法拉第電磁效應(yīng)

1、2022-4-181一、法拉第電磁感應(yīng)定律一、法拉第電磁感應(yīng)定律 穿過(guò)回路的磁通量變穿過(guò)回路的磁通量變化引起回路中電動(dòng)勢(shì)化引起回路中電動(dòng)勢(shì) N 匝相同的線(xiàn)圈組成回路匝相同的線(xiàn)圈組成回路BB =dtd =dtddtdN7.1 電磁場(chǎng)的基本規(guī)律電磁場(chǎng)的基本規(guī)律正向磁通正向磁通增加增加到向后到向后四指方四指方向?yàn)橄驗(yàn)?的方向的方向2022-4-182二、二、 Maxwell方程組方程組 Maxwell 的新思想的新思想：1、渦旋電場(chǎng)渦旋電場(chǎng) 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)2、位移電流位移電流 變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) 前人的經(jīng)驗(yàn)前人的經(jīng)驗(yàn)：QSdDS 0 LrdE00 SSdB00

2、LIrdB00靜電場(chǎng)靜電場(chǎng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)2022-4-183 SSdD0SdtBrdELS 靜靜電電場(chǎng)場(chǎng)QSdDS 0LrdE00渦渦旋旋電電場(chǎng)場(chǎng)穩(wěn)穩(wěn)恒恒磁磁場(chǎng)場(chǎng) SSdB00LIrdH0渦渦旋旋磁磁場(chǎng)場(chǎng) SSdB0SdtDrdHLS 2022-4-184 Maxwell方程組方程組01SdESdtdl dEmLSSdB0dtdcIl dBmL201tDJHDtBE0 BEDHBEJ 各向同性、靜止的介質(zhì)中物態(tài)各向同性、靜止的介質(zhì)中物態(tài)方程方程2022-4-1851888年赫茲利用振蕩偶極子研究電磁波，得出電磁波的一些性質(zhì)年赫茲利用振蕩偶極子研究電磁波，得出電磁波的一些性質(zhì) 7.2 7.2

3、電磁波電磁波一、電磁波的輻射和傳播一、電磁波的輻射和傳播2022-4-186電磁波的性質(zhì)電磁波的性質(zhì)（實(shí)驗(yàn)得出）（實(shí)驗(yàn)得出）（1）傳播規(guī)律類(lèi)似幾何光線(xiàn)，）傳播規(guī)律類(lèi)似幾何光線(xiàn)， （反射、折射）（反射、折射）（2）有干涉、衍射現(xiàn)象）有干涉、衍射現(xiàn)象（3）橫波）橫波同位相與方向HEHEu,EHu (4) 波速波速 1ucu 001 真空中真空中（5）能穿透絕緣體，但被導(dǎo)體屏蔽）能穿透絕緣體，但被導(dǎo)體屏蔽2022-4-187 的頻率、相位和振幅的關(guān)系的頻率、相位和振幅的關(guān)系HE,沿沿X軸正向傳播的特解：軸正向傳播的特解：)(cos0uxtEEy 與之相應(yīng)的磁場(chǎng)與之相應(yīng)的磁場(chǎng) dtxEHyz1)(co

4、s0uxtuEHz tHxEzy HE, 同相、同頻同相、同頻00HEHExyz2022-4-188能流密度大小：能流密度大?。?6) 能量關(guān)系能量關(guān)系Wu =EH 方向：沿方向：沿 的方向的方向utsuuHES輻射強(qiáng)度（玻印亭矢量）輻射強(qiáng)度（玻印亭矢量）對(duì)于平面波對(duì)于平面波：)(cos200uxtHEEHS平均輻射強(qiáng)度平均輻射強(qiáng)度：0021HESEHu2022-4-189電磁波的傳播電磁波的傳播2022-4-1810電磁波的傳播電磁波的傳播2022-4-1811 電磁波的傳播電磁波的傳播2022-4-1812二、電磁波譜1865年麥克斯韋建立了完整的電磁場(chǎng)理論，并預(yù)言了電磁波的存在及電磁波的

5、波速就是光速。1887年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言，并且證實(shí)了電磁波和光波一樣，具有反射、折射、干涉、偏振等現(xiàn)象。此后，人們先后發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)、 射線(xiàn)等都是電磁波。按照電磁波在真空中的波長(zhǎng)或頻率的順序把各種電磁波排列起來(lái)，被稱(chēng)為電磁波譜。2022-4-1813 一、微波生物效應(yīng)現(xiàn)象微波生物效應(yīng)現(xiàn)象從研究的方法上考慮，則可分為電磁場(chǎng)的致熱生物效應(yīng)和非熱生物效應(yīng)。 1熱效應(yīng)現(xiàn)象熱效應(yīng)現(xiàn)象 所謂熱效應(yīng)，是指電磁波照射到生物體中，使生物體的溫度升高，從而所謂熱效應(yīng)，是指電磁波照射到生物體中，使生物體的溫度升高，從而促進(jìn)細(xì)胞的代謝水平，并由此引起生物體的各種生理和病理變化過(guò)程。促進(jìn)細(xì)胞的代謝水平，并由

