十、电子烟雾

一项新研究发现，电脑、打印机及其他办公设备产生的“电子烟雾”(即电磁场、电磁辐射)，可能使员工置身于污染物和细菌水平更高的工作环境中。

第三节   地磁场知识

地球可视为一个磁偶极，地磁场是从地心至磁层顶的空间范围内的磁场。地磁的北磁极在地理的南极附近；地磁的南磁极在地理的北极附近。磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为S极）吸引着磁针的N极，地球的南磁极（磁性为N极）吸引着磁针的S极。地磁的磁感线和地理的经线是不平行的，它们之间的夹角叫做磁偏角。中国古代的著名科学家沈括是第一个注意到磁偏角现象的科学家。通过地磁场两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3°的倾斜。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈。地球磁圈对地球而言有屏障太阳风所挟带的带电粒子的作用。地球磁圈在白昼区(向日面)受到带电粒子的力影响而被挤压，在地球黑夜区(背日面)则向外伸出。

地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完全不同。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，相对比较微弱。地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的90%，产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程，即自激发电机效应。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的10%。地磁异常又分为区域异常和局部异常，与岩石和矿体的分布有关。地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其场源分布在电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为1～3天，幅度可达10纳特。其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内。除外源场外，变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔的电性结构有关，所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具有重要意义。

近地空间的地磁场，像一个均匀磁化球体的磁场，其强度在地面两极附近还不到1高斯，所以地磁场是非常弱的磁场。地磁场强度的单位过去通常采用伽马（γ），即1纳特斯拉。1960年决定采用特斯拉作为国际测磁单位，1高斯＝10^(-4)特斯拉（T），1伽马＝10^(-9)特斯拉＝1纳特斯拉（nT），简称纳特。地磁场虽然很弱，但却延伸到很远的空间，保护着地球上的生物和人类，使之免受宇宙辐射的侵害。

行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。

地磁场强度大约是500～600毫高斯，也就是5～6*E-5特斯拉（E-5即0.00001）

第四节   磁场的生物效应

一、概述

外加磁场对于生物的影响称为磁场生物效应。这是生物磁学中的重要研究内容之一。由于外加磁场的类型和生物层次的不同，磁场生物效应也有不同的表现。根据磁场的类型和强度，磁场生物效应可以分为强磁场效应、地磁场效应、微弱磁场效应和交变磁场效应。又根据磁场所作用的生物层次，磁场生物效应可以分为生物分子效应、细胞效应、组织器官效应和整体效应。这些效应对于不同生物又是多种多样的。生物磁场一般有两个来源：一种是由于生物体中的电子传递和离子转移等过程的生物电流产生的；另一种是由于生物体内的强磁性物质(如Fe3Q4)磁化后产生的。生物磁场的强度是很微弱的，例如人的心脏活动产生的心磁场约10-7～10-8奥。

关于磁场生物效应的机理，目前尚不十分清楚，仍在继续研究中。一般说来，磁场会使生物材料受到磁力(在不均匀磁场中)或磁转矩(在均匀磁场中)的作用，会使带电粒子受到洛沦兹力的作用，而这些力和力矩又会影响到生物体中电子(离子)的传递、自由基的运动、合顺磁离子的蛋白质和菌的活性、生物膜的渗透以及生物半导体和生物中水的性质。但其具体的过程和机制，既包括物理的作用，又涉及生物的结构和功能，是一个十分复杂而没有完全解决的问题。

构成生物体的生物材料都具有一定的磁性。例如，大多数生物材料具有抗磁性，少数含过渡族金属离子(如Fe、Co、Ni、Mn等离子)的生物材料在一定条件下只有顺磁性。最近在一些生物(如某些细菌、蜜蜂和鸽子)体中还发现了微量的亚铁磁性的Fe3O4颗粒。抗磁性和顺磁性属于强磁性，亚铁磁性属于弱磁性，两者强弱相差可达几百万倍以上。

