A susceptibilidade magnética do peso padrão é uma característica crítica para garantir a precisão na metrologia de massas, especialmente na calibração de balanças de alta precisão. A exatidão dessas medições não depende apenas da qualidade da balança, mas também das propriedades físicas dos pesos padrão utilizados. Entre essas propriedades, a susceptibilidade magnética dos pesos padrão é um fator determinante, principalmente em balanças que operam por compensação eletromagnética. Neste artigo, exploraremos o que é a susceptibilidade magnética, como ela afeta os pesos padrão e por que ela é tão importante, especialmente para pesos de classes E1, E2 e F1, usados na calibração e verificação de balanças analíticas.

O que é a susceptibilidade magnética do peso padrão?   

A susceptibilidade magnética do peso padrão refere-se à capacidade de um material, como o peso padrão, de se magnetizar quando exposto a um campo magnético externo. Essa propriedade é expressa por uma constante, χ, que indica o quanto um material é suscetível a interagir com um campo magnético. Quanto maior o valor de χ, maior será a capacidade do peso de se magnetizar, o que pode levar a interferências nas medições de massa.Em pesos padrão usados para calibração de balanças de alta precisão, a susceptibilidade magnética pode causar erros significativos na medição. Isso acontece porque os pesos interagem com campos magnéticos presentes no ambiente de medição ou gerados pela própria balança, distorcendo os resultados

Materiais utilizados em pesos padrão e seus níveis de susceptibilidade magnética  

A susceptibilidade magnética do peso padrão é diretamente influenciada pelo material do qual o peso é fabricado. A escolha do material impacta significativamente a precisão das medições, pois materiais com diferentes composições químicas possuem diferentes níveis de susceptibilidade magnética. Aqui, vamos explorar a diferença entre os principais tipos de aço inoxidável utilizados na fabricação de pesos padrão, como o aço inoxidável 316, o aço inoxidável 304 e o aço inoxidável 420, e o que os torna mais ou menos suscetíveis ao magnetismo.

Aço Inoxidável 316

O aço inoxidável 316 é amplamente utilizado na fabricação de pesos padrão de alta precisão devido à sua baixa susceptibilidade magnética. Isso se deve à sua composição química e estrutura metalúrgica. O aço 316 é um aço inoxidável austenítico, o que significa que ele tem uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (FCC), conhecida por ser amplamente diamagnético.

Composição Química do Aço 316:  

• Cromo (Cr): 16-18%
• Níquel (Ni): 10-14%
• Molibdênio (Mo): 2-3%
• Carbono (C): ≤ 0,08%

A inclusão de níquel e molibdênio é um dos principais fatores que tornam o aço inoxidável 316 menos susceptível ao magnetismo. O níquel estabiliza a estrutura austenítica, reduzindo a magnetização quando o material é submetido a campos magnéticos. Além disso, o baixo teor de carbono (≤ 0,08%) reduz a tendência de formação de carbonetos, que podem criar regiões ferromagnéticas indesejadas.

Por ser praticamente diamagnético, o aço inoxidável 316 e o 316 L é a escolha ideal para pesos padrão de alta precisão nas classes E1 e E2, usados em calibrações de balanças analíticas, onde a interferência magnética deve ser minimizada.

Aço Inoxidável 304  

O aço inoxidável 304 também é um aço austenítico e, embora seja utilizado em diversas aplicações, possui uma susceptibilidade magnética ligeiramente maior que o aço 316. Sua estrutura metalúrgica é semelhante ao aço 316, mas sua composição química apresenta algumas diferenças que o tornam mais propenso ao magnetismo.

Composição Química do Aço 304:  

• Cromo (Cr): 18-20%
• Níquel (Ni): 8-10,5%
• Carbono (C): ≤ 0,08%

A principal diferença está no teor de níquel, que é menor no aço 304 em comparação ao 316. Esse menor conteúdo de níquel reduz a estabilização da fase austenítica, o que pode resultar em uma ligeira susceptibilidade magnética, especialmente se o material sofrer deformação a frio ou soldagem. O cromo confere resistência à corrosão, mas não contribui para reduzir a magnetização.

Embora o aço 304 possa ser utilizado para a fabricação de pesos padrão, ele é mais adequado para pesos das classes F2 e M1, utilizados na calibração e verificação de balanças industrias e comercias, por exemplo.

Aço Inoxidável 420  

O aço inoxidável 420 pertence à categoria dos aços martensíticos, o que o torna significativamente mais magnetizável do que os aços 316 e 304. A estrutura martensítica é formada pela transformação de austenita em martensita durante o resfriamento rápido (temperatura de têmpera), criando uma estrutura de rede cúbica centrada no corpo (BCC), altamente magnética.

Composição Química do Aço 420:  

• Cromo (Cr): 12-14%
• Carbono (C): 0,15-0,40%

O alto teor de carbono (até 0,40%) neste tipo de aço é o principal responsável pela sua alta susceptibilidade magnética. A presença de carbono contribui para a formação de martensita, que é ferromagnética. O aço 420, portanto, não é ideal para pesos padrão usados em calibrações de alta precisão, pois sua estrutura magnética pode interferir nas leituras das balanças, especialmente aquelas que operam por compensação eletromagnética.

