グイバランス
グイバランスの模式図

フランスの物理学者ルイ・ジョルジュ・グイによって発明されたグイ天秤は、試料の磁化率を測定する装置です。グイ天秤は磁気トルクを利用して動作します。試料を細い繊維で吊り下げられた水平のアームまたは梁に置き、アームの反対側に永久磁石または電磁石を配置します。システムに磁場が印加され、コイルにトルクが生じてアームがねじれたり回転したりします。これにより、回転角度を計算できます。

背景

光学、ブラウン運動、実験物理学など幅広い分野に関心を寄せていたグイは、磁気現象にも強い関心を抱いていた。1889年、グイは均一磁場中における物質の相互作用において、力は体積磁化率に比例するという数式を導出した。この導出に基づき、グイは磁場中に吊り下げられた管状の物質の天秤測定によって、彼の体積磁化率の式を検証できると提案した。グイ自身はこの科学的示唆を検証することはなかったが、この簡便で安価な方法は磁化率測定の基礎となり、グイ天秤の設計図となった。[ 1 ]

1888年、クインケは毛細管内の液体メニスカスが磁場の影響下で動くことに着目し、圧力変化が磁化率と関連している可能性を実証しました。グイはこの仮説に興味を持ち、その後、均一磁場中における円筒状の物質の相互作用式を定式化し、その力が体積磁化率に比例することを示しました。彼は、磁場中で天秤を使って管状の物質を秤量することで測定を行うという独自の仮説を立てました。理由は不明ですが、彼自身はこの概念を提唱することはありませんでしたが、その単純さゆえに後に他の人々によって再現され、磁化率を測定するための標準的な手段となりました。

手順

グイ天秤は、試料が磁極間の高磁場領域によって反発または吸引される際に生じる質量の見かけの変化を測定する。 [ 2 ]市販されている天秤の中には、この用途のために底部にポートを備えたものがある。使用にあたっては、試験対象となる長い円筒形の試料を天秤から吊り下げ、一部を磁石の極間に挿入する。試料は固体または液体のいずれでもよく、試験管などの円筒形の容器に入れられることが多い。固体化合物は通常、試料内の均一性を保つために微粉末に粉砕される。[ 3 ] 試料は、付属の糸または紐を通して磁極間に吊り下げられる。[ 2 ] 実験手順では、2回の別々の読み取りが必要となる。最初の天秤の読み取りは、磁場を印加しない状態で対象試料に対して行われる（m a）。次の天秤の読み取りは、磁場を印加した状態で行われる（m b）。これら2回の読み取り値の差は、試料にかかる磁力（m b - m a）に関係する。[ 2 ] [ 4 ]

コンセプト

2 つの天秤の読みからわかる見かけの質量変化は、サンプルに対する磁力の結果です。磁力は、強い磁場と弱い磁場の勾配を横切って適用されます。常磁性化合物を含むサンプルは磁場に向かって引き下げられ、見かけの質量 m b – m aに正の差が生じます。反磁性化合物は、サンプルが印加磁場によってわずかに反発するため、見かけの重量変化がまったく見られないか、負の変化を示します。[ 5 ]常磁性サンプルでは、​​磁気誘導は印加磁場よりも強く、磁化率は正です。反磁性サンプルでは、​​磁気誘導は印加磁場よりもはるかに弱く、磁化率はそれぞれ負です。[ 6 ]次の数式は、見かけの質量変化とサンプルの体積磁化率を関連付けています。

F＝（メートルb−メートル1つの）グラム＝12（K2−K1）あH2{\displaystyle {\text{F}}=(m_{b}-m_{a})g={\frac {1}{2}}(K_{2}-K_{1})AH^{2}}[ 3 ]

  • m b – m a = 見かけの質量差
  • g =重力加速度
  • K 1 = 媒体（通常は空気）の体積磁化率（無視できる値）
  • K 2 = サンプルの体積磁化率
  • H = 印加磁場
  • A = サンプルチューブの面積

楽器

実際の装置では、重量測定が空気流の影響を受けないように、天秤と磁石のアセンブリ全体がガラスの箱に収められています。また、異なる温度で測定を行うために、サンプルをサーモスタットに封入することもできます。 [ 7 ]大きく強力な電磁石を必要とするため、グイ天秤は作業台に恒久的に設置された固定式の計器です。[ 2 ]装置は、振動や環境からの妨害を最小限に抑えるために、換気のない部屋の大理石の天秤台に置かれることがよくあります。[ 6 ]グイ天秤の固定磁石は、磁場を印加した場合と印加しない場合の天秤の記録が必要なため、電源に接続された 電磁石であることが多いです。

参照

参考文献

  1. ^アンドレア・セラ、「グイの管」、王立化学協会、2010年
  2. ^ a b c d Saunderson, A. (1968). 「永久磁石グイ天秤」.物理教育. 3 (5): 272– 273. Bibcode : 1968PhyEd...3..272S . doi : 10.1088/0031-9120/3/5/007 .
  3. ^ a b Brubacher, L.; Stafford, F. (1962). 「磁化率：物理化学実験室実験」. Journal of Chemical Education . 39 (11): 574. Bibcode : 1962JChEd..39..574B . doi : 10.1021/ed039p574 .
  4. ^ 「Gouy balance」 . Oxford Reference . 2021年9月25日閲覧。
  5. ^ Neele Holzenkaempfer、Jesse Gipe「配位錯体の磁気特性」、UCDavis ChemWiki
  6. ^ a b Liang, SH; Harrison, BH; Pagotto, JG (1987). ASC型木炭の含浸濃度の測定（報告書）. オタワ国防研究施設. 2017年6月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  7. ^アーンショウ、アラン (1968).磁気化学入門. アカデミックプレス.89ページ
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