二、不同磁场的生物效应

1、强磁场生物效应。在磁场生物效应中，一般指强度高于100奥的磁场为强磁场。实验发现，强度高于14000奥的均匀恒定磁场，会抑制某些细菌的生长。把果蝇饲养在均匀恒定磁场中，观察果蝇形态上的变化，发现磁场强度为100～1500奥时，形态并无显著的畸变，而当磁场强度增加到3000～4000奥时，畸变就迅速显著地增大。若把不同蛹龄或虫龄的果蝇放在强度约22000奥、梯度约9000奥/mm的不均匀恒定磁场中，1小时龄的果蝇蛹经过几分钟便死亡，蛹龄较长的果蝇蛹经过10分钟后约有50%不能变为成虫，变为成虫后也不能活到1小时以上。把移植有肿瘤的小白鼠饲养在强度约2400～4500奥、梯度约1000奥/cm的不均匀恒定磁场中，经过27天后，肿瘤完全消失，但不加磁场的对照搬到22天后便因肿瘤长大而死亡。磁场可以影响红血球的凝结速率，实验表明强度为50、400和5000奥的均匀恒定磁场分别使红血球凝结速率增加21%、25%和30%。

2、地磁场生物效应。地球表面的地磁场强度为0.3～0.5奥，它是地球上生物和人类生活环境的一种始终起作用的物理因素。生物和人类在长期的演化过程中，已经适应了这一物理环境。如果环境磁场剧烈变化，如地球上发生磁暴、地质时代的地磁场反向或进入宇宙空间的磁场，都可能影响生物和人的活动。还有一些生物利用了地磁场这一环境因素作为生物导航和定向的依据。已经发现一些水生细菌有沿着地磁场方向朝北游动的习性，称为向磁性。冬小麦在磁场(等效地磁场)中生长时，其根总是平行于地磁场或等效地磁场，也表现向磁性．还发现果蝇的ST基因有序程度的变化与地磁倾角的变化随季节呈现明显的相关性。经过长期试验表明；鸽子的导航与地磁场有密切的联系。最近已经在向磁性细菌和鸽子头部发现强磁性的Fe2O4微粒，可能与它们的向磁性或导航有关。

3、微弱磁场的生物效应。在生物磁学中，一般将远低于地磁场强度的磁场(如＜10-3奥)称为微弱磁场。例如行星际空间磁场约5×10-5奥，月球表面磁场小于10-5奥，地磁场在反向的过渡时期中估计可能降低到远低于正常值．进行微弱磁场的生物效应实验需要高灵敏度的磁强计和抵消地磁场的装置。将眼虫藻、绿藻和纤毛虫在低于10-3奥的恒定微弱磁场中培养3个星期，发现其生长繁殖加快，但在102奥的强磁场中培养，生长繁殖却受到抑制。把小白鼠饲养在10-3奥的微弱磁场中，一年以后，其寿命比对照组缩短6个月，并且不能再生育

4、交变磁场的生物效应。强度随时间变化的交变磁场与强度不随时间改变的恒定磁场对生物的效应是不完全相同的。后者(恒定磁场)为狭义的生物效应，前者(交变磁场)还具有电磁感应作用。人眼部受到变化的磁场作用时，在无光的情况下也会产生光的感觉，称为磁闪光现象。实验研究表明，磁闪光的强度和特性与交变磁场的频率有关。当频率为20～30赫兹时，磁闪光效应最为显著。实验还发现，强度为1500～1700奥、频率为12赫兹的交变磁场，可以抑制刚移植到小鼠身上的肿溜的长大。

三、磁场对不同生物层次的效应

1、磁场对生物分子的效应。实验观测到，生物胰蛋白酶在1500奥均匀恒定磁场中活性增大，因而在受紫外光辐射时，其光密度变小。在创伤愈合实验中，施加强度3000～4000奥、梯度200奥/cm的不均匀恒定磁场，使成纤维细胞增殖和纤维化都减小，因而推断是不均匀磁场干扰了生物大分子的产生。把S-37肿瘤细胞放在3700奥均匀磁场中处理1～3小时，会使这肿瘤细胞中的脱氧核糖核酸(DNA)合成减少，表明磁场对这种合成有抑制的作用。

2、磁场对细胞的效应。在对兔和小鼠的无血浆细胞作体外培养时，若施加强度14600奥，梯度5000奥/cm的不均匀恒定磁，会显著增加这些细胞的生长速度。但把细胞放在组织培养液中培养时，若施加4000奥的均匀恒定磁场，则会抑制它的生长。把体外培养的S-37肿瘤细胞放在4400～8000奥的均匀恒定磁场中在37处理18小时，观察到这些细胞发生退化变性现象，但如果放在1000～2000奥的均匀恒定磁场中作同样的处理，则未观察到任何可察觉的变化。这一实验表明这种退化现象需要磁场强度超过一定峰值时才会产生。还发现磁场强度对于s-37肿瘤细胞的呼吸有较大的影响，当磁场从80奥增加到7300奥时，细胞的呼吸由显著的兴奋状态转变到显著的抑制状态。

