баланс Эванса

Весы Эванса, также известные как весы магнитной восприимчивости Джонсона Матти , являются научным инструментом, используемым для измерения магнитной восприимчивости твердых тел и жидкостей . ^{[1] [2]} Магнитная восприимчивость количественно определяет степень, в которой материал становится намагниченным в приложенном магнитном поле . Ее можно измерить с помощью различных устройств, которые изменяют форму магнитного поля и измеряют результирующие силы. ^[3] Весы Эванса работают, измеряя силу, действующую на магнит в магнитном поле, общем с образцом, в качестве косвенного представителя намагничивания образца, а не измеряя силу, действующую на образец напрямую. ^[4]

Весы Эванса работают, измеряя силы, необходимые для поддержания позиционного равновесия подвешенных постоянных магнитов , когда их магнитные поля взаимодействуют с образцом. Эти силы для подвешивания постоянных магнитов обеспечиваются электрическими токами от катушки, расположенной рядом с магнитами. Поскольку электрические токи изменяются для поддержания равновесия, эти изменения электрического тока обеспечивают меру изменений силы, необходимой для поддержания постоянных магнитов в подвешенном состоянии. Весы состоят из магнитов, расположенных на одном конце балки, которые смещаются в положении при взаимодействии с образцом. Это смещение обнаруживается фотодиодами, расположенными напротив точки равновесия балки. Эти фотодиоды передают сигналы на усилитель , который изменяет электрический ток в катушке, взаимодействующей с магнитами, чтобы противодействовать силе взаимодействия между постоянными магнитами и образцом, тем самым возвращая балку в исходное положение. Ток, протекающий через катушку, легко измерить, например, с помощью вольтметра с проводами, прикрепленными к прецизионному резистору последовательно с катушкой. ^[1]

Оригинальные 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 покрытыми кадмием хомутами из мягкой стали в качестве магнитов и подвесную полосу, изготовленную из золотого сплава Johnson Matthey , отсюда и альтернативное название «весы Johnson Matthey». Эти компоненты были связаны вместе с помощью эпоксидной смолы на фосфорной бронзовой прокладке. Трубки для образцов были изготовлены из трубок ЯМР , а ток подавался через фоторезисторы из сульфида кадмия . ^[5]

Первоначальный дизайн был позже изменен с помощью Johnson Matthey, чтобы поместить две пары магнитов в H-образную раму. Образец вставлялся между одной парой магнитов, в то время как небольшая катушка располагалась между второй парой. Вся эта сборка вращалась горизонтально вокруг торсионной полосы. Когда трубка с образцом помещалась между магнитами, крутящая сила уравновешивалась током, проходящим через катушку, обеспечивая показания на дисплее вместо использования потенциометра . [ ^6]

В отличие от других магнитных весов, весы Эванса не требуют точного взвешивающего компонента. Они обеспечивают более быстрые измерения по сравнению с весами Гуи или Фарадея , хотя и с меньшей точностью и чувствительностью. ^[5] Весы Эванса способны измерять в диапазоне от 0,001 x 10−7 ^до 1,99 x ¹⁰⁻⁷ единиц объемной восприимчивости СГС. ^[7] Оригинальная модель продемонстрировала точность в пределах 1% от литературных значений для диамагнитных растворов и в пределах 2% для парамагнитных твердых тел. ^[5] Устройство облегчает измерения в твердых, жидких и газообразных формах широкого спектра парамагнитных и диамагнитных материалов, обычно требуя приблизительно 250 мг образца для каждого измерения. ^[8]

Весы Эванса определяют восприимчивость, ссылаясь на калибровочный стандарт с известной восприимчивостью. Обычно используемым калибровочным соединением является тиоцианат ртути и кобальта, HgCo(NCS) ₄ , восприимчивость которого составляет 16,44×10−6 ₍ ^± 0,5%) CGS при 20°C. ^[9] Другим часто используемым стандартом является [Ni(en) ₃ ] _S2O3 с восприимчивостью 1,104 x 10−5 ^эрг Гс ⁻² см ⁻³ . ^[10] Калибровка включает в себя снятие трех показаний: одно с пустой трубкой R0 _{, одно с трубкой ,} заполненной калибровочным эталонным материалом, и одно с трубкой, заполненной образцом Rs . Некоторые весы имеют функцию автоматического тарирования _, которая устраняет необходимость измерения R0 . ^[11] Первые два показания дают калибровочную константу (C). Массовая восприимчивость твердого образца (χg) в граммах рассчитывается по упрощенной формуле:

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

где L — длина образца, C — калибровочная константа (обычно 1, если устройство было откалибровано), а m — масса в граммах. Показание для пустой трубки учитывает диамагнетизм стекла трубки; в более полных формах уравнения восприимчивости также есть дополнительный член V, учитывающий объемную магнитную восприимчивость воздуха, и член A для площади поперечного сечения образца, но эти члены можно игнорировать для твердых образцов. ^[10] Чтобы вычислить объемную магнитную восприимчивость (χ) для жидкого образца, уравнение должно включать член V в числителе и делить на плотность (d) раствора вместо массы (m). ^[5] На точность измерения с использованием этих простых формул может влиять однородность упаковки образца.