Como a composição química influencia a susceptibilidade magnética?   

A composição química de cada tipo de aço inoxidável tem um papel direto na susceptibilidade magnética do peso padrão. O conteúdo de níquel nos aços inoxidáveis austeníticos, como o 316 e o 304, é crucial para estabilizar a fase austenítica, que é a responsável por torná-los diamagnético. Quanto maior o teor de níquel, menor a susceptibilidade magnética, como observado no aço 316.

Por outro lado, o aço inoxidável 420, com seu alto teor de carbono, favorece a formação de estruturas martensíticas que são fortemente magnetizáveis. Além disso, processos como a deformação a frio ou tratamentos térmicos podem aumentar ainda mais a magnetização desses materiais, tornando-os inadequados para pesos padrão de alta precisão.

Importância da susceptibilidade magnética em pesos de alta precisão (F1, E2, E1)   

Para pesos de alta precisão, como os das classes E1, E2 e F1, a susceptibilidade magnética do peso padrão é um fator determinante. Esses pesos são usados para calibração, ajuste e verificação de balanças analíticas, e mesmo pequenas variações no campo magnético podem afetar gravemente a exatidão das medições.

Balanças analíticas de alta precisão, que funcionam por compensação eletromagnética, são particularmente sensíveis a qualquer interferência magnética. Se um peso padrão tiver alta susceptibilidade magnética, ele pode gerar uma força adicional no campo magnético da balança, distorcendo a leitura final e resultando em erros.

Por isso, é essencial que pesos utilizados em calibrações de alta precisão sejam feitos de materiais com baixa susceptibilidade magnética, como o aço inoxidável 316, para evitar erros de medição que possam comprometer a confiabilidade do processo.

Como a susceptibilidade magnética do peso padrão afeta as medições?   

Em um ambiente ideal de medição, a força que age sobre um peso padrão deve ser puramente gravitacional. No entanto, a presença de campos magnéticos no ambiente ou nos componentes eletrônicos da balança pode induzir forças adicionais no peso, resultando em medições imprecisas.

Erros causados pela susceptibilidade magnética do peso padrão   

Quando um peso padrão com susceptibilidade magnética é exposto a um campo magnético, uma força adicional além da força gravitacional pode afetar a medição. A equação a seguir descreve essa interação:

Aqui, χ representa a susceptibilidade magnética do peso padrão, M é a magnetização permanente do peso, H é a intensidade do campo magnético e μ0 é a permeabilidade magnética do vácuo. Essa equação ilustra como a presença de um campo magnético pode induzir forças extras no peso padrão, distorcendo os resultados da pesagem.

Essas interferências magnéticas podem ser particularmente problemáticas em balanças eletrônicas, onde componentes como bobinas e ímãs permanentes geram campos magnéticos residuais. Até mesmo em balanças mecânicas, campos magnéticos externos podem introduzir erros, especialmente se o peso padrão tiver alta susceptibilidade magnética.

Princípio de funcionamento das balanças de alta precisão e seus desafios   

As balanças de alta precisão, como as balanças analíticas, utilizam o princípio da compensação de força eletromagnética para medir a massa de um objeto. Esse princípio envolve a criação de uma força eletromagnética que compensa o peso colocado no prato da balança. Uma bobina localizada em um campo magnético gera essa força, que é ajustada até equilibrar o prato, resultando em uma leitura precisa da massa.

Se o peso padrão utilizado nesse processo tiver magnetismo, ele pode interferir no campo magnético da balança, gerando uma força adicional que afeta o sistema de compensação. Isso pode resultar em:

1. Erros de medição: O campo magnético adicional faz com que a leitura da balança seja distorcida, levando a medições incorretas.
2. Perda de precisão: A precisão das balanças analíticas pode ser comprometida, especialmente em calibrações de alta precisão exigidas por setores como o farmacêutico e laboratórios de metrologia.
3. Não conformidade com normas: Em setores altamente regulamentados, como o farmacêutico, erros de medição devido à susceptibilidade magnética podem resultar em não conformidade com regulamentos, levando a penalidades e prejuízos.
4. Aumento de custos e retrabalho: Medições imprecisas podem levar ao retrabalho ou até à perda de material, resultando em custos adicionais e perda de produtividade.

Conclusão   

A susceptibilidade magnética do peso padrão é um fator crucial que afeta diretamente a precisão das medições em balanças de alta precisão, especialmente em balanças analíticas que operam com o princípio de compensação de força eletromagnética. Pesos padrão com alta susceptibilidade magnética podem interagir com campos magnéticos presentes no ambiente, resultando em erros de medição, perda de precisão e aumento de custos.

Para evitar essas interferências, é essencial utilizar pesos padrão com baixa susceptibilidade magnética, como os feitos de aço inoxidável 316, e realizar calibrações regulares. Esses pesos são ideais para garantir a precisão em processos de calibração críticos e assegurar que as medições atendam aos padrões de qualidade e rastreabilidade exigidos pela metrologia moderna.Confira mais sobre os nossos pesos padrão acessando nossa página de peso padrão