Баланс Эванса

Смотрите также: Баланс Фарадея

Весы Эванса, также известные как весы магнитной восприимчивости Джонсона-Мэтти , представляют собой научный прибор, используемый для измерения магнитной восприимчивости твердых тел и жидкостей . Магнитная восприимчивость количественно определяет степень намагничивания материала в приложенном магнитном поле и может быть измерена с помощью различных устройств, которые изменяют форму магнитного поля и метод измерения силы.

Весы Эванса измеряют силу, действующую на магнит внутри магнитного поля, а не непосредственно на образец.

Механизм

Весы Эванса измеряют изменение тока, необходимое для поддержания равновесия подвешенных постоянных магнитов после взаимодействия их магнитных полей с образцом. Баланс состоит из магнитов, расположенных на одном конце балки, положение которой меняется при взаимодействии с образцом. Это смещение регистрируется фотодиодами, расположенными напротив точки равновесия луча. Эти диоды передают сигналы на усилитель, который регулирует ток в катушке для противодействия силе взаимодействия. Цифровой вольтметр измеряет ток, протекающий через прецизионный резистор, включенный последовательно с катушкой, и отображает результат на цифровом дисплее.

Первоначальные весы Эванса, разработанные Деннисом Ф. Эвансом в 1973 году, были основаны на крутильных весах, разработанных ранее Александром Рэнкином в 1937 году. Эванс использовал стержни Ticonal с ярмами из мягкой стали с кадмиевым покрытием в качестве магнитов и подвесную полосу, изготовленную из пружины Джонсона. Золотой сплав Матти , отсюда и альтернативное название «Балансы Джонсона Матти». Эти компоненты были соединены вместе с помощью эпоксидной смолы на проставке из фосфористой бронзы. Пробирки для образцов были изготовлены из трубок ЯМР , а ток подавался через фоторезисторы CdS . Позже при содействии Джонсона Матти были внесены изменения в первоначальную конструкцию, включающие размещение двух пар магнитов внутри H-образной рамы. Образец помещался между одной парой магнитов, а между второй парой располагалась небольшая катушка. Вся эта сборка вращалась горизонтально вокруг торсионной полосы. Когда трубка с образцом была введена между магнитами, крутящая сила уравновешивалась током, проходящим через катушку, обеспечивая показания на дисплее вместо использования Helipot потенциометра .

Сравнение с альтернативными магнитными весами

В отличие от других магнитных весов, весы Эванса не требуют прецизионного устройства для взвешивания. Он обеспечивает более быстрые измерения по сравнению с весами Гуи или Фарадея , хотя и с меньшей точностью и чувствительностью. Весы Эванса способны измерять в диапазоне 0,001 х 10. ⁻⁷ до 1,99 х 10 ⁻⁷ Единицы объемной чувствительности СГС. Оригинальная модель продемонстрировала точность в пределах 1% от литературных значений для диамагнитных растворов и в пределах 2% для парамагнитных твердых тел.

Система облегчает измерения твердых, жидких и газообразных форм широкого спектра парамагнитных и диамагнитных материалов, обычно для каждого измерения требуется около 250 мг образца.

Калибровка

Весы Эванса определяют чувствительность косвенно, используя калибровочный стандарт с известной чувствительностью. Обычно используемым калибровочным соединением является тиоцианат ртути-кобальта HgCo(NCS) ₄ , чувствительность которого составляет 16,44×10. ⁻⁶ (±0,5%) СГС при 20°С. Другим часто используемым стандартом является [Ni(en) ₃ ]S ₂ O ₃ с чувствительностью 1,104 x 10. ⁻⁵ очень Г ⁻² см ⁻³ . Калибровка включает в себя снятие трех показаний: одно с пустой пробиркой R _0, одно с пробиркой, наполненной калибрантом, и одно с пробиркой, заполненной образцом R _s . Некоторые весы имеют функцию автоматического тарирования, которая устраняет необходимость измерения R ₀ .

На точность измерения влияет однородность упаковки образца. Первые два показания представляют собой калибровочную константу (C). Массовую восприимчивость (χg) в граммах рассчитывают по формуле:

$\chi _{g}={\frac {CL(R_{s}-R_{0})}{10^{9}m}}$

где L — длина образца, C — калибровочная константа (обычно 1, если устройство было откалибровано), а m — масса в граммах. Показания для пустой трубки учитывают диамагнитные свойства стекла. В самой общей форме уравнения есть дополнительный член V (объемная восприимчивость воздуха) и член A (площадь поперечного сечения образца), но для твердых образцов этими членами можно пренебречь.

Чтобы рассчитать объемную магнитную восприимчивость (χ) для жидких образцов, уравнение включает член V в числитель и делится на плотность (d) раствора вместо массы (м).