6、此引起生物體的各種生理和病理變化過(guò)程。 2非熱效應(yīng)現(xiàn)象非熱效應(yīng)現(xiàn)象 所謂非熱效應(yīng)，是指電磁場(chǎng)通過(guò)熱效應(yīng)以外的方式來(lái)改變生物體生理、所謂非熱效應(yīng)，是指電磁場(chǎng)通過(guò)熱效應(yīng)以外的方式來(lái)改變生物體生理、生化過(guò)程的效應(yīng)。生化過(guò)程的效應(yīng)。或者說(shuō)電磁場(chǎng)除了對(duì)生物組織的加熱作用外，電磁輻射或者說(shuō)電磁場(chǎng)除了對(duì)生物組織的加熱作用外，電磁輻射對(duì)生物體的其他生理影響，這種影響是用別的手段提供熱時(shí)不會(huì)出現(xiàn)的。對(duì)生物體的其他生理影響，這種影響是用別的手段提供熱時(shí)不會(huì)出現(xiàn)的。這種說(shuō)法當(dāng)然是很籠統(tǒng)的，但是到目前為止，還不能給非熱生物效應(yīng)下一這種說(shuō)法當(dāng)然是很籠統(tǒng)的，但是到目前為止，還不能給非熱生物效應(yīng)下一個(gè)確切的定義。個(gè)確切的定

7、義。 7-3 微波的生物效應(yīng)2022-4-1814二、熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的基本特點(diǎn) 電磁波致熱生物效應(yīng)的主要特點(diǎn)是電磁波致熱生物效應(yīng)的主要特點(diǎn)是：在生物體的平衡態(tài)附近，生物系統(tǒng)對(duì)電磁波的應(yīng)答（即響應(yīng)）是屬于線(xiàn)性范圍，這種范圍一直可達(dá)到場(chǎng)強(qiáng)值為105Vm的區(qū)域。生物系統(tǒng)產(chǎn)生的熱正比于場(chǎng)強(qiáng)的平方，并且這種熱效應(yīng)和用其他不同的加熱方式（如紅外線(xiàn)和熱水?。┘訜嵘锵到y(tǒng)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)是相同的。 電磁場(chǎng)的非熱生物效應(yīng)有如下的一些特點(diǎn)電磁場(chǎng)的非熱生物效應(yīng)有如下的一些特點(diǎn)：生物系統(tǒng)對(duì)滿(mǎn)足一定條件的電磁波的應(yīng)答是非線(xiàn)性的。這種應(yīng)答在生物學(xué)上與免疫反應(yīng)相類(lèi)似，在化學(xué)上與自催化學(xué)反應(yīng)相類(lèi)似，在物理學(xué)上與相變過(guò)程相類(lèi)似

8、。這種應(yīng)答方式有時(shí)可用協(xié)同性或相干性來(lái)說(shuō)明。非熱生物效應(yīng)的生物應(yīng)答有頻率特異性，即只對(duì)一定頻率的電磁波有明顯的應(yīng)答，一般將其稱(chēng)為“頻率窗”效應(yīng)。除了“頻率窗”外，還有所謂的“功率窗”或“振幅窗”效應(yīng)。如前所述的新生雞離體前腦組織的鈣離子的“功率窗”效應(yīng)。在應(yīng)答的時(shí)間上和強(qiáng)度上，非熱生物效應(yīng)發(fā)生要快得多，強(qiáng)得多，而且能直接反映出來(lái)。常常有這種情況，引起非熱效應(yīng)的人射功率密度可能是十分微弱的，但在引起非熱效應(yīng)時(shí)，生物系統(tǒng)的應(yīng)答常常是很強(qiáng)烈的。 2022-4-1815 三、非熱生物效應(yīng)的一些機(jī)理問(wèn)題討論 電磁場(chǎng)與生物體的相互作用通常可分為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，歷史上長(zhǎng)時(shí)期主要是研究熱效應(yīng)，所以非熱效應(yīng)的