3、磁场对组织和器官的效应。把水芹放在强度约4000奥、梯度约5000奥/cm的不均匀恒定磁场中，并消除重力的影响，可观察到水芹根经过几十分钟便向着磁场强度减弱的方向生长，表现出“背磁性”。把小鼠饲养在4200奥的均匀恒定磁场中，4天以后发现小鼠的肾上腺皮层的网状带组织受到破坏和变窄，骨髓中的巨核细胞因数减少，脾脏中的巨核细胞数却增加。比较磁场、光和声音对哺乳动物脑器官的影响，实验表明，磁场的影响虽较弱，但却表现出潜伏期长的抑制效应和滞后效应。

4、磁场对生物整体的效应。许多实验结果表明，不论在均匀的还是不均匀的强磁场中，若干细菌的生长都会受到抑制。大麦的根和苗在1200奥的恒定磁场中，其生长速度都比不加磁场的对照组高。为观察磁场对生物遗传的影响，把果蛹蛹放在强度约22000奥、梯度约9000奥/cm的不均匀恒定磁场中处理30分钟，观测到后代的发育时间有显著增加，直到第30代也没有恢复正常。

四、磁场生物效应的应用

1、在环境保护中的应用。利用高梯度磁分离法，可以大量除去煤中污染性强的硫化物。在水中施加强磁性细粉（如Fe3O4粉，称为磁性种子），再通过磁分离器或高梯度磁分离器，可以高效率的消除水中的细菌、病毒、洗涤剂和有害残留物（如Hg等）等，防止环境的污染。

2、在生物工程中的应用。长期的观测和试验表明，鸽子的认家（导航）与地磁场有关，一些细菌在水中沿地磁场方向游动，表现出“向磁性”，这些现象为磁导航的仿生学研究提供了有意义的线索。对果蝇的试验表明，磁场能引起果蝇遗传上的变异，这有可能在遗传工程上获得应用。在生物工程上，可以利用磁作用和电磁作用原理，制成人工心脏输血的电磁泵；分离细胞、细菌、病毒和叶绿素中生物颗粒的磁电泳仪以及无转动部件的电磁离心机等。在人类的宇航活动和空间生物学研究中，还可能利用一些磁技术和磁效应。例如，可以利用强磁场防御高能宇宙线的照射，可以利用磁场产生的磁力造成失重状态下的人工重力。研究入和生物在强磁场(如电磁推进装置防高能宇宙射线设备)或极弱磁场(如星际空间、月球和某些行星磁场)中生活的影响也是需要和有意义的。

3、在医药上的应用。在病人的患处或其他部位(如经穴)施加适当强度的恒定磁场或交变磁场，可以治疗一些疾病，称为磁场疗法，或简称磁疗。临床实践表明，对于治疗急性挫扭伤、腰肌劳损、风湿性关节炎、高血压、神经性头痛等常见病和多发病都有较好的或一定的疗效。还可以利用磁场(或加脉冲电场配合)作外科手术时的麻醉，称为磁场(或磁电)麻醉，简称磁麻。已经把磁麻应用到拔牙、切除扁桃体和粉瘤等手术，收到较好的效果。还有用强磁材料作成磁手镯、磁项链，磁椅和磁床等，以治疗高血压和消除疲劳。这些磁疗方法具有适应症较广，治疗安全，无创伤和痛苦，副作用极少，操作简单等优点。以磁石(Fe3O4)为重要成分的成药如磁石、耳聋左慈丸、紫雪(散)、磁珠丸已写入《中华人民共和国药典》(1963年)。利用磁场作用的原理，已经制成血流计，无触点心肌和神经刺激器，磁控导管，磁药针，（红，白）血球分禽器，还可以用核磁共振技术作癌的早期检查和诊断。

4、磁化水。流水经过与水流方向垂直的一定强度的磁场处理后称为磁场处理水，简称磁水，习惯上也称磁化水。经过长期和大量的试验和应用表明。磁水不但能显著降低水垢，而且具有多方面的生物效应。因而在农业、医药和食品工业等方面获得了许多受到重视的应用。

