磁矩（可以忽略）相加起來(lái)的合磁矩 1.2 1.2 原子、分子的磁矩原子、分子的磁矩 1.1.電子及原子的磁矩電子及原子的磁矩2.2.分子磁矩和分子電流分子磁矩和分子電流 1. 1.電子及原子的磁矩電子及原子的磁矩 電子軌道磁矩電子軌道磁矩電子自旋磁矩電子自旋磁矩Lmceul2Smceus具有一個(gè)電子的原子的總磁矩為，具有一個(gè)電子的原子的總磁矩為， sluuu原子核的磁矩也具有原子核的磁矩也具有e/mc

5、e/mc的表達(dá)形式，但因的表達(dá)形式，但因核質(zhì)量比電子質(zhì)量大核質(zhì)量比電子質(zhì)量大三個(gè)量級(jí)三個(gè)量級(jí)，故其磁矩貢，故其磁矩貢獻(xiàn)很小，可以獻(xiàn)很小，可以忽略忽略。 2.2.分子磁矩和分子電流分子磁矩和分子電流電子軌道磁矩電子軌道磁矩電子自旋磁矩電子自旋磁矩原子核的磁矩原子核的磁矩( molecular magnetic moment )(molecularcurrent)分子電流分子電流 I分子磁矩分子磁矩 m等效等效Im1.3 1.3 磁化率與磁導(dǎo)率磁化率與磁導(dǎo)率1、磁化強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度2 2、磁化率、磁化率3. 3. 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率感應(yīng)磁矩感應(yīng)磁矩在磁場(chǎng)作用下，分子的在磁場(chǎng)作用下，分子的固有磁矩固有磁矩（

6、圓電流）會(huì)受到力矩作用而（圓電流）會(huì)受到力矩作用而從新取向，產(chǎn)生的磁矩叫從新取向，產(chǎn)生的磁矩叫感應(yīng)磁矩感應(yīng)磁矩。這種物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下。這種物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下所發(fā)生的變化叫磁介質(zhì)的所發(fā)生的變化叫磁介質(zhì)的磁化磁化，能夠磁化的物質(zhì)稱作，能夠磁化的物質(zhì)稱作磁介質(zhì)磁介質(zhì)。 1、磁化強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度 磁介質(zhì)中磁介質(zhì)中單位體積單位體積的所有分子或原子的磁矩（固有磁矩與的所有分子或原子的磁矩（固有磁矩與感應(yīng)磁矩的總和）叫磁介質(zhì)的感應(yīng)磁矩的總和）叫磁介質(zhì)的磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度。磁化強(qiáng)度是用來(lái)描述磁介質(zhì)磁化程度的物理量。磁化強(qiáng)度是用來(lái)描述磁介質(zhì)磁化程度的物理量。 VuM2 2、磁化率、磁化率HM其中其中稱為磁體的磁化

7、率，表征磁體磁化難易程度稱為磁體的磁化率，表征磁體磁化難易程度 磁化強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)的關(guān)系：磁化強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)的關(guān)系：真空中的磁感應(yīng)強(qiáng)度0BBBBB0介質(zhì)磁化后，磁化電流所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為介質(zhì)磁化后，磁化電流所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 ，根據(jù)場(chǎng)疊，根據(jù)場(chǎng)疊加原理。介質(zhì)中的合場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：加原理。介質(zhì)中的合場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：BrBB0r 相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率 反映磁介質(zhì)對(duì)原場(chǎng)的影響程度反映磁介質(zhì)對(duì)原場(chǎng)的影響程度 定義：定義：3. 3. 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度uBH 在任何磁介質(zhì)中，磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與同一在任何磁介質(zhì)中，磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與同一點(diǎn)上的磁導(dǎo)率點(diǎn)上的磁導(dǎo)率u的比值，稱為該