9、研究相對(duì)來(lái)說(shuō)要少一些，至今非熱生物效應(yīng)的微觀(guān)機(jī)理還不很清楚 。2022-4-18167-4 紅外技術(shù)一、紅外輻射紅外輻射 在電磁波譜中，介于可見(jiàn)光和微波之間，波長(zhǎng)在0.75ml000m范圍內(nèi)的電磁波被稱(chēng)為紅外線(xiàn)。mmmm10001515663;375. 0極遠(yuǎn)紅外：波長(zhǎng)范圍為遠(yuǎn)紅外：波長(zhǎng)范圍為中紅外：波長(zhǎng)范圍為近紅外：波長(zhǎng)范圍為2022-4-1817二、熱輻射規(guī)律二、熱輻射規(guī)律紅外輻射最顯著的特性是熱效應(yīng)，遵從熱輻射的一般規(guī)律。 能夠吸收一切外來(lái)的電磁輻射的物體模型能夠吸收一切外來(lái)的電磁輻射的物體模型，叫做黑體黑體。黑體的吸收本領(lǐng)最大，因而它的輻射本領(lǐng)也最大。一般物體的輻射本領(lǐng)（或吸收本領(lǐng)）除

10、與溫度有關(guān)外，還和材料種類(lèi)、表面狀態(tài)等因素有關(guān)。而黑體的輻射本領(lǐng)卻只與溫度無(wú)關(guān)。 人們由實(shí)驗(yàn)和理論總結(jié)出兩條有關(guān)黑體輻射的規(guī)律。即：1 斯忒藩波爾茲曼定律黑體的單位表面上在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱輻射（包括全部波長(zhǎng)范圍） 總能量（即輔出度）E0和它的熱力學(xué)溫度T的四次方成正比，即 式中=5.6010-8W/m2，稱(chēng)為斯忒藩常量。 它表明溫度越高黑體輻射總能量越大。40TE2維恩位移定律黑體輻射中能量最強(qiáng)的波長(zhǎng)（稱(chēng)為峰值波長(zhǎng)m）與熱力學(xué)溫度T成反比， 即 mT = b 式中常量 b2.89810-3 m.k 。它表明隨著溫度的升高，黑體具有最大輻射能的波長(zhǎng)要向短波方向移動(dòng)。 2022-4-18181.

11、 X 射線(xiàn)的產(chǎn)生射線(xiàn)的產(chǎn)生X 射線(xiàn)射線(xiàn) : 在在10-1102 范圍內(nèi)的電磁波范圍內(nèi)的電磁波-KAX射線(xiàn)射線(xiàn)X X 射線(xiàn)管射線(xiàn)管+K 陰極，陰極，A 陽(yáng)極陽(yáng)極(鉬、鎢、銅等金屬鉬、鎢、銅等金屬)，A K間加幾萬(wàn)伏高壓，以加速陰極發(fā)射的熱電子。間加幾萬(wàn)伏高壓，以加速陰極發(fā)射的熱電子。倫琴倫琴1895年倫琴發(fā)現(xiàn)年倫琴發(fā)現(xiàn)X 射線(xiàn)，射線(xiàn)，1901年獲首屆諾貝爾物理獎(jiǎng)。年獲首屆諾貝爾物理獎(jiǎng)。7-5 X 射線(xiàn)的衍射射線(xiàn)的衍射2022-4-1819X 射線(xiàn)射線(xiàn)準(zhǔn)直縫準(zhǔn)直縫晶體晶體勞厄斑勞厄斑2. 勞厄?qū)嶒?yàn)勞厄?qū)嶒?yàn)勞厄?qū)嶒?yàn)是為了實(shí)現(xiàn)勞厄?qū)嶒?yàn)是為了實(shí)現(xiàn)X X射線(xiàn)的衍射而設(shè)計(jì)的。射線(xiàn)的衍射而設(shè)計(jì)的。晶體相當(dāng)于三

12、維光柵，衍射圖樣（勞厄斑）晶體相當(dāng)于三維光柵，衍射圖樣（勞厄斑）證實(shí)了證實(shí)了X射線(xiàn)的波動(dòng)性。射線(xiàn)的波動(dòng)性。勞厄勞厄2022-4-1820 dd d dsin 12晶面晶面ACB: : 掠射角掠射角d :d : 晶面間距晶面間距( (晶格常數(shù)）晶格常數(shù)）3. 布喇格公式布喇格公式 不同不同晶晶面間散射光的干涉面間散射光的干涉 sin2dCBAC 散射光干涉加強(qiáng)條件：散射光干涉加強(qiáng)條件：), 2 , 1(sin2 kkd 布喇格公式布喇格公式2022-4-18214. 應(yīng)用應(yīng)用 已知已知 、 可測(cè)可測(cè)d X射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)分析射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)分析。 已知已知 、d可測(cè)可測(cè) X射線(xiàn)光譜分析。射線(xiàn)光譜分析。5

