Лекция 9 Магнитные свойства биообъектов Электромагнитные волны в

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Лекция 9 Магнитные свойства биообъектов. Электромагнитные волны в биологических средах. Лектор: к. т. н. , Якимов А. Н. Кафедра медицинской и биологической физики, медицинской информатики, биостатистики ГУ «Луганский государственный медицинский университет» 1

МАГНЕТИЗМ Магнитные эффекты от естественных магнитов были известны в течение долгого времени. Зарегистрированы наблюдения греков больше чем 2500 лет назад. Слово "магнетизм" происходит от греческого слова для определенного типа камня (естественный магнит), содержащего окись железа, найденную в Магнезии, районе северной Греции. Свойства естественных магнитов: действуют на подобные камни и могут передать это свойство (намагничивать) кускам железа, которых касаются. Маленький осколок естественного магнита, подвешенный на нить, будет всегда устанавливаться в направлении север-юг — это обнаруживает магнитное поле земли. 2

Полосовой магнит. . . 2 полюса: N (северный) и S (южный) Подобные полюса отталкиваются; Противоположные притягиваются. Линии Магнитного поля: (направление и плотность определены тем же самым способом как и линии электрического поля) S Полосовой магнит S N Дугообразный магнит Что в электростатике выглядит подобным образом? 3

Линии электрического поля электрического диполя Линии магнитного поля магнита 4

МАГНИТНЫЕ МОНОПОЛИ Возможно, существуют магнитные заряды, так же, как и электрические. Такое образование назвали бы магнитным монополем (имеющим “+” или “-” заряд). Однако если разрезать магнит пополам, вы не получите отдельно южный и отдельно северный полюс — вы получите два магнита S N S N И у каждого окажется два полюса, ориентированные так же, как и у исходного. И, сколько бы вы ни повторяли процесс такого деления магнитов, будете получать больше магнитных диполей. Даже электрон имеет магнитный “диполь”! Однополярного магнита — положительного или отрицательного магнитного заряда, или монополя, не получите. Иными словами, в природе магнитных монополей не существует. 5

ОБ ИСТОЧНИКЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Каков источник магнитных полей, если не магнитный заряд? Ответ: электрический заряд в движении! Например, ток в проводе, окружающем цилиндр (соленоид), создает поле подобное полю стержневого магнита. Поэтому, понимание источника поля, произведенного полосовым магнитом, находится в понимании тока на атомном уровне. Орбиты движения электронов Внутреннее “вращение” электронов (более важный эффект) 6

АНАЛОГИЯ МЕЖДУ МАГНИТНЫМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ Электрическое поле: Распределение заряда создает электрическое поле E(r) в окружающем пространстве. Поле воздействует с силой F = q · E(r) на заряд q на расстоянии r Магнитное поле: Перемещение заряда или ток создает магнитное поле B(r) в окружающем пространстве. Поле воздействует с силой F на заряд q движущийся на расстоянии r 7

СИЛА МАГНИТНОГО ПОЛЯ Определим магнитное поле, B, в данной точке пространства с точки зрения магнитной силы, действующей на движущийся в этой точке заряд. Исследования показали, что магнитная сила пропорциональна: n n полю заряду скорости частицы синусу угла между индукцией и направлением движения частицы F Величина и направление магнитной силы (Силы Лоренца) действущей на движущийся заряд B +q Θ v 8

Магнитная индукция Единицы измерения величин: [F] = [Н] [v] = [м/с] [q] = кулон [Кл] [B] = тесла (Тл). 2 n или вебер (Вб) на м. 2 n 1 Tл = 1 Вб/м. -1 -1 n 1 Tл = 1 Н с м Кл. -1 -1 n 1 Tл = 1 Н A м. 9

Правило правой руки Помогает запомнить пространственные отношения между F, v, и B. Рассмотрим движение положительного заряда Направление силы противоположно, если заряд отрицательный. 10

МАГНИТНАЯ СИЛА ДЕЙСТВУЮЩАЯ НА ПРОВОДНИК С ТОКОМ. СИЛА АМПЕРА Магнитная сила проявляется при движении единичного заряда через магнитное поле. Значит, сила должна также проявиться при движении множества зарядов в проводнике, т. е. токе. Сила, действующая на ток - сумма всех элементарных сил, действующих на все движущиеся носители зарядов. 11

СИЛА, ДЕЙСТВУЮЩАЯ НА ПРОВОДНИК С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ x x x x x vd q A x x x x x x x Магнитная индукция поля и ток расположены под прямым 12 углом друг относительно друга.