8、點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度即的比值，稱為該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度即在在SI制中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是：制中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是：在在CGS制中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位為奧斯特制中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位為奧斯特1mAr0BBB0介質(zhì)磁化后，合場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：介質(zhì)磁化后，合場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：順磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)減弱原場(chǎng)減弱原場(chǎng)0BB 增強(qiáng)原場(chǎng)增強(qiáng)原場(chǎng)0BB 如如 鋅、銅、水銀、鉛等鋅、銅、水銀、鉛等如如 錳、鉻、鉑、氧等錳、鉻、鉑、氧等弱弱磁磁性性物物質(zhì)質(zhì)順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率都非常接近于順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率都非常接近于1。鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)具有顯著的增強(qiáng)原磁場(chǎng)的性質(zhì)具有顯著的增強(qiáng)原磁場(chǎng)的性質(zhì)強(qiáng)磁性物質(zhì)強(qiáng)磁性物質(zhì)0BB 1.4 1

9、.4 順磁性和抗磁性順磁性和抗磁性rBB0相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率 順磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)1r1r鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)1r鐵磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì) 在順磁性物質(zhì)中，有些元素（如鐵、鈷、鎳），其原子在順磁性物質(zhì)中，有些元素（如鐵、鈷、鎳），其原子的磁矩可以有序地排列起來(lái)，產(chǎn)生比一般順磁性物質(zhì)高的磁矩可以有序地排列起來(lái)，產(chǎn)生比一般順磁性物質(zhì)高幾十萬(wàn)幾十萬(wàn)倍倍的強(qiáng)磁性，稱它們?yōu)殍F磁性物質(zhì)。的強(qiáng)磁性，稱它們?yōu)殍F磁性物質(zhì)。自然界中絕大多數(shù)物質(zhì)有抗磁性，部分有順磁性，少數(shù)有鐵磁性自然界中絕大多數(shù)物質(zhì)有抗磁性，部分有順磁性，少數(shù)有鐵磁性鐵磁質(zhì)的特性：鐵磁質(zhì)的特性：鐵鐵10430C 鎳鎳6300C 鈷鈷13900C2) 當(dāng)

10、外磁場(chǎng)停止作用時(shí)，仍能保持其磁化狀態(tài)；當(dāng)外磁場(chǎng)停止作用時(shí)，仍能保持其磁化狀態(tài)；1) 在外磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；在外磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；3) 有一臨界溫度（居里溫度）有一臨界溫度（居里溫度）TcT Tc，鐵磁性完全消失而成為順磁質(zhì)，鐵磁性完全消失而成為順磁質(zhì)19 世紀(jì)末，居里發(fā)現(xiàn)磁石加熱到一定溫度，原來(lái)的磁性就消失。這個(gè)溫度叫世紀(jì)末，居里發(fā)現(xiàn)磁石加熱到一定溫度，原來(lái)的磁性就消失。這個(gè)溫度叫 “居里點(diǎn)居里點(diǎn) ” 鐵磁體在弱磁場(chǎng)中的行為鐵磁體在弱磁場(chǎng)中的行為T(mén)Tc的鐵磁體的鐵磁體TTc的鐵磁體的鐵磁體T略低于略低于Tc的鐵磁體的鐵磁體H磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化落后于磁場(chǎng)

11、強(qiáng)度的變化落后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化的現(xiàn)象，叫的變化的現(xiàn)象，叫磁滯現(xiàn)象磁滯現(xiàn)象當(dāng)磁化場(chǎng)在正負(fù)兩個(gè)方向上往復(fù)變化時(shí)，介質(zhì)的磁化過(guò)程經(jīng)歷著一個(gè)循環(huán)的過(guò)程。閉合曲線SRCSRCS叫做鐵磁質(zhì)的磁滯回線。對(duì)應(yīng)同一個(gè)對(duì)應(yīng)同一個(gè)H有多個(gè)有多個(gè)B鐵磁性物質(zhì)的磁滯現(xiàn)象鐵磁性物質(zhì)的磁滯現(xiàn)象 當(dāng)鐵磁質(zhì)的磁化達(dá)到當(dāng)鐵磁質(zhì)的磁化達(dá)到飽和飽和后，如果將磁化場(chǎng)去掉（后，如果將磁化場(chǎng)去掉（H=0），），介質(zhì)的磁化狀態(tài)并不恢復(fù)到原來(lái)的起點(diǎn)介質(zhì)的磁化狀態(tài)并不恢復(fù)到原來(lái)的起點(diǎn)O，而是保留一定的磁性，而是保留一定的磁性（SR段）段）。若要使介質(zhì)完全退磁，必須矯枉過(guò)正，加一相反方向。若要使介質(zhì)完全退磁，必須矯枉過(guò)正，加一相反方向的磁化場(chǎng)（

