Balanço de Evans - Evans balance
Uma balança de Evans , também conhecida como balança Johnson-Matthey (em homenagem ao produtor mais prolífico da balança de Evans) é um dispositivo para medir a susceptibilidade magnética . A suscetibilidade magnética está relacionada à força experimentada por uma substância em um campo magnético . Vários dispositivos práticos estão disponíveis para a medição de suscetibilidade, que diferem na forma do campo magnético e na forma como a força é medida.
Na balança de Gouy existe um campo homogêneo na região central entre dois pólos (planos) de um ímã permanente, ou eletroímã. A amostra, em forma de pó em um tubo cilíndrico, é suspensa de forma que uma das extremidades fique no centro do campo e a outra fique efetivamente fora do campo magnético. A força é medida por uma balança analítica
A balança de Evans emprega uma configuração de amostra semelhante, mas mede a força no ímã.
Mecanismo
Dois pares de ímãs são colocados costas com costas em uma tira de suspensão, formando um sistema equilibrado com um campo magnético em cada extremidade. Quando uma amostra, que é fixada em um suporte de tubo de vidro, é introduzida no campo de um ímã, esse ímã sofre uma força que desvia o feixe. A deflexão é detectada por um transdutor óptico. Um campo magnético é gerado no segundo ímã que, por feedback negativo , restaura o feixe à sua posição original. O campo magnético necessário para fazer isso é gerado pela passagem de uma corrente por uma bobina de fio. Uma extremidade desse fio está entre os pólos do segundo ímã. A corrente necessária para fazer isso é proporcional à força exercida no primeiro ímã. Há uma segunda bobina de fio que cria um zero elétrico e uma folha de cobre que pode amortecer o sistema de forma crítica.
A balança de Evans original foi descrita pelo cientista inglês Dennis F. Evans em 1973 com base em uma balança de torção desenvolvida em 1937 por Alexander Rankine. Evans usou barras Ticonal com jugos de aço macio revestidos de cádmio como os ímãs, uma liga de ouro Johnson Matthey (daí o outro nome da balança) para a tira de suspensão, todos colados com resina epóxi em um espaçador de fósforo marrom. Os tubos foram feitos de tubos de RMN e a corrente veio de fotocélulas de CdS. Este original foi modificado com a ajuda da empresa Johnson Matthey. Dois pares de ímãs foram colados entre os braços de um H-frame. A amostra foi colocada na lacuna entre um par de ímãs e uma pequena bobina na lacuna entre o segundo par de ímãs. Toda a construção girou horizontalmente em torno de uma tira de torção. Quando um tubo de amostra foi colocado entre o primeiro par de ímãs, a força de torção foi restaurada pela corrente passada através da bobina entre o segundo par de ímãs, dando uma leitura em um visor em vez de um heliporto (como foi usado no original) .
Vantagens vs balanças magnéticas alternativas
A principal vantagem desse sistema é que é barato de construir, pois não requer um dispositivo de pesagem de precisão. Também é mais conveniente de usar do que as balanças Guoy e Faraday. Esses sistemas eram muito sensíveis e precisos, mas consumiam muito tempo. Um dos motivos pelos quais eram demorados é que a amostra precisava ser suspensa entre os dois pólos de um ímã muito poderoso. O tubo tinha que ser suspenso no mesmo lugar todas as vezes para que a constante do aparelho fosse precisa. No caso da balança Guoy, a carga estática no tubo de vidro geralmente fazia com que o tubo grudasse em ímãs. Com a balança de Evans, uma leitura pode ser feita em questão de segundos com apenas pequenos sacrifícios de sensibilidade e precisão. Uma balança Johnson-Matthey tem uma faixa de 0,001 x 10 −7 a 1,99 x 10 −7 cgs unidades de suscetibilidade de volume. Mesmo a balança de Evans original tinha uma precisão de 1% dos valores da literatura para soluções diamagnéticas e de 2% dos valores da literatura de sólidos paramagnéticos.
O sistema permite medições de sólidos, líquidos e gases em uma ampla variedade de materiais paramagnéticos e diamagnéticos. Para cada medição, apenas cerca de 250 mg de amostra são necessários (50 mg podem ser usados para um tubo de amostra de orifício fino).
Calibração
O equilíbrio de Evans mede a suscetibilidade indiretamente, referindo-se a um padrão de calibração de suscetibilidade conhecida. O composto mais conveniente para este propósito é o tiocianato de cobalto e mercúrio, HgCo (NCS) 4 , que tem uma susceptibilidade de 16,44 × 10 −6 (± 0,5%) CGS a 20 ° C. Outro padrão de calibração comum é [Ni (en) 3 ] S 2 O 3, que tem uma suscetibilidade de 1,104 x 10 −5 erg G −2 cm −3 . São necessárias três leituras do medidor, de um tubo vazio, R 0 do tubo cheio com calibrante e do tubo cheio com a amostra, R s . Algumas balanças possuem um recurso de tara automática que elimina a necessidade de medição R 0 . A precisão depende um pouco do empacotamento homogêneo da amostra. Os dois primeiros fornecer uma constante de calibração, C . A susceptibilidade de massa em gramas é calculada como
onde L é o comprimento da amostra, C é a constante de calibração (geralmente 1 se ela foi calibrada) e m é sua massa em gramas. A leitura do tubo vazio é necessária porque o vidro do tubo é diamagnético . Há um termo V multiplicado por um termo A na forma mais geral da equação. Esses dois termos ( V ∗ A ) são somados coletivamente ao numerador na equação acima. O termo V é a suscetibilidade do ar ao volume (0,029 x 10 −6 erg G −2 cm −3 ) e A é a área da seção transversal da amostra. Esses dois termos podem ser ignorados para amostras sólidas, resultando na equação original escrita acima.
Para calcular a suscetibilidade magnética de volume (χ) em vez da suscetibilidade de peso (χ g ), como a quando amostras líquidas, a equação teria o termo V extra adicionado ao numerador e em vez de ser dividido por m , a equação seria dividido por d para a densidade da solução.