СИЛА, ДЕЙСТВУЮЩАЯ НА ПРОВОДНИК С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ Общий случай: индукция под углом q относительно тока. B B sin q q I 13

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, СОЗДАВАЕМОЕ ЗАРЯДАМИ Постоянный ток в проводнике создает магнитное поле вокруг него. Поле формирует концентрические линии вокруг провода Направление поля, соответствует правилу правой руки. Если провод зажат в правой руке с большим пальцем в направлении тока, то пальцы будут I сгибаться в направлении области. Величина области 14

Магнитная индукция поля I r B mo - магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума) (Гн/м) 15

Закон Ампера Рассмотрев путь по окружности, вокруг проводника с током, разделенный на сегменты Dl, Ампер показал, что сумма произведений индуктивности на длины сегментов равна произведению тока на магнитную постоянную mo. Андре-Мари Ампер I r Dl B 16

ЗАКОН БИО—САВАРА Закон Био—Савара связывает магнитные поля с токами, которые являются их источниками. Подобным образом закон Кулона связывает электрические поля с точечными зарядами, которые являются их источниками. Нахождение магнитного поля, следующего из текущего распределения, включает векторное произведение и является проблемой при вычислении, т. к. расстояние от тока до точки в поле непрерывно изменяется. 17

ЗАКОН БИО—САВАРА-ЛАПЛАСА Рассмотрим магнитное поле, коротко изложенное для прямого провода, чтобы видеть геометрию магнитного поля тока. Каждый бесконечно малый элемент вносит вклад в магнитное поле в точке P, перпендикулярное к текущему элементу и радиус-вектору от текущего элемента до точки P. 18

ЗАКОН БИО—САВАРА-ЛАПЛАСА 1. Индуктивность магнитного поля в центре кольцевого проводника тока (R – радиус) 2. Индуктивность магнитного поля вокруг бесконечного прямолинейного проводника (R – расстояние от оси) 3. Индуктивность магнитного поля на оси соленоида (катушка, намотанная на цилиндрический каркас) (n -число витков на единицу длины соленоида) 19

СРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЯ: электрическое магнитное Источник заряды движущиеся заряды Действие заряды движущиеся заряды Сила F = E·q F = q·v·B·sin(q) Направление параллельно E перпендикулярно u, B Линии поля Противопол. Заряды притяг. Токи отталкиваются 20

НАВЕДЕННАЯ ЭДС И ИНДУКЦИЯ Движущиеся электрические заряды (то есть электрический ток) могут порождать магнитное поле (эксперименты Эрстеда) Справедливо ли обратное: могут ли магнитные поля создавать электрический ток? 21

НАВЕДЕННАЯ ЭДС И МАГНИТНЫЙ ПОТОК Точно так же, как в случае электрического тока, рассмотрим ситуацию, где магнитное поле Определение магнитного потока однородно по величине и направлению. Поместим контур в B-область. Магнитным потоком Ф называется произведение площади контура на напряженность (число силовых линий) магнитного поля, проходящего через эту площадь перпендикулярно ей. где компонент B перпендикулярный контуру, q - угол между B и нормалью к контуру. Единицы: Тл·м 2 или вебер (Вб) 22

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ Во всех экспериментах наведенная ЭДС вызвана изменением в числе силовых линий через контур. Другими словами, мгновенная ЭДС, наведенная в схеме, равняется уровню изменения магнитного потока через схему. Закон Фарадея: Число витков важно Закон Ленца: полярность наведенной ЭДС такова, что она создает ток, магнитное поле которого выступает против изменений магнитного потока через контур. Таким образом, наведенный ток поддерживает исходный поток через схему. 23

САМОИНДУКЦИЯ Когда электрический ток протекает в контуре, у магнитного поля, созданного током, есть магнитный поток через область контура. Если ток изменяется, изменения магнитного поля, и таким образом, изменения потока, наводят ЭДС. Это явление называют самоиндукцией, потому что ток контура, собственный, а не внешний, наводит ЭДС. По закону Фарадея: Магнитный поток пропорционален индукции, которая, в свою очередь, пропорциональна току в контуре 24

САМОИНДУКЦИЯ Таким образом самовызванная ЭДС должна быть пропорциональна скорости изменения тока где L называют индуктивностью прибора, измеряется в генри (Гн) Гн=В∙с/А Если поток в начальный момент времени равен нулю, 25

ЭНЕРГИЯ, ХРАНЯЩАЯСЯ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ Батарея в любой схеме, которая содержит катушку, должна выполнять работу, чтобы произвести ток Подобно конденсатору, любая катушка (или катушка индуктивности) запасает потенциальную энергию СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ РЕЗИСТОР КОНДЕНСАТОР ИНДУКТИВНОСТЬ Единицы Ом, Ом = В / A фарад, Ф = Кл / В генри, Гн = В с / A Обозначени е R C L Соотношени U = I R е Q = C U E = -L (DI / Dt) Рассеиваем ая мощность 0 0 P = I U = I² R = U² / R 26

КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ПО ЗНАЧЕНИЮ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ • Материалы могут быть классифицированы по реакции на действующее магнитное поле, Bapp. Парамагнетики (азот, воздух, кислород, эбонит, алюминий, вольфрам, платина, жидкий кислород) • Атомные магнитные диполи (полосовые магниты) имеют тенденцию выстраиваться в линию с полем, увеличивая его. Но тепловое движение рандомизирует их направления, поэтому только небольшой эффект сохраняется: Bind ~ Bapp • 10 -5 Диамагнетики (водород, бензол, вода, медь, стекло, каменная соль, кварц) • Вещества, магнитные моменты атомов (молекул) которых в отсутствие магнитного поля равны нулю. При внесении их в магнитное поле в атомах возникает прецессия орбит электронов, и атомы приобретают наведенный магнитный момент, направленный против поля. Поэтому магнитное поле в диамагнетике меньше внешнего поля; Bind ~ -Bapp • 10 -5 [ 27 Сверхпроводники исключают все магнитные поля (эффект

ФЕРРОМАГНЕТИКИ Ферромагнетики (железо, кобальт, никель, их сплавы и соединения, сплавы и соединения хрома и марганца с неферромагнитными элементами , редкоземельные металлы). • Диполи выстраиваются в линию с действующим полем. Но из-за сильных взаимодействий между соседними диполями, они стремятся выстраиваться в одном направлении. • Внутреннее магнитное поле может в тысячи раз превосходить вызывающее его внешнее поле Bind ~ Bapp • 105 • В отсутствие внешнего магнитного поля магнитным моментом обладают целые области (домены). Но магнитные моменты областей разориентированы. При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты доменов начинают ориентироваться по направлению магнитного поля 28

ФЕРРОМАГНЕТИКИ • • • “Мягкие” ферромагнетики • Домены переориентируются после прекращения действия поля “Жесткие” ферромагнетики Домены сохраняют направление после прекращения действия поля Постоянные магниты • Домены могут быть переориентированы путем нового воздействия поля • Домены могут быть “перемешаны” путем резкого удара • Если температура поднимется выше “Точки Кюри” (для железа 770˚), могут быть “перемешаны” парамагнетик 29

ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ Изначально считалось, что электричество и магнетизм не связаны В 1865, Джеймс Клерк Максвелл выдвинул математическую теорию показавшую тесную взаимосвязь между явлениями электричества и магнетизма 30

ОТПРАВНЫЕ ТОЧКИ МАКСВЕЛЛА Линии электрического поля начинаются в положительных зарядах и заканчиваются в отрицательных зарядах Линии магнитного поля всегда формируют замкнутые контуры – они не начинаются и не заканчиваются где -либо Переменное магнитное поле вызывает ЭДС и, следовательно, электрическое поле (Закон Фарадея) Магнитные поля образуются движением зарядов или током (Закон Ампера) 31

ПРЕДСКАЗАНИЯ МАКСВЕЛЛА Линии электрического поля начинаются в положительных зарядах и заканчиваются в отрицательных зарядах Электрическое поле создается зарядами Линии магнитного поля всегда формируют замкнутые контуры – они не начинаются и не заканчиваются где-либо Магнитное поле создается токами (движущимися зарядами) Переменное магнитное поле вызывает ЭДС и, следовательно, электрическое поле (Закон Фарадея) Электрическое поле создается также переменным магнитным Вопрос: существует ли симметрия между электрическим и магнитным полем, т. е. может ли магнитное поле создаваться переменным электрическим? ? ? Максвелл: ДА!!! Магнитное поле создается переменным электрическим. 32

ПРЕДСКАЗАНИЯ МАКСВЕЛЛА Если магнитное поле может создать электрическое поле и наоборот, будет наблюдаться очень интересное явление n n n Переменное электрическое поле создает магнитное поле … …, которое в свою очередь создает изменяющееся электрическое (но: закон сохранения энергии) …, которое в свою очередь создает изменяющееся магнитное поле … Максвелл пришел к заключению, что видимый свет и все другие электромагнитные волны состоят из колеблющихся электрических и магнитных полей, а каждое переменное поле вызывает другое Максвелл вычислил скорость света 3 x 108 м/с 33