12、的磁化場(chǎng)（H0）。只有當(dāng)反方向的磁化場(chǎng)大到一定程度時(shí)，介）。只有當(dāng)反方向的磁化場(chǎng)大到一定程度時(shí)，介質(zhì)才完全質(zhì)才完全退磁退磁。退磁后，如果反方向的磁化場(chǎng)的數(shù)值繼續(xù)增大，。退磁后，如果反方向的磁化場(chǎng)的數(shù)值繼續(xù)增大，介質(zhì)將沿相反的方向磁化，直到飽和（介質(zhì)將沿相反的方向磁化，直到飽和（CS段）。此后若使反方段）。此后若使反方向的磁化場(chǎng)數(shù)值減少到向的磁化場(chǎng)數(shù)值減少到0，然后又沿正方向增加，介質(zhì)的磁化狀，然后又沿正方向增加，介質(zhì)的磁化狀態(tài)將沿態(tài)將沿SRCS回到正向飽和磁化狀態(tài)回到正向飽和磁化狀態(tài)S。曲線曲線SRCS和和SRCS對(duì)于坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)于坐標(biāo)點(diǎn)O是對(duì)稱的。是對(duì)稱的。 剩磁剩磁Br：當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到零時(shí)，

13、磁感應(yīng)強(qiáng)度并當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度并不等于零，而是仍有一定的數(shù)值不等于零，而是仍有一定的數(shù)值Br ， Br叫做叫做剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱剩磁剩磁。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS：所有磁疇都與外場(chǎng)方向一致。相應(yīng)的磁場(chǎng)所有磁疇都與外場(chǎng)方向一致。相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為強(qiáng)度稱為飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為，磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑力矯頑力HC：當(dāng)當(dāng)H=-Hc時(shí)，鐵磁質(zhì)的剩磁就消失時(shí)，鐵磁質(zhì)的剩磁就消失了，鐵磁質(zhì)不顯磁性。通常把了，鐵磁質(zhì)不顯磁性。通常把Hc叫叫做矯頑力。做矯頑力。鐵磁質(zhì)在交變電流勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫鐵磁質(zhì)在交變電流勵(lì)磁下反復(fù)

14、磁化使其溫度升高的，要損失能量，稱為度升高的，要損失能量，稱為磁滯損耗磁滯損耗。BH-HcHcBrBs 以上簡(jiǎn)述了物質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)的一些基礎(chǔ)知識(shí)和規(guī)律。總以上簡(jiǎn)述了物質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)的一些基礎(chǔ)知識(shí)和規(guī)律?？偨Y(jié)起來(lái)，物質(zhì)的磁性來(lái)自原子的磁性。原子的磁性來(lái)源于：結(jié)起來(lái)，物質(zhì)的磁性來(lái)自原子的磁性。原子的磁性來(lái)源于：電子的軌道運(yùn)動(dòng)、自旋運(yùn)動(dòng)和原子核的自旋運(yùn)動(dòng)。根據(jù)物電子的軌道運(yùn)動(dòng)、自旋運(yùn)動(dòng)和原子核的自旋運(yùn)動(dòng)。根據(jù)物質(zhì)在磁場(chǎng)中磁化的方向與外加磁場(chǎng)的關(guān)系，有順磁物質(zhì)、質(zhì)在磁場(chǎng)中磁化的方向與外加磁場(chǎng)的關(guān)系，有順磁物質(zhì)、抗磁物質(zhì)；順磁物質(zhì)中能夠產(chǎn)生很強(qiáng)磁性的物質(zhì)叫鐵磁物抗磁物質(zhì)；順磁物質(zhì)中能夠產(chǎn)生很強(qiáng)磁性的物質(zhì)叫鐵磁物質(zhì)。鐵磁物質(zhì)具有磁滯現(xiàn)象。質(zhì)。鐵磁物質(zhì)具有磁滯現(xiàn)象。第一節(jié)第一節(jié) 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性 重點(diǎn)重點(diǎn)*1.1 物質(zhì)磁性的起源物質(zhì)磁性的起源物質(zhì)的磁性來(lái)自