5、在农业上的应用。许多试验表明，利用磁场处理一些农作物的种子，施加磁性肥料(如钡铁氧体BaFe12O19颗粒和微量稀土盐类)，或利用经磁场处理的水(简称磁水或磁化水)浸种、育秧或灌溉，以及用磁水养鱼，可以提高种子发芽率，促使作物长势好，收到增产的效果，或使鱼病减少，促进鱼的发育生长。在磁场中饲养的小鸡和小白鼠，也比对照组的体重增加。利用磁学方法还可进行无损和快速的种子养分的测定和病虫害的检疫。

五、神奇的生物磁场

生物具有磁性是地球为生物留下的鲜明的环境烙印，但生物对磁性的拥有并不是完全被动的，它们通常是将磁性为我所用，有些生物则是将磁性当作自身的生存法宝。

1、植物，健康成长。植物的细胞具有极性，植物的生命磁场对自身的生长发育有着很重要的作用，研究人员将小麦、玉米的种子分别放置在水分和养料都一模一样的容器内，几天过后，凡是胚根朝向磁南极的种子，都比胚根朝向磁北极的种子早发芽，并且根和茎部比较健壮。此外，研究人员还发现植物的磁性趋向对树木的生长速度也会产生明显的影响，根据这个发现，科学家发明了定向植物机，以此来安排种子的种植方向，提高树木的成活率和生长速度。

2、细菌，避氧。20世纪70年代，一位美国科研人员在研究细菌的活动规律时，偶然观测到一种水生细菌总是朝着磁北极游动，人们把这种水生细菌叫做磁性细菌或向磁性细菌。原来，在这种长条形细菌体中，延长轴排列着大约20颗细小的黑粒，这些细黑粒是直径约50nm的强磁性四氧化三铁。在电子显微镜下，细菌体内的磁性小颗粒有规则的排成列，每一列长0.5μm，磁性细菌沿地磁场磁力线方向分别向南北移动，是由他们的厌氧特性导致的。

3、动物，导航定位。我们都知道信鸽有种惊人的远距离辨认方向的本领，那么信鸽究竟是靠什么来辨别方向的呢？近年来科学家在解剖信鸽时，在信鸽头部找到了许多具有强磁性的四氧化三铁颗粒，这些磁性物质排列成一定形状，一定长度，组成对地磁十分敏感的“磁罗盘”。细心的人还可以观察蜜蜂，苍蝇等昆虫，他们在起飞或降落的时候往往也朝向磁南极或磁北极，这也是这些昆虫飞行定位的依据。

第二章   磁铁知识

第一节   磁铁的一般知识

一、磁铁的概念

磁铁是可以产生磁场的物体，为一磁偶极子，能够吸引铁磁性物质如铁、镍、钴等金属。磁极的判定是以细线悬挂一磁铁，指向北方的磁极称为指北极或N极，指向南方的磁极为指南极或S极。（如果将地球想成一大磁铁，则目前地球的地磁北极是S极，地磁南极则是N极。）磁铁异极则相吸，同极则排斥。指南极与指北极相吸，指南极与指南极相斥，指北极与指北极相斥。

铁、钴、镍等原子的内部结构比较特殊，其原子本身就具有磁矩。一般情况下，这些矿物分子的排列较混乱。而它们的磁区互相影响并显示不出磁性来，但是在外力（如磁场）导引下其分子的排列方向就会趋向一致，其磁性就会明显的显示出来，也就是我们平时俗称的磁铁。最早发现及使用磁铁的是中国人，“指南针”是中国四大发明之一。

磁铁只是一个通称，是泛指具有磁性的东西，实际的成分不一定包含铁。较纯的金属态的铁本身没有永久磁性，只有靠近永久磁铁才会感应产生磁性，一般的永久磁铁里面加了其他杂质元素（例如碳）来使磁性稳定下来，但是这样会使电子的自由性降低而不易导电，所以电流通过的时候灯泡亮不起来。铁是常见的带磁性元素，但是许多其他元素具有更强的磁性，像强力磁铁很多就是铷铁硼混合而成的。