ПРЕДСКАЗАНИЯ МАКСВЕЛЛА Постоянные заряды создают только электрические поля Заряды при равномерном движении (постоянная скорость) создают электрические и магнитные поля Заряды, которые ускорены, создают электрические и магнитные поля и электромагнитные волны Эти поля находятся в фазе n В любой точке оба поля достигают своего максимального значения одновременно 34

УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА Уравнения Максвелла представляют один из самых изящных и кратких способов представления основных принципов электричества и магнетизма. Из них можно вывести большинство рабочих соотношений в данной области. Из-за их краткой записи они воплощают высокий уровень математической изощренности и поэтому обычно не представляются во вводной части предмета, кроме как итоговые соотношения. Эти основные уравнения электричества и магнетизма можно использовать в качестве отправной точки для продвинутых курсов, но обычно рассматриваются как обобщающие уравнения после изучения электрических и магнитных явлений. 35

УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА Закон Гаусса для электричества (электрические заряды - источники электрических полей), Закон Гаусса для магнетизма (магнитные линии - замкнуты), Закон Фарадея для индукции Закон Ампера — Максвелла (обобщенная теорема Ампера о циркуляции) 36

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Электромагнитные волны могут создаваться антенной (проводником связанным с источником переменного тока). Источником переменного тока генерирует колебания положительных и отрицательных зарядов, которые создают электрическое поле (из-за разделения зарядов) и магнитное поле (из-за тока в проводе). Обратите внимание на то, что электрические и магнитные поля перпендикулярны другу. Это поле начинает удаляться от антенны, и вскоре источник тока заставил ситуацию полностью измениться. 37

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ электрические и магнитные поля перпендикулярны другу Оба поля перпендикулярны направлению распространения n следовательно, электромагнитные волны поперечные 38

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ 39

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Пусть заряд, совершает колебательное движение в некоторой точке с координатой x 0 = 0 Тогда вызванные изменения электрического поля подчиняются гармоническому закону Колебания электрического поля в точке с координатой x описываются формулой Колебания магнитного поля в точке с координатой x подчиняются закону 40

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Электромагнитные волны - поперечные волны Электромагнитные волны распространяются со скоростью света Поскольку электромагнитные волны распространяются со скоростью, которая является в точности скоростью света, свет - электромагнитная волна В веществе скорость света уменьшается 41

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Отношение электрического поля к магнитному равно скорости света Электромагнитные волны несут энергию, когда проходят через пространство, и эта энергия может быть передана объектам на их пути. Поток электромагнитной энергии через единичную площадку, перпендикулярную направлению потока (плотность потока энергии или интенсивность э/м волны), описывается вектором который называют вектором Пойнтинга 42

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Энергия, которую переносят электромагнитные волны, разделяется поровну между электрическими и магнитными полями Средняя мощность через единицу площади 43

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Электромагнитные волны помимо энергию также транспортируют линейный импульс, n n Для случая полного поглощения энергии U, p = U/c Для случая полного отражения энергии U, p = (2 U)/c Давления излучений могут быть определены экспериментально 44

Диапазоны электромагнитного излучения Название диапазона Длины волн, λ Частоты, ν Источники Сверхдлинные 100 — 10 км 3 — 30 к. Гц Длинные 10 км — 1 км 30 к. Гц — 300 к. Гц 1 км — 100 м 300 к. Гц — 3 МГц 100 м — 10 м 3 МГц — 30 МГц 10 м — 2 мм 30 МГц — 1, 5× 1011 Гц 760 нм — 2 мм 1, 5× 1011 Гц — 6 ТГц (11 октав) 400 — 760 нм (1 октава) 10 — 400 нм < 3× 1016 Гц (5 октав) 10 — 5× 10− 3 нм Атомные процессы при 3× 1016 — 6× 1019 воздействии ускоренных Гц заряженных частиц. Радио Средние волны Короткие Ультракороткие Инфракрасное Оптич излучение еское Видимое излучение Ультрафиолето вое Жёстк Рентгеновские ие лучи Гамма < 5× 10− 3 нм > 6× 1019 Гц Атмосферные явления. Переменные токи в проводниках и электронных потоках (колебательные контуры). Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов. Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад. 46

Применение электромагнитного излучения в медицине Электромагнитные волны различных длин широко используются в медицинской практике в диагностических и терапевтических целях Диагностические методы: n n n Тепловизионная диагностика Люминесцентная диагностика Рентгеновская диагностика Терапевтические методы: n n УВЧ терапия СВЧ терапия Лазерная терапия Биорезонансная или квантовая терапия Очаговая гипотермия межлопаточной области - характерный признак туберкулеза легких 47

Скачать презентацию Лекция 9 Магнитные свойства биообъектов Электромагнитные волны в

Лекция 9 - Магнитные свойства биообъектов.ppt

Количество слайдов: 47