Una balanza de Evans, también conocida como balanza de susceptibilidad magnética Johnson Matthey , es un instrumento científico utilizado para medir la susceptibilidad magnética de sólidos y líquidos . [1] [2] La susceptibilidad magnética cuantifica el grado en que un material se magnetiza en un campo magnético aplicado . Se puede medir utilizando varios dispositivos que modifican la forma del campo magnético y miden las fuerzas resultantes. [3] La balanza de Evans funciona midiendo la fuerza ejercida sobre un imán dentro de un campo magnético compartido con una muestra como un indicador indirecto de la magnetización de una muestra, en lugar de medir la fuerza ejercida sobre la muestra directamente. [4]
La balanza de Evans funciona midiendo las fuerzas necesarias para mantener el equilibrio posicional de los imanes permanentes suspendidos a medida que sus campos magnéticos interactúan con una muestra. Estas fuerzas para suspender los imanes permanentes son proporcionadas por corrientes eléctricas de una bobina cercana a los imanes. A medida que las corrientes eléctricas varían para mantener los equilibrios, esas variaciones en la corriente eléctrica proporcionan una medida de las variaciones de la fuerza requerida para mantener los imanes permanentes en suspensión. La balanza consta de imanes colocados en un extremo de una viga que cambian de posición al interactuar con la muestra. Este desplazamiento es detectado por fotodiodos ubicados opuestos al punto de equilibrio de la viga. Estos fotodiodos transmiten señales a un amplificador que altera la corriente eléctrica en una bobina que interactúa con los imanes para contrarrestar la fuerza de interacción entre los imanes permanentes y la muestra, restaurando así la viga a su posición inicial. La corriente que fluye a través de la bobina se mide fácilmente, por ejemplo, con un voltímetro con cables conectados a una resistencia de precisión en serie con la bobina. [1]
La balanza Evans original, ideada por Dennis F. Evans en 1973, se basaba en una balanza de torsión desarrollada anteriormente por Alexander Rankine en 1937. Evans utilizó barras de Ticonal con yugos de acero dulce revestidos de cadmio como imanes y una tira de suspensión hecha de una aleación de oro Johnson Matthey , de ahí el nombre alternativo "balanza Johnson Matthey". Estos componentes se unieron entre sí utilizando resina epoxi sobre un espaciador de bronce fosforoso . Los tubos de muestra se fabricaron a partir de tubos de RMN y la corriente se suministró a través de fotorresistencias de sulfuro de cadmio . [5]
El diseño original fue modificado posteriormente, con la ayuda de Johnson Matthey, para colocar dos pares de imanes dentro de un marco en forma de H. La muestra se insertaría entre un par de imanes mientras que una pequeña bobina se colocaría entre el segundo par. Todo este conjunto giraba horizontalmente alrededor de una tira de torsión. Cuando se introducía un tubo de muestra entre los imanes, la fuerza de torsión se contrarrestaba con la corriente que pasaba por la bobina, lo que proporcionaba una lectura en la pantalla en lugar de utilizar un potenciómetro . [6]
A diferencia de otras balanzas magnéticas, la balanza Evans no requiere un componente de pesaje de precisión. Ofrece mediciones más rápidas en comparación con una balanza Gouy o una balanza Faraday , aunque con una precisión y sensibilidad reducidas. [5] La balanza Evans es capaz de medir dentro de un rango de 0,001 x 10 −7 a 1,99 x 10 −7 unidades de susceptibilidad de volumen CGS. [7] El modelo original demostró una precisión dentro del 1% de los valores de la literatura para soluciones diamagnéticas y dentro del 2% para sólidos paramagnéticos . [5] El dispositivo facilita las mediciones en formas sólidas, líquidas y gaseosas de un amplio espectro de materiales paramagnéticos y diamagnéticos, y normalmente requiere aproximadamente 250 mg de muestra para cada medición. [8]
La balanza de Evans determina la susceptibilidad haciendo referencia a un estándar de calibración con una susceptibilidad conocida. Un compuesto de calibración comúnmente utilizado es el tiocianato de cobalto y mercurio, HgCo(NCS) 4 , que tiene una susceptibilidad de 16,44×10 −6 (±0,5%) CGS a 20 °C. [9] Otro estándar utilizado con frecuencia es [Ni(en) 3 ]S 2 O 3 , con una susceptibilidad de 1,104 x 10 −5 erg G −2 cm −3 . [10] La calibración implica tomar tres lecturas: una con un tubo vacío R 0, una con un tubo lleno con el material de referencia de calibración y una con el tubo lleno con la muestra R s . Algunas balanzas cuentan con una función de tara automática que elimina la necesidad de la medición de R 0 . [11] Las dos primeras lecturas proporcionan una constante de calibración (C). La susceptibilidad másica de una muestra sólida (χg) en gramos se calcula utilizando la fórmula simplificada:
donde L es la longitud de la muestra, C es la constante de calibración (normalmente 1 si el dispositivo ha sido calibrado) y m es la masa en gramos. La lectura del tubo vacío tiene en cuenta el diamagnetismo del vidrio del tubo; en formas más completas de la ecuación de susceptibilidad también hay un término V adicional que tiene en cuenta la susceptibilidad magnética volumétrica del aire y un término A para el área de la sección transversal de la muestra, pero estos términos se pueden ignorar para las muestras sólidas. [10] Para calcular la susceptibilidad magnética volumétrica (χ) para una muestra líquida, la ecuación incluiría el término V en el numerador y se dividiría por la densidad (d) de la solución en lugar de la masa (m). [5] La precisión de la medición utilizando estas fórmulas simples puede verse influenciada por la homogeneidad del empaque de la muestra.
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