二、磁铁的分类

磁铁又名吸铁石，是指在周围和自身内部存在磁场的物体或材质，分为天然和人造两大类。天然磁铁主要成分是四氧化三铁，其化学式为Fe3O4，常称“磁性氧化铁”，是具有磁性的黑色晶体，可以看成是氧化亚铁和氧化铁组成的化合物。因在四氧化三铁的晶体里存在着两种不同价态的离子，其中三分之一是Fe2+，三分之二是Fe3+，是一种复杂的化合物。它不溶于水，也不能与水反应。与酸反应，不溶于碱。主要用于制底漆和面漆，用于电子工业的磁性材料，也用于建筑工业的防锈剂。人造磁铁通常用金属合金制成，具有强磁性。

磁铁又可分作“永久磁铁（硬磁）”与“非永久磁铁（软磁）”。永久磁铁是加上强磁，使磁性物质的自旋与电子角动量成固定方向排列。永久磁铁可以是天然产物，又称天然磁石，也可以由人工制造（最强的磁铁是钕铁硼磁铁）。而非永久性磁铁，只有在某些条件下会有磁性，通常是以电磁铁的形式产生，也就是利用电流来强化其磁场，当电流去掉后，软磁会慢慢失去磁性。有些非永久性磁铁加热到一定的温度会突然失去磁性，这是由于组成磁铁的众多“元磁体”的排列从有序到无序所引起的；失去磁性的磁铁放入到磁场中，当磁化强度达到某一数值，它又被磁化，“元磁体”之排列又从无序到有序。

三、人造磁铁

人造磁铁一般蹄形磁铁、条形磁铁和环形磁铁，是大家生活中最常见的，其中蹄形磁铁比较受欢迎。单面磁铁是指一面有磁性，另一面磁性较弱的磁铁，方法是用特殊处理的镀锌铁皮将双面磁铁的一面包裹，这样被包裹的一面磁性将被屏蔽，磁力被折射到另一面，另一面磁性将增强。如有的场合只需要一面有磁性，另一面如有磁性会造成损坏或干扰；有的场合如包装盒上的磁铁则只需要一面有磁性，另一面可有可无，有磁性也没有用，这样使用单面磁会大大降低成本并节约磁性材料。单面磁铁的磁力折射如同卫星锅对信号的折射或手电筒灯锅对光线的折射，其折射效果主要由以下三方面决定：

1、材料。材料的选择以及厚薄，以及磁铁与材料的间距有着密切的关系。纯铁皮容易漏磁，经特殊处理后折射会增强，但100%屏蔽的材料还没研究出，但不同厂家做的材料效果也不同。

2、角度。根据折射原理，弧形材料效果最好，直角材料折射损耗较大。

3、空间。磁力线在空中如同手机信号，需要有空间才能折射出来。手电筒灯锅如完全包裹在灯炮上，使用效果肯定不好，因为有大量的光线折射被损耗。

四、磁铁的特性

1、反磁性（抗磁性）。是一些类别的物质，当处在外加磁场中，会对磁场产生微弱排斥力的一种磁性现象。

2、顺磁性。是指一种材料的磁性状态。有些材料可以受到外部磁场的影响，产生指同相向的磁化向量的特性。这样的物质具有正的磁化率。与顺磁性相反的现象被称为抗磁性。

3、铁磁性。是指一种材料的磁性状态，具有自发性的磁化现象。各材料中以铁最广为人知，故名之。某些材料在外部磁场的作用下得到磁化后，即使外部磁场消失，依然能保持其磁化的状态而具有磁性，即所谓自发性的磁化现象。所有的永久磁铁均具有铁磁性或亚铁磁性。基本上铁磁性这个概念包括任何在没有外部磁场时显示磁性的物质。至今依然有人这样使用这个概念。但是通过对不同显示磁性物质及其磁性的更深刻认识，学者们对这个概念做了更精确的定义。一个物质的原胞中所有的磁性离子均指向它的磁性方向时才被称为是铁磁性的。若只有部分离子的磁场指向其磁性方向，则称为亚铁磁性。若其磁性离子所指的方向正好相互抵消（尽管所有的磁性离子只指向两个正好相反的方向）则被称为反铁磁性。

4、临界温度。物质的磁性现象存在一个临界温度，在此温度下才会发生。对于铁磁性和亚铁磁性物质，此温度被称为居里温度，对于反铁磁性物质，此温度被称为尼尔温度。

5、电磁性。电磁铁是可以以通电流的方式来产生磁力的装置，在电力普及的社会中是一项不可缺少的工具，属非永久磁铁，与永久磁铁同为磁铁的一种。