Mu-metal

Sortimento de formas mu-metais utilizadas na eletrônica, 1951

Caixa mu-metal de cinco camadas. Cada camada é de cerca de 5 mm de espessura. Reduz o efeito do campo magnético da Terra dentro por um fator de 1500.

Mu-metal é uma liga ferromagnética macia de níquel-ferro com permeabilidade muito alta, usada para proteger equipamentos eletrônicos sensíveis contra campos magnéticos estáticos ou de baixa frequência.

Propriedades

Mu-metal tem várias composições. Uma dessas composições é aproximadamente

77% de níquel,

16% de ferro,

5% de cobre, e

2% de cromo ou molibdênio.

Mais recentemente, o mu-metal é considerado liga ASTM A753 4 e é composto por aproximadamente

80% de níquel,

5% de molibdênio,

pequenas quantidades de vários outros elementos, tais como silício, e

12 ~ 15% de ferro para o restante.

O nome veio da letra grega mu (μ) que representa permeabilidade em fórmulas de física e engenharia. Várias formulações proprietárias diferentes da liga são vendidas sob nomes comerciais como MuMETAL, Mumetall e Mumetal2.

Mu-metal normalmente tem valores relativos de permeabilidade de 80.000 a 100.000 em comparação com vários milhares para o aço comum. É um "soft" material ferromagnético; tem baixa anisotropia magnética e magnetostricção, dando-lhe uma baixa coercividade de modo que satura em campos magnéticos baixos. Isso proporciona baixas perdas de histerese quando usado em circuitos magnéticos CA. Outras ligas de níquel-ferro de alta permeabilidade, como permalloy, têm propriedades magnéticas semelhantes; A vantagem do mu-metal é que ele é mais dúctil, maleável e trabalhável, permitindo que seja facilmente formado nas folhas finas necessárias para escudos magnéticos.

Objetos mu-metálicos requerem tratamento térmico depois de estarem em sua forma final - recozimento em um campo magnético em atmosfera de hidrogênio, o que aumenta a permeabilidade magnética em cerca de 40 vezes. O recozimento altera a estrutura cristalina do material, alinhando os grãos e removendo algumas impurezas, principalmente o carbono, que obstruem a livre movimentação dos contornos do domínio magnético. A flexão ou choque mecânico após o recozimento pode atrapalhar o alinhamento dos grãos do material, levando a uma queda na permeabilidade das áreas afetadas, que