Mu-metal

Caja mu-metal de cinco capas. Cada capa tiene unos 5 mm de espesor. Reduce el efecto del campo magnético de la Tierra dentro por un factor de 1500.

Distribución de formas mu-metal utilizadas en electrónica, 1951

Escudos Mu-metal para tubos de rayos catode (CRTs) utilizados en osciloscopios, desde una revista electrónica de 1945

Mu-metal es una aleación ferromagnética blanda de níquel-hierro con muy alta permeabilidad, que se utiliza para proteger equipos electrónicos sensibles contra campos magnéticos estáticos o de baja frecuencia. Tiene varias composiciones. Una de estas composiciones es aproximadamente 77 % de níquel, 16 % de hierro, 5 % de cobre y 2 % de cromo o molibdeno. Más recientemente, se considera que el mu-metal es ASTM A753 aleación 4 y está compuesto de aproximadamente 80 % de níquel, 5 % de molibdeno, pequeñas cantidades de varios otros elementos como el silicio y el 12 a 15 % restante de hierro. El nombre proviene de la letra griega mu (μ) que representa la permeabilidad en fórmulas de física e ingeniería. Varias formulaciones patentadas diferentes de la aleación se venden con nombres comerciales como MuMETAL, Mumetall y Mumetal2.

Mu-metal normalmente tiene valores de permeabilidad relativa de 80 000 a 100 000 en comparación con varios miles para el acero ordinario. Es un "suave" material ferromagnético; tiene baja anisotropía magnética y magnetoestricción, lo que le da una baja coercitividad para que se sature en campos magnéticos bajos. Esto le da bajas pérdidas por histéresis cuando se usa en circuitos magnéticos de CA. Otras aleaciones de níquel-hierro de alta permeabilidad, como la permalloy, tienen propiedades magnéticas similares; La ventaja de mu-metal es que es más dúctil, maleable y trabajable, lo que le permite formar fácilmente las láminas delgadas necesarias para los escudos magnéticos.

Los objetos de metal mu requieren un tratamiento térmico una vez que están en su forma final: recocido en un campo magnético en una atmósfera de hidrógeno, lo que aumenta la permeabilidad magnética unas 40 veces. El recocido altera la estructura cristalina del material, alineando los granos y eliminando algunas impurezas, especialmente el carbono, que obstruyen el libre movimiento de los límites del dominio magnético. La flexión o el impacto mecánico después del recocido pueden alterar la alineación del grano del material, lo que provoca una caída en la permeabilidad de las áreas afectadas, que se puede restaurar repitiendo el paso de recocido con hidrógeno.

Blindaje magnético

Mu-metal es una aleación magnética suave con una permeabilidad magnética excepcionalmente alta. La alta permeabilidad del mu-metal proporciona una ruta de baja reluctancia para el flujo magnético, lo que lleva a su uso en escudos magnéticos contra campos magnéticos estáticos o de variación lenta. El blindaje magnético fabricado con aleaciones de alta permeabilidad, como el mu-metal, no bloquea los campos magnéticos, sino que proporciona un camino para las líneas del campo magnético alrededor del área protegida. Por lo tanto, la mejor forma para los escudos es un contenedor cerrado que rodee el espacio protegido. La eficacia del blindaje de mu-metal disminuye con la permeabilidad de la aleación, que cae tanto con intensidades de campo bajas como, debido a la saturación, con intensidades de campo altas. Por lo tanto, los escudos de mu-metal a menudo están hechos de varios recintos uno dentro del otro, cada uno de los cuales reduce sucesivamente el campo dentro de él. Debido a que el mu-metal se satura en campos tan bajos, a veces la capa exterior de estos escudos multicapa está hecha de acero ordinario. Su mayor valor de saturación le permite manejar campos magnéticos más fuertes, reduciéndolos a un nivel más bajo que puede ser protegido de manera efectiva por las capas internas de mu-metal.

