广东省河源市龙川县第一中学高中物理选修3-1第三章课件3.1我们周围的磁现象

引入：我国是世界上最早发现磁现象的国家，早在战国末年就有“磁石召铁”的记载，我国古代的四大发明之一的指南针就是其中之一，指南针的发明为世界的航海业作出了巨大的贡献．在现代生活中，利用磁场的仪器或工具随处可见，如我们将要学习的电流表、质谱仪、回旋加速器等等．进入21世纪后，科技的发展突飞猛进，一日千里，作为新世纪的主人，肩负着民族振兴的重任，希望同学们勤奋学习，为攀登科学高峰打好扎实的基础．第一节我们周围的磁现象一、无处不在的磁在现代生活中，处处可遇到磁，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。生物也有磁现象，在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。许多人都知道，家里养的鸽子可以从离家几十、几百甚至上千公里的地方飞回家里；燕子等候鸟每年都在春秋两季分别从南方飞回北方，又从北方飞到南方；一些海龟从栖息的海湾游出几百几千公里后又能回到原来的栖息处。它们是如何辨别方向的？尤其是在茫茫的海洋上。难道它们也像人类航海时一样使用指南针吗？大量的和长期的观察研究表明，这些生物从原居处远行后再回到原居处，的确是与地球磁场有关的，或者可能有关的。学科网磁在生物学和医学方面的一项重要应用是原子核磁共振成像，简称核磁共振成像，又称核磁共振CT(CT是计算机化层析术的英文缩写)。这是利用核磁共振的方法和电子计算机的处理技术等来得到人体、生物体和物体内部一定剖面的一种原子核素，也即这种核素的化学元素的浓度分布图像。目前应用的是氢元素的原子核核磁共振层析成像。这种层析成像比目前应用的X射线层析成像(又称X射线CT)具有更多的优点。例如，X射线层析成像得到的是成像物的密度分布图像，而核磁共振层析成像却是成像物的原子核密度的分布图像。目前虽然还仅限于氢原子核的密度分布图像，但氢元素是构成人体和生物体的主要化学元素。因此，从核磁共振层析成像得到的氢元素分布图像，要比从X射线密度分布图像得到人体和生物体内的更多信息。例如，人体头部外层头骨的密度高，而内层脑组织的密度较低，因此从人头部的X射线层析成像难于得到人脑组织的清晰图像，但是从人头部的核磁共振层析成像却可以得到头内脑组织的氢原子核即氢元素分布的清晰图像，从而可以看出脑组织是否正常。又例如，对于初期肿瘤患者，其组织同正常组织尚无明显差异时，从X射线层析成像尚看不出异常，但从核磁共振层析成像就可看出其异常了。图1是我国研制生产的核磁共振层析成像装置正在为病人检查，图2是以一脑瘤病人头部的核磁共振层析成像和X射线层析成像。在核磁共振层析成像中可以检查出的脑瘤(A)，但在X射线层析成像中却看不出来。目前核磁共振层析成像应用的虽然还只有氢核一种原子核素，但从科学技术发展看，可以预言将会有更多的原子核素，如碳核和氮核等的核磁共振层析成像也将进入应用。我们在体格检查或因心脏、脑部疾病去医院就医时，常常需要做心电图或脑电图的检查，由此了解心脏或脑部的生理和病理情况。但是我们知道电的活动(电流)会产生磁场，因此在心电流产生心电图和脑电流产生的脑电图时，也应该有心磁场产生的心磁图和脑磁场产生的脑磁图。那么为什么目前医院里还没有应用心磁图和脑磁图呢？这是因为心脏产生的心磁场和脑部产生的脑磁场都太微弱，不但需要特别的高度灵敏的测量心、脑磁场的磁强计，例如应用在很低温度下才能使用的超导量子干涉仪(SQUID)式磁强计，而且由于微弱的心脏磁场只有地球磁场的大约百万分之一(10-6)，更微弱的脑部磁场只有地球磁场的大约亿分之一(10-8)，因此在测量心脏磁场和脑部磁场时还必须排除地球磁场的干拢，这就需要在能把地球磁场显著减小的磁屏蔽室中进行心、脑磁场的测量，或者利用超导量子干涉仪式磁场梯度计在没有磁屏蔽室时进行心、脑磁场的测量。这是因为磁场梯度计只测量不均匀的磁场，而对均匀的磁场无反应。而在小的区域中的地球磁场是均匀的，但人的心、脑磁场却是随距离心、脑远近的不同而不同的非均匀磁场，故可以用高灵敏度的超导量子干涉仪式磁场梯度计而不需用磁屏蔽室便可以测量人的心、脑磁场。可以看出，心、脑磁场的测量要比心、脑电场的测量复杂和困难得多，因而在应用上受到许多限制。目前国外和我国虽然都研制出超导量子干涉式磁强计，大的磁屏蔽室和超导量子干涉式磁场梯度计，但都还没有实际和大量应用到心、脑磁场和心、脑磁图的测量上。但是，从另一方面看，同心、脑电图相比较，心、脑磁图在医学应用上却有许多特点和优点。例如，心电图只能测量交变的电流信号，不能测量直流(恒定)的电流信号，因而不能应用于只产生直流异常电信号的生理病理探测，而心、脑磁图却能同时测量交变和直流(恒定)的磁场信号。又例如，心、脑电图的测量都需要使用同人体接触的电极片，而电极片的干湿程度及同人体接触的松紧程度都会影响测量的结果，同时因使用电极片，不能离开人体，故只能是2维空间的测量，但是心、脑磁图却是使用可不同人体接触的测量线圈(磁探头)，既没有接触的影响，又可以离开人体进行3维空间的测量，可得到比2维空间测量更多的信息。再例如，实验研究结果表明，心、脑磁图比心、脑电图具有更高的分辨率。还有除了心、脑磁图外，到目前已经测量研究了人体的眼磁图、肌(肉)磁图、肺磁图和腹磁图等，取得了人体多方面的磁信息。二、地磁场：地球是一个巨大的天然磁体，它的磁场与条形磁体的磁场一样。地球磁体的北极（N极）位于地理南极附近，地球磁体的南极（S极）位于位在地理北极附近，但地磁两极与地理两极并不重合。为什小磁针能指南北呢？学科网根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可分为五类：顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质，亚磁性物质，反磁性物质。三、磁性材料：实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。像铁那样磁化后磁性很强的物质叫做铁磁性物质。所谓的磁性材料通常就是指这一类物质。硬磁性材料（永磁体）指磁化后能长久保持磁性的材料，即在外磁场撤去以后，各磁畴的方向仍能很好地保持一致，物体具有很强的剩磁常见的有高碳钢，铝镍钴合金，钛钴合金，钡铁氧体等。应用于磁记录，如录音磁带，录象磁带，电脑磁盘粉、银行卡等。软磁性材料指磁化后，不能保持原有的磁性，即外磁场撤去以后，磁畴的磁化方向又变得杂乱，物体没有明显的剩磁。如软铁，硅钢，铁镍合金等。用来制造变压器，电磁铁、磁棒、磁头、电动机、发动机等。磁性材料按去磁的难易可分为硬磁性材料和软磁性材料；磁性材料按化学成分可分为金属磁性材料和铁氧体。电磁继电器的铁芯和开关的动触头应该用什么材料制成？