生物磁学

顺磁质
铂 锑 铜 水 氢 铸钢 硅钢
抗磁质
铁磁质
纯铁 坡莫合金
四、 铁磁质
1、铁磁质的磁化规律 、 装置：环形螺绕环 铁磁质Fe,Co,Ni及 装置：环形螺绕环; 铁磁质 及 稀钍族元素的化合物， 稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化 原理:励磁电流 原理 励磁电流 I; 用安培定理得H 用安培定理得
生物磁学学会的建立：为了推广磁疗的工作，1979年 在徐州召开了全国磁疗会议，1980年在长沙召开了全 国磁疗专题会议，1985年在郑州召开了第一届全国生 物磁学会议，1987年在吉林召开了第二届全国生物磁 学会议，1989年在北京召开了第三届全国生物磁学会 议，1991年在上海召开了第四届全国生物磁学会议， 等。历届全国性磁学会议的召开，通过学术交流，促 进了磁疗和生物磁学的发展。
Br
B
BS Hc H
在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的 磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比 与磁滞回线所包围的面积成正比。 磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。
铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下， 铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状 会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做 会随之变化，称为磁致伸缩（ 数量级） 磁致伸缩 换能器，在超声及检测技术中大有作为。 换能器，在超声及检测技术中大有作为。

第二节 生物物质的磁性和生物磁场 从生物大分子、细胞、组织、器官、系统以及整 体，每一层次都表现出不同的磁性，有些生物材料本 身所特有，有些是生命活动中产生的电磁感应，有些 是由外源性的磁性物质所引起的。 一、生物磁性的来源 1、生命材料中含有顺磁性物质 过渡元素（Fe、V、Mn、Co、Mo）的生物材料 （1）Fe、血红蛋白、肌蛋白和铁蛋白；（2）含Co 的维生素B12；（3）含Cu血蓝蛋白和肝红蛋白。
多晶磁畴结构 示意图
显示磁畴结构的铁粉图形
三种铁磁性物质的磁畴
纯铁
硅铁
钴
Si-Fe单晶 单晶 (001)面的 ) 磁畴结构 箭头表示 磁化方向
用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、 用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁 滞现象、磁滞损耗以及居里点。 滞现象、磁滞损耗以及居里点。 临界温度(铁磁质的居里点) 临界温度 铁磁质的居里点 铁磁质的居里点 每种磁介质当温度升高到一定程度时， 每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁 导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失， 导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失， 而变为顺磁性。 而变为顺磁性。 不同铁磁质具有不同的转变温度 如：铁为 1040K，钴为 1390K， 镍为 630K ， ，
铁磁质的特性 1. 磁导率 不是一个常量，它的值不仅决定于原线 磁导率µ不是一个常量， 不是一个常量 圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。 圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。 B 和H 不是线性关系。 不是线性关系。 2. 有很大的磁导率。 有很大的磁导率。 放入线圈中时可以使磁场增强10 放入线圈中时可以使磁场增强 2 ~ 104倍。 3. 有剩磁、磁饱和及磁滞现象。 有剩磁、磁饱和及磁滞现象。 4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。 温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。 温度超过居里点时
相对磁导率、 三、相对磁导率、磁导率 1、相对磁导率 µ r 、
B µr = B0
2、磁导率λ 磁导率λ 磁导率
µ = µ0 µr
真空中 µ r=1 顺磁质 µ r >1 铁磁质 µ r>>1 抗磁质 µ r<1
一些物质的相对磁导率µr
物质 铝 氧（标准状态） 空气（标准状态）
µr
