グイバランス

フランスの物理学者ルイ・ジョルジュ・グイが発明したグイ天秤は、サンプルの磁化率を測定する装置です。グイ天秤は磁気トルクで動作します。サンプルを細い繊維で吊るされた水平のアームまたは梁に置き、アームのもう一方の端に永久磁石または電磁石を配置すると、システムに磁場が適用され、コイルにトルクが発生し、アームがねじれたり回転したりします。その後、回転角度を計算できます。

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、磁気現象にも強い興味を持っていた。グイは1889年に、均一な磁場内での物質の相互作用における力は体積磁化率に比例するという数式を導出した。この導出から、グイは磁場内に吊るされた物質のチューブの天秤測定によって、体積磁化率の式を評価できると提案した。グイ自身はこの科学的提案をテストすることはなかったが、この単純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]

クインケは 1888 年に、毛細管内の液体メニスカスが磁場の影響下で動くことを指摘し、圧力変化が磁化率に関係している可能性があることを実証しました。グイはこの仮説に興味を持ち、その後、均一な磁場内での円筒指定内の物質の相互作用式を定式化し、力が体積磁化率に比例することを示しました。彼は、磁場内で天秤からチューブの物質の重量を量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、彼はこの概念を自分では紹介しませんでしたが、その単純さから最終的に他の人に再現され、磁化率を測定する一般的な手段として登場しました。

グイ天秤は、磁極間の高磁場領域によってサンプルが反発または引き付けられる際のサンプルの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ているものもある。使用時には、試験する長い円筒形のサンプルを天秤から吊り下げ、磁石の極間に部分的に挿入する。サンプルは固体または液体の形態であり、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、サンプル内の均一性を確保するために微粉末に粉砕される。^[3] サンプルは、取り付けられた糸または紐を介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を行う必要がある。最初の天秤の読み取りは、磁場のない対象サンプルに対して実行される ( 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回の読み取りの差は、サンプルに対する磁力 ( m _b – m _a ) に関係する。^{[2] [4]}

2 つの天秤の読み取り値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されるため、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]常磁性サンプルの場合、磁気誘導は印加磁場よりも強く、磁化率は正です。反磁性サンプルの磁気誘導は印加磁場よりもはるかに弱く、それに応じて負の磁化率があります。^[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。

${\displaystyle {\text{F}}=(m_{b}-m_{a})g={\frac {1}{2}}(K_{2}-K_{1})AH^{2}}$ ^[3]

• m _b – m _a = 質量の見かけの差
• g =重力加速度
• K ₁ = 媒体（通常は空気）の体積磁化率で、値は無視できるほど小さい
• 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

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。サンプルをサーモスタットに封入して、さまざまな温度で測定を行うこともできます。^[7]大きく強力な電磁石が必要なため、グイ天秤はベンチに恒久的に設置された固定式の計器です。^[2]装置は、環境からの振動や混乱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バランス記録が必要なため、電源に接続された電磁石であることが 多いです。

• エヴァンスバランス
• ファラデーバランス
• キブルバランス