13、. 實(shí)際觀(guān)察實(shí)際觀(guān)察X X射線(xiàn)衍射的作法射線(xiàn)衍射的作法a.勞厄法：勞厄法： 勞厄相勞厄相 德拜相德拜相b.粉末法：粉末法：2022-4-1822亞鉑氰化鋇熒光屏亞鉑氰化鋇熒光屏閃光閃光射線(xiàn)射線(xiàn)BE,射線(xiàn)不改變方向射線(xiàn)不改變方向不是帶電粒子流，是電磁波不是帶電粒子流，是電磁波！nm1 . 0 加電、磁場(chǎng)加電、磁場(chǎng)2022-4-1823 勞厄?qū)嶒?yàn)勞厄?qū)嶒?yàn) （1912 年）年）晶片作光柵晶片作光柵nmd1 . 0nm1 . 0 勞厄斑勞厄斑2022-4-1824以波長(zhǎng)為以波長(zhǎng)為1.10 的倫琴射線(xiàn)照射晶面，的倫琴射線(xiàn)照射晶面， 時(shí)獲得時(shí)獲得 第一級(jí)極大反射光，求第一級(jí)極大反射光，求d=? 0A015

14、11例：例：以待測(cè)倫琴射線(xiàn)照射晶面，測(cè)得第一級(jí)極大的反射光相以待測(cè)倫琴射線(xiàn)照射晶面，測(cè)得第一級(jí)極大的反射光相應(yīng)的入射角為應(yīng)的入射角為 ，求波長(zhǎng)。，求波長(zhǎng)。03017解解：0080. 1sin282. 2sin2sin2AdAdmd2022-4-18252022-4-1826X射線(xiàn)晶體學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)到了40年代，水平已經(jīng)發(fā)展到足以對(duì)付生物大分子的結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題了。這里先從晶體結(jié)構(gòu)分析談起。19世紀(jì)后期，有機(jī)化學(xué)已經(jīng)發(fā)展到立體化學(xué)的水平，并為有機(jī)分子提供了確定結(jié)構(gòu)的方法，曾在有機(jī)化學(xué)的發(fā)展上起過(guò)重大作用。但化學(xué)之能全面發(fā)展到今天這樣的水平，飲水思源，當(dāng)歸功于上個(gè)世紀(jì)末W.K.倫琴發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)（1895）

15、和M.F.勞厄發(fā)現(xiàn)了晶體對(duì)X射線(xiàn)的衍射（1912）。1913年W.H.和W.L.布喇格父子測(cè)定了氯化鈉和金剛石等的晶體結(jié)構(gòu)。從此以后，X射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)分析成為測(cè)定晶體和分子結(jié)構(gòu)的主要方法。比起立體化學(xué)或其他任何方法，它具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)方法利用了晶體中原子或分子在空間分布中具有三維周期性，而且周期很短。一般說(shuō)，晶體結(jié)構(gòu)是三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣點(diǎn)所代表的一個(gè)單位，稱(chēng)為單胞。不難推算，晶體例如金剛石中相鄰原子間的距離當(dāng)以1/10nm或 這樣的單位來(lái)計(jì)算。倫琴發(fā)現(xiàn)的X射線(xiàn)的波長(zhǎng)也是以 計(jì)的。當(dāng)X射線(xiàn)入射晶體時(shí)，其中所含原子中的全部電子就會(huì)跟著電磁波的電場(chǎng)振動(dòng)，成為次生X射線(xiàn)的波源，并繼承入射波的波長(zhǎng)

16、和周相，從而產(chǎn)生衍射。晶體以 計(jì)的周期能使次生X射線(xiàn)只在一系列由晶體的周期決定的方向上周相一致而互相加強(qiáng)，形成衍射線(xiàn)。各個(gè)衍身線(xiàn)按其方向和強(qiáng)度收集在衍射圖上成為位置和黑度確定的一系列衍射點(diǎn)，總稱(chēng)衍射譜。衍射點(diǎn)的位置可以給出晶體中原子分布的周期性或單胞的形狀和大小，而它們的強(qiáng)度是由晶體中各個(gè)原子的位置決定的。換言之，如各個(gè)原子的種類(lèi)和在單胞中的位置已知，亦即晶體結(jié)構(gòu)已知，推算各個(gè)衍射點(diǎn)的強(qiáng)度倒并不困難，但從強(qiáng)度倒推結(jié)構(gòu)還欠缺各衍射線(xiàn)的周相角數(shù)據(jù)。由于X射線(xiàn)在各種介質(zhì)中的折光率幾乎沒(méi)有變化，極接近于1，從而不可能找到能使衍射線(xiàn)直接聚合成像的透鏡材料，而衍射波錄下的只是衍射線(xiàn)的方向和強(qiáng)度，已經(jīng)失掉了它們的周相角數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)分析工作產(chǎn)生了一個(gè)周相問(wèn)題，如不克服，也難于利用數(shù)學(xué)方法合成成像。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單或單胞中原子數(shù)較小的晶體來(lái)說(shuō)