1+0.21×10-4 1+17.9 × 10-7 1+3.6 × 10-7 1+2.9 × 10-4 1-7.0 × 10-5 1-0.94 × 10-5 1-0.88 × 10-5 1-0.21 × 10-6 500~2200 7000（最大值） 1800（最大值） 100000（最大值）
v 分子的固有磁矩不为零 pm ≠ 0
分 子 磁 矩 无外磁场作用时， 无外磁场作用时，由 于分子的热运动， 于分子的热运动，分 子磁矩取向各不相同, 子磁矩取向各不相同 整个介质不显磁性。 整个介质不显磁性。
v ∑ pm = 0
有外磁场时，分子磁矩要 有外磁场时， 受到一个力矩的作用， 受到一个力矩的作用，使分子 磁矩转向外磁场的方向。 磁矩转向外磁场的方向。
（1）顺磁质 B > B0 （3）铁磁质 ） ） （2）抗磁质 B < B0 （4）超导体 ） ）
B >> B0
B=0
二.顺磁质与抗磁质的磁化 顺磁质与抗磁质的磁化 电子绕核的轨道运动 轨道磁矩 ——电子绕核的轨道运动 分子磁矩 电子本身自旋 自旋磁矩 ——电子本身自旋 等效于圆电流——分子电流 分子电流 等效于圆电流 顺磁质及其磁化
近代磁学发展史：60年代，历史背景：工农业，医药 业，新兴科学技术， 磁场对生物体和人体的作用。 （1）防护有害作用，利用有益作用， （2）物理学，磁学及技术的发展，测量微弱生物磁信 号；超导量子干涉仪，磁探测仪器，核磁共振，顺磁 共振，穆斯堡尔效应等； （3）生物学和医学的发展，分子生物学，生物物理学， 生物化学，分子药理学和分子免疫学，生物人体结构 和功能，分子水平。生物磁学由简单到复杂，由现象 到本质，由宏观到微观逐步发展。
铁磁质的应用
− Hc Hc
(1)作变压器的软磁材料。 作变压器的软磁材料。 作变压器的软磁材料 纯铁，硅钢坡莫合金(Fe 纯铁，硅钢坡莫合金 ，Ni)，铁氧体等。 ，铁氧体等。
µr大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁 易磁化、易退磁（起始磁化率大）。 ）。饱和磁
感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而 感应强度大，矫顽力 小 损耗小（ 面积小）。 长，损耗小（HdB面积小）。 面积小 还用于继电器、电机、 还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件 的磁芯、磁棒。 的磁芯、磁棒。
生物磁学
研究内容：生物物质的磁性和生物及人体的磁场； 外磁场作为一种物理因素，与生物及人体 相互作用 产生的生物效应。 生物磁学发展史：史记 “齐王侍医遂病，自炼五石服 之”； 李时珍在《本草纲目》中记述：“慈石取铁，如 慈母之招子”，故名磁石，详细记载了磁石形状，制 备方法和药物作用； 公元1世纪，希腊医生曾经将磁石作为泻药，公元 18世纪在巴黎建立了磁学会，19世纪，Bertrand《法国 动物磁学》。
I
I
NI H= 2πR 实验测量B,如用感应电动势 如用感应电动势测量 实验测量 如用感应电动势测量 或用小线圈在缝口处测量； 或用小线圈在缝口处测量；
B 由 µr = 得出 µr ~ H曲线 µo H
R
B, µr
不一定是个常数， 铁磁质的 µr不一定是个常数， v 它是 H 的函数
B~ H µr ~ H
1、铁磁屏蔽 对直流磁场的屏蔽相当困难，采用高磁导率的 磁性材料制成屏蔽体 影响屏蔽效率因素： （1）铁磁材料的磁导率，越高越好； （2）屏蔽体厚度，越厚越好； （3）容积，越小越好； （4）层数，越多越好。 麻省理工学院，26层磁屏蔽室，成本相当昂贵 2、空间鉴别技术 即一次微商梯度仪或二次，相互抵销（磁源，地磁， 干扰磁）
(2)作永久磁铁的硬磁材料 作永久磁铁的硬磁材料 作永久磁铁的 钨钢，碳钢， 钨钢，碳钢，铝镍钴合金 矫顽力(Hc)大（>102A/m)，剩磁 r大 矫顽力 大 ，剩磁B 磁滞回线的面积大，损耗大。 磁滞回线的面积大，损耗大。 还用于磁电式电表中的永磁铁。 还用于磁电式电表中的永磁铁。 耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。 耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。 (3)作存储元件的矩磁材料 作存储元件的矩磁材料 作存储元件的 锰镁铁氧体， 锰镁铁氧体，锂锰铁氧体 Br=BS ，Hc不大，磁滞回线是矩形。 不大，磁滞回线是矩形。 记忆元件， 脉冲产生H>HC使磁芯呈 态， 磁芯呈+B态 用于记忆元件 脉冲产生 用于记忆元件，当+脉冲产生 脉冲产生H< – HC使磁芯呈 B态，可做为二进制 磁芯呈– 态 则–脉冲产生 脉冲产生 的两个态。 的两个态。
三、磁场的生物效应
四、磁场在医学中的应用（磁疗）
第一节
一、 磁介质的分类
物质的磁性
磁介质——能与磁场产生相互作用的物质 能与磁场产生相互作用的物质 磁介质 磁化——磁介质在磁场作用下所发生的变化 磁介质在磁场作用下所发生的变化 磁化
r r r B = Bo + B′
附加磁场
v 根据 B′ 的大小和方向可将磁介质分为四大类
二、微弱磁场检测方法技术 地球磁场的强度约为0.5G，城市中的各种磁噪声也十 分严重，可达0.005G，在这样强的磁噪声中要测量十分微 弱的生物磁信号，必须有高度灵敏的磁强计和良好的磁屏 蔽室，以防止周围环境的噪声干扰。由于这些条件的限制。 使得对生物磁信号的研究进展行很缓慢。直到60年代后期， 随着测量技术的不断的发展，陆续研制出了一系列的测量 手段，如感应线圈式磁强计，磁通门式磁强计，超导量子 干涉仪（SQUID）磁强计，空间鉴别技术，交流屏蔽和空 间鉴别技术发展。
2、生命活动产生的生物电 电活动，新陈代谢，能量与物质交换，信息传递， 电子离子转运，大脑调控，肌肉运动，心脏运动，动作 电位，生物电导致了磁场。 3、侵入人体的外源性铁磁物质产生剩磁场 四氧化三铁 4、其他 生化反应过程形成的自由基，产生了顺磁性物质， 电子自旋 生物磁场都很弱 肺部吸入粉尘 胃肠 磁化
二、磁 畴 根据现代理论， 根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存 在很强的“交换耦合作用” 在很强的“交换耦合作用”，使得在无外磁场作用 电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列， 时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列， 形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。 形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。 这些区域称为“磁畴” 这些区域称为“磁畴”
当前生物磁学的研究和应用主要有以下主要方面： 1.生物材料的磁性(分子，细胞，组织），微观结构和功 能关系； 2.生物和人体磁场的探测，心磁，脑磁和肺磁等，是医 学诊断的依据。 3.各种磁场的生物效应； 4.生物磁学应用研究，基础应用和临床应用（磁疗）。
一、物质的磁性
二、生物物质的磁性和生物磁场
梯度仪是由两个相隔很近、同样的线圈反向串接而成， 当两线圈所处磁场不均匀时，才有磁通通过，从而引起超 导环内的磁通发生相应的变化；而在均匀磁场时是不灵敏 的，从而可以抵销干扰磁场，测量人体磁场。 3、“涡旋电流”式磁屏蔽与空间鉴别技术 用高磁导率金属材料制成屏蔽体，可使外界交流磁 场在该屏蔽体内产生涡旋电流，设法使该涡旋电流产生 的磁场与外界交流磁干扰相互抵销，一般用铝制成。 4、磁通门式磁强计和超导量子干涉仪（SQUID） 超导量子干涉仪是一个磁电变换器，由磁通量变化 转变成电量的变化，由于灵敏度极高，故可以记录人 体磁场。
H
B
饱和磁感应强度 剩 磁
BS . Br . b
a
初始磁 化曲线
矫顽力
− HS
.
− HC . c O
.f
HC
.
HS
磁滞回线
H
e . − Br
d
− BS
磁滞回线--不可逆过程 磁滞回线 不可逆过程 B的变化落后于 ，从而具有剩磁， 的变化落后于H，从而具有剩磁， 的变化落后于 磁滞效应。每个H对应不同的 对应不同的B − Hc 即磁滞效应。每个 对应不同的 与磁化的历史有关。 与磁化的历史有关。
v pm v v B0 M v v v M = pm × B0
分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致， 分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致， 顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。 顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。
v B′
B > B0
v B0
抗磁质及其磁化
v 分子的固有磁矩为零 ∑ pm = 0
在外磁场中， 在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩 电子绕核的轨道运动 电子本身自旋 外磁场场作用下产生 附加磁矩
v pm
v ∆pm
总与外磁场 方向反向 方向反向
电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。 电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。
B < B0
抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。 抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。