La balanza Evans

Una balanza Evans, también conocida como balanza Johnson-Matthey (por el productor más conocido de la balanza de Evans) es un dispositivo para medir la susceptibilidad magnética desarrollada por el químico inorgánico inglés Dennis Frederick Evans.

La susceptibilidad magnética está relacionada con la fuerza experimentada por una sustancia en un campo magnético. Existen varios dispositivos prácticos para la medición de la susceptibilidad, que difieren en la forma del campo magnético y en la forma en que se mide la fuerza.

Infografia balanza Evans

Un ejemplo es la balanza Gouy, donde hay un campo homogéneo en la región central entre dos polos (planos) de un imán permanente o de un electroimán. La muestra, en forma de polvo en un tubo cilíndrico, se suspende de tal manera que un extremo se encuentra en el centro del campo y el otro se encuentra fuera del campo magnético. La fuerza se mide con una balanza analítica

La balanza Evans utiliza una configuración de muestra similar, pero mide la fuerza sobre el imán.

Mecanismo de funcionamiento de una balanza Evans

La balanza original fue desarrollada por Dennis F. Evans en 1973 basada en la balanza de torsión desarrollado en 1937 por Alexander Rankine. Evans utilizó barras Ticonal con yugos de acero dulce chapados en cadmio como imanes, una aleación de oro Johnson-Matthey (de ahí el otro nombre de la balanza) para la tira de suspensión, todas pegadas con resina epoxi sobre un espaciador de color marrón fósforo. Los tubos estaban hechos de tubos de RMN y la corriente provenía de fotocélulas sulfuro de cadmio.

Diagrama de una balanza Evans
Diagrama de una balanza Evans

Este diseño original fue modificado con la ayuda de la compañía Johnson-Matthey. Se pegaron dos pares de imanes (L) entre los brazos de un bastidor en H (N). La muestra estaba en un hueco, y una pequeña bobina en el otro. Todo el conjunto giraba horizontalmente alrededor de una tira de torsión (S). Cuando se colocaba un tubo de muestra entre un par de imanes, la fuerza de torsión era compensada por la corriente en la bobina entre el otro par, dando una lectura en una pantalla. Fácil de usar y robusta, la balanza Evans o JM ha estado en el mercado en varias formas desde entonces.

Diseños actuales de la balanza Evans

Los diseños actuales de la balanza de Evans consisten en dos pares de imanes que se colocan espalda con espalda en una tira de suspensión, formando un sistema equilibrado con un campo magnético en cada extremo. Cuando una muestra, que está fijada en un soporte de tubo de vidrio, se introduce en el campo de un imán, ese imán experimenta una fuerza que desvía el haz. La desviación es detectada por un transductor óptico.

En el segundo imán se genera un campo magnético que, mediante retroalimentación negativa, devuelve el haz a su posición original. El campo magnético necesario para ello se genera al pasar una corriente a través de una bobina de alambre. Un extremo de ese alambre está entre los polos del segundo imán. La corriente necesaria para ello es proporcional a la fuerza ejercida sobre el primer imán. Hay una segunda bobina de alambre que crea un cero eléctrico y una lámina de cobre que puede amortiguar el sistema.

Ventajas de la balanza Evans frente a balanzas magnéticas alternativas

La principal ventaja de la balanza de Evans es que es barato de construir ya que no requiere un dispositivo de pesaje de precisión. También es más conveniente de usar que las balanzas Guoy y Faraday. Estos sistemas eran muy sensibles y precisos, pero consumían mucho tiempo.

Una razón por la que consumían mucho tiempo era porque la muestra tenía que ser suspendida entre los dos polos de un imán muy poderoso. El tubo tenía que estar suspendido en el mismo lugar cada vez para que la constante del aparato fuera exacta.

En el caso de la balanza Guoy, la carga estática en el tubo de vidrio a menudo hacía que el tubo se pegara a los imanes. Con la balanza Evans, se podía tomar una lectura en cuestión de segundos con sólo pequeños sacrificios en sensibilidad y precisión. Una balanza Johnson-Matthey tiene un rango de 0.001 x 10-7 a 1.99 x 10-7 c.g.s. unidades de susceptibilidad de volumen.

Modelo comercial de una balanza Evans, por Sherwood Scientific
Modelo comercial de una balanza Evans, por Sherwood Scientific

Incluso la balanza de Evans original tenía una precisión dentro del 1% de los valores de la literatura para soluciones diamagnéticas y dentro del 2% de los valores de la literatura para sólidos paramagnéticos.

Una balanza Evans permite la medición de sólidos, líquidos y gases de una amplia gama de materiales paramagnéticos y diamagnéticos. Para cada medición sólo se necesitan unos 250 mg de muestra (50 mg pueden utilizarse para un tubo de muestra de calibre delgado).

Calibración de la balanza de Evans

La balanza Evans mide la susceptibilidad magnética indirectamente al referirse a un patrón de calibración de susceptibilidad conocida. El compuesto más conveniente para este propósito es el tiocianato de cobalto de mercurio, HgCo(NCS)4, que tiene una susceptibilidad de 16,44×10-6 (±0,5%) CGS a 20 °C.

Otro estándar de calibración común es el Tiosulfato de níquel (II) tris-etilendiamina ([Ni(en)3]S2O3) que tiene una susceptibilidad de 1,104 x 10-5 erg G-2 cm-3. Se necesitan tres lecturas del medidor, de un tubo vacío, R0 del tubo lleno de calibrante y del tubo lleno de la muestra, Rs. Algunas balanzas tienen una función de auto-tara que elimina la necesidad de la medición R0. La exactitud depende en cierta medida del empaque homogéneo de la muestra.

Para más información Classic Kit: The Evans balance