Diagramas de Fases

Diagramas de Fases

Los diagramas de fases muestran, de modo gráfico, los rangos de temperatura, presión y composición en los que una fase, o una mezcla de fases, son estables termodinámicamente. Contienen una valiosa información acerca de las composiciones de los compuestos y de las disoluciones sólidas, así como de las temperaturas de fusión y transición de estos. El estado de equilibrio es aquel que posee menor energía y corresponde en un diagrama con la posición permitida que posea menor valor de energía. Es difícil conocer si se ha alcanzado el equilibrio ya que una situación de baja energía puede existir junto a otra situación más estable, la verdadera de equilibrio, separada por una barrera energética considerable. A esta situación se le denomina metaestable.

La regla fundamental en la que se basa los Diagramas de Fases es la regla de fases, enunciada por W.J. Gibbs, la cual puede expresarse mediante la siguiente relación: (P + F = C + 2). Donde P determina el número de fases del sistema, F indica el número grados de libertad (o el número de variables independientes), y C corresponde con el número de componentes necesarios para describir el sistema

Sistemas de un componente

Dado que un sistema de un componente posee la composición definida en toda su extensión, las variables reales del sistema se reducen a la presión y a la temperatura y suelen representarse en gráficas bidimensionales. El empleo de la regla de fases a este tipo de sistema se simplifica, dado que C = 1, y puede reescribirse como (P + F = 3). Ello deja tres posibles escenarios, dependiendo del número de fases presentes:

• Bivariante (P=1 F=2)
• Univariante (P=2 F=1)
• Invariante (P=3 F=0)

Sistemas con más de un componente

La regla de las fases puede simplificarse debido a que la presión no es una variable. En este caso, la expresión queda (P + F = C +1). En sistemas binarios, (C = 2, P + F = 3) y las combinaciones posibles P y F son iguales a las presentadas anteriormente para los sistemas de un componente. La representación suele mostrar en estos casos la temperatura en el eje vertical y la composición en el eje horizontal.

Interacciones posibles entre los dos componentes:

Un sistema eutéctico es el caso más simple mostrado por un sistema binario. Consta de dos componentes que no forman compuestos a partir de ellos ni presentan disoluciones sólidas. El punto eutéctico es el punto de composición al que se puede obtener el sistema completamente líquido.

En el diagrama se observan cuatro áreas diferentes:

• La curva liquidus (es aquella que delimita, para cada temperatura la condición de fusión completa del sistema. Se denomina fase primaria a la fase sólida)
• La línea solidus (determina la temperatura por debajo de la cual no puede existir fase líquida alguna)
• Composición total de la mezcla (Esta viene determinada por el valor x en la gráfica y no tiene aplicación en la regla de las fases)
• Cantidad relativa de cada una de las fases (regla de la palanca)

Diagrama de Fases de tres componentes o ternarios:

En este tipo de sistemas se tienen 4 variables independientes: presión, temperatura y dos concentraciones. En materiales cerámicos, es posible debido a sus bajas presiones de vapor, despreciar el efecto de la presión en el estudio de diagramas de equilibrio de fases: ( P + F = C +1). Al requerirse 3 variables para expresar el equilibrio heterogéneo de un sistema ternario, la representación gráfica necesaria debe ser tridimensional.

Existencia de compuestos

• El compuesto AB funde congruentemente debido a que se transforma directamente en un líquido de igual composición. El Diagrama puede entenderse compuesto por dos sistemas eutécticos simples. Es característico de compuestos con fusión congruente que muestren un máximo a lo largo de la curva liquidus del sistema.
• El compuesto AB funde incongruentemente debido a que se transforma en una mezcla de B y de un líquido de composición x. El punto x es un punto invariante del sistema donde se hallan tres fases en equilibrio. Se define como un punto peritéctico. Es característico de estos puntos no ser un mínimo en la curva liquidus del diagrama.
• El compuesto AB no funde a ninguna temperatura. Se descomponen antes de la fusión en una mezcla de las fases A y B. A partir de esa temperatura, el sistema se comporta como un eutéctico simple. Existen también compuestos con un límite inferior de estabilidad.

Formación de disoluciones sólidas:

• En este diagrama un componente puede disolverse completamente en la fase del otro. Los puntos de fusión de la disolución sólida varían en función de la composición. El proceso de enfriamiento es complicado y da lugar a situaciones de no equilibrio o a partículas con recubrimientos de composición variable
• En este diagrama ambos componentes pueden disolverse parcialmente en el otro. Una disolución completa solo ocurre en aquellos compuestos isomorfos con gran parecido cristal-químico de sus elementos constituyentes. La zona intermedia se ha representado para un comportamiento eutéctico simple de ambas disoluciones.

Propiedades Magnéticas

Propiedades magnéticas

1.1. Dipolos Magnéticos:

En los materiales magnéticos existen dipolos magnéticos semejantes a los dipolos eléctricos, que pueden considerarse como imanes minúsculos formados por un polo norte y un polo sur. Un dipolo magnético se crea cuando una corriente eléctrica de intensidad circula por una espira.

Se define el momento magnético dipolar μ = I・S donde I es la intensidad de corriente que circula por la espira, y S el vector superficie o área de la espira. Cuando un dipolo magnético se encuentra en un campo magnético, tiende a orientarse en la dirección de dicho campo.

Origen de las propiedades magnéticas de los materiales

El electrón tiene momentos magnéticos relacionados con:

• Su movimiento orbital alrededor del núcleo. El electrón puede ser considerado como una pequeña espira de corriente con un momento magnético a lo largo de su eje de rotación.
• Su espín. Solo pueden tomar dos valores: ↑ o ↓

El momento magnético neto de un átomo es la suma de los momentos de sus electrones.

Tipos de Magnetismos:

1) Magnetismo débil:

• Diamagnetismo: dipolos magnéticos inducidos se orientan oponiéndose al campo magnético externo. Los átomos con orbitales completamente llenos. No existe momento magnético en ausencia de campo. Dirección de los momentos magnéticos. Efecto sobre las líneas de flujo en campo magnético homogéneo (líneas hacia afuera). Materiales: gases nobles, cristales iónicos, semiconductores.
• Antiferromagnetismo: compresión de todos los dipolos magnéticos debido a un alineamiento antiparalelo. Átomos con orbitales parcialmente llenos. Momento m: compensación total de la magnetización por el alineamiento antiparalelo. Dirección. Efecto sobre línea (todas rectas). Materiales: algunos óxidos.
• Paramagnetismo: alineamiento de dipolos magnéticos permanentes en la dirección del campo magnético externo. Átomos con orbitales parcialmente llenos. Momento m permanente sin campo externo. Dirección de momentos (desorden). Líneas de flujo (hacia dentro). Materiales: metales alcalinos y de transición.

2) Magnetismo fuerte:

• Ferromagnetismo: alineamiento espontáneo en todos los dipolos magnéticos dentro de una zona del cristal (dominio). Átomos con orbitales parcialmente llenos. Momento m grande, magnetización espontánea, formación de dominios. Dirección. Líneas de flujo (hacia dentro). Materiales: Fe, Co, Ni, aleaciones.
• Ferrimagnetismo: alineamiento espontáneo de pares de los dipolos magnéticos permanentes dentro de un dominio del cristal. Átomos con orbitales parcialmente llenos, estructura cristalina. Momento m: compensación parcial da lugar a una magnetización neta. Dirección. Líneas de flujo (hacia dentro). Materiales: ferritas: óxidos con estructura de espinela.

Dominios e histéresis

Los dominios contiguos están separados por límites o paredes de dominio, en las que la dirección de magnetización cambia gradualmente. Los dominios suelen tener tamaño microscópico. La magnetización M neta para un sólido es la suma vectorial de las de los dominios, ponderadas por su fracción de volumen.

Los dominios se forman para minimizar la energía magnética. La estructura de dominios está determinada por varios tipos de energía. La estructura más estable es la que minimiza la energía potencial magnética del conjunto, que es la suma de las siguientes contribuciones:

1. Energía de canje: Es proporcional a la diferencia de energía entre los estados ferromagnético y antiferromagnético (espines paralelos o antiparalelos).
2. Energía de anisotropía: energía magneto-cristalina hace que la imanación se oriente preferentemente a lo largo de ciertas direcciones cristalográficas llamadas “de fácil imanación”.
3. Energía de la pared de dominios: La pared de dominios o pared de Bloch es la zona de transición que separa dos dominios magnéticos adyacentes.
4. Energía magnetoestrictiva: Cuando el material se imana, la muestra se expande o contrae en la dirección de imanación. Esta deformación elástica reversible inducida magnéticamente se den
5. Energía magnetostática: Es la energía potencial magnética de un material ferromagnético debida al campo magnético externo generado.

El ciclo de histéresis magnético está por tanto muy ligado a la estructura de dominios del material. Así como la imanación de saturación queda determinada solo por el tipo de material, la imanación remanente o el campo coercitivo dependen también de su microestructura, tamaño de grano, presencia de defectos y su relación con los dominios magnéticos. Los materiales ferro y ferrimagnéticos se clasifican en materiales blandos o duros, según su ciclo de histéresis.

Materiales blandos: Ciclos estrechos, (alta permeabilidad inicial y baja coercitividad). Deben alcanzar la saturación con campo pequeño (fácilmente magnetizables y desmagnetizables).

Se usan en dispositivos sometidos a campos magnéticos alternantes en los que las pérdidas de energía deben ser pequeñas. Los defectos estructurales (partículas no magnéticas, poros…) restringen el movimiento de las paredes y aumentan la coercitividad (perjudican) en este caso.

Materiales magnéticos duros. Se utilizan en imanes permanentes. Deben tener una alta resistencia a la desmagnetización. Tienen remanencia, coercitividad y densidad de flujo de saturación altas, permeabilidad inicial baja y altas pérdidas de energía de histéresis.