ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Биофизики, информатики и медицинской аппаратуры

Методическая разработка

практического занятия

по теме: «Магнитное поле. Физические основы магнитобиологии».

Утверждено

на методическом совещании кафедры

«___» _________________ 2009 г.

Протокол № _________

Зав.кафедрой,

д.м.н., профессор __________ Годлевский Л.С.

ОДЕССА - 2009

1. Тема: "Магнитное поле. Основы магнитобиологии».

Магнитное поле - особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, которое создается переменным во времени электрическим полем, подвижными электрическими зарядами или спином заряженных частиц. Магнитное поле вызывает силовое действие на движущиеся электрические заряды. Неподвижные электрические заряды с магнитным полем не взаимодействуют, но элементарные частицы с ненулевым спином, которые имеют собственный магнитный момент, является источником магнитного поля и магнитное поле вызывает их силовое действие, даже если они находятся в состоянии покоя.

Магнитное поле образуется, например, в пространстве вокруг проводника, по которому течет ток или вокруг постоянного магнита.

Магнитное поле является векторным полем, т.е. с каждой точкой пространства связан вектор магнитной индукции В характеризующий величину и направление магнитом поля в этой точке и может меняться с течением времени. Наряду с вектором электромагнитной индукции В, магнитное поле также описывается вектором напряженности Н.

В вакууме эти векторы пропорциональны между собой: В = кН, где k - константа, зависящая от выбора системы единиц. В системе СИ, k = μ₀ - так называемой магнитной проницаемости вакуума. Некоторые системы единиц, например СГСЭ, построены так, чтобы векторы индукции и напряженности магнитного поля тождественно равны друг другу:.

Однако в среде эти векторы различны: вектор напряженности описывает лишь магнитное поле создано подвижными зарядами (токами) игнорируя поле создано средой, тогда как вектор индукции учитывает еще и влияние среды:

где М - вектор намагниченности среды.

Образования магнитного поля

В отличие от электрических зарядов, магнитных зарядов, которые создавали бы магнитное поле аналогичным образом, не наблюдается. Теоретически такие заряды, которые получили название магнитных монополей, могли бы существовать. В таком случае электрическое и магнитное поле были бы полностью симметричными.

Таким образом, наименьшей единицей, которая может создавать магнитное поле, является магнитный диполь. Магнитный диполь отличается тем, что у него всегда есть два полюса, в которых начинаются и кончаются силовые линии поля. Микроскопические магнитные диполи связаны со спином элементарных частиц. Магнитный диполь имеют как заряженные элементарные частицы, например электроны, так и нейтральные, например, нейтроны. Элементарные частицы с отличным от нуля спином можно представить себе как маленькие магнитики. Обычно частицы с противоположными значениями спинов спариваются, что приводит к компенсации созданных ими магнитных полей, но в отдельных случаях возможно выравнивание спинов многих частиц в одном направлении, что приводит к образованию постоянных магнитов.

Магнитное поле также создается движущимися электрическими зарядами, то есть электрическим током.

Создание электрическим зарядом поле зависит от системы отсчета. Относительно наблюдателя, движущегося с одинаковой с зарядом скоростью, заряд неподвижен, и такой наблюдатель будет фиксировать только созданное им электрическое поле. Другой наблюдатель, движущийся с иной скоростью, фиксировать как электрическое, так и магнитное поле. Таким образом, электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, и являются составными частями общего электромагнитного поля.

При протекании электрического тока через проводник он остается электрически нейтральным, однако носители заряда в нем движутся, поэтому вокруг проводника возникает только магнитное поле. Величина этого поля определяется законом Био-Савара, а направление можно определить с помощью правила Ампера или правила правой руки. Такое поле вихревым, т.е. его силовые линии замкнуты.

Магнитное поле создается также переменным электрическим полем. По закону электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, что также является вихревым. Взаимное создание электрического и магнитного поля переменными магнитным и электрическим полем приводит к возможности распространения в пространстве электромагнитных волн.

Действие магнитного поля

Действие магнитного поля на движущиеся заряды определяется силой Лоренца.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле называется силой Ампера. Силы взаимодействия проводников с током определяются законом Ампера.

Нейтральные вещества без электрического тока могут втягиваться в магнитное поле (Парамагнетики) или виштовхуватися из него (диамагнетика. Выталкивания диамагнетиков из магнитного поля можно использовать для левитации.

Ферромагнетики намагничиваются в магнитом поле и сохраняют магнитный момент при снятии приложенного поля.

Энергия магнитного поля

Энергия магнитного поля в пространстве задается формулой

.

Соответственно, плотность энергии магнитного поля равна

.

Единицы

Магнитная индукция B измеряется в Тесла в системе СИ, и в Гаусса электрической индукции Напряженность магнитного поля H измеряется в А / м в системе CИ

Измерение

Магнитное поле измеряется магнитометром. Механические магнитометры определяют величину поля по отклонению катушки с током. Слабые магнитные поля измеряются магнитометры на основе эффекта Джозефсона. Магнитное поле можно также измерять на основе эффекта ядерного магнитного резонанса, эффекта Холла и другими методами.

Создание

Магнитное поле широко используется в технике и для научных целей. Для его создания используются постоянные магниты и электромагниты. Однородное магнитное поле можно получить с помощью катушек Гельмгольца. Для создания мощных магнитных полей, необходимых для работы ускорителей или для удержания плазмы в установках с ядерного синтеза, используются электромагниты на сверхпроводниках.

Литература.

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. "Высшая школа", 1999.

2. Эсаулова И.О. Блохина М.Ю., Гонцов Л.Д. Пособие для лабораторных работ по медицинской и биологической физике. М., 1987

3. Ливенцев Н.Н. Курс физики, т.1, М., 1978

---