Los campos magnéticos de RF por encima de unos 100 kHz pueden protegerse con escudos de Faraday: láminas o pantallas de metal conductor ordinarias que se utilizan para protegerse contra los campos eléctricos. Los materiales superconductores también pueden expulsar campos magnéticos por el efecto Meissner, pero requieren temperaturas criogénicas.

La aleación tiene una coercitividad baja, una magnetoestricción cercana a cero y una magnetorresistencia anisotrópica significativa. La baja magnetoestricción es crítica para aplicaciones industriales, donde las tensiones variables en películas delgadas causarían una variación terriblemente grande en las propiedades magnéticas.

Historia

Construcción de cables submarinos Mu-metal

Mu-metal fue desarrollado por los científicos británicos Willoughby S. Smith y Henry J. Garnett y patentado en 1923 para la carga inductiva de cables telegráficos submarinos por The Telegraph Construction and Maintenance Co. Ltd. (ahora Telcon Metals Ltd.), una Empresa británica que construyó los cables telegráficos submarinos del Atlántico. El agua de mar conductiva que rodea un cable submarino agregó una capacitancia significativa al cable, lo que provocó la distorsión de la señal, lo que limitó el ancho de banda y redujo la velocidad de señalización a 10-12 palabras por minuto. El ancho de banda podría aumentarse agregando inductancia para compensar. Esto se hizo primero envolviendo los conductores con una envoltura helicoidal de cinta metálica o alambre de alta permeabilidad magnética, que confinó el campo magnético. Telcon inventó el mu-metal para competir con el permalloy, la primera aleación de alta permeabilidad utilizada para la compensación de cables, cuyos derechos de patente pertenecían a su competidor Western Electric. Mu-metal se desarrolló agregando cobre a permalloy para mejorar la ductilidad. Se necesitaban 80 kilómetros (50 mi) de alambre fino de mu-metal por cada 1,6 km de cable, lo que generó una gran demanda de la aleación. El primer año de producción Telcon estaba haciendo 30 toneladas por semana. En la década de 1930, este uso del mu-metal disminuyó, pero en la Segunda Guerra Mundial se encontraron muchos otros usos en la industria electrónica (en particular, blindaje para transformadores y tubos de rayos catódicos), así como en las espoletas dentro de las minas magnéticas. Telcon Metals Ltd. abandonó la marca comercial "MUMETAL" en 1985. El último propietario registrado de la marca "MUMETAL" es Magnetic Shield Corporation, Illinois.

Usos y propiedades

El mu-metal se utiliza para proteger los equipos de los campos magnéticos. Por ejemplo:

• Transformadores eléctricos, construidos con cáscaras mu-metales para evitar que afecten circuitos cercanos.
• Discos duros, que tienen respaldos mu-metal a los imanes encontrados en la unidad para mantener el campo magnético lejos del disco.
• Tubos de rayos Cathode utilizados en osciloscopios analógicos, que tienen escudos mu-metales para evitar que los campos magnéticos estragos desvíen el haz de electrones.
• Cartuchos de fonógrafo magnético, que tienen un caso mu-metal para reducir la interferencia cuando se reproducen los LPs.
• Equipo de resonancia magnética (RM).
• Los magnetómetros utilizados en magnetoencefalografía e magnetocardiografía.
• Tubos fotomultiplicas.
• Cámaras de vacío para experimentos con electrones de baja energía, por ejemplo, espectroscopia fotoelectrónica.
• Circuitos de superconducción y especialmente circuitos de unión Josephson.
• Imanómetros y brújulas Fluxgate como parte del sensor.
• Sensores de proximidad (tipo inductivo)

Materiales similares

Otros materiales con propiedades magnéticas similares incluyen Co-Netic, supermalloy, supermumetal, nilomag, sanbold, molibdeno permalloy, Sendust, M-1040, Hipernom, HyMu-80 y Amumetal. En los últimos tiempos, se ha utilizado grafito pirolítico (también utilizado incidentalmente en algunos paneles OLED como disipador de calor) ya que también muestra propiedades útiles de exclusión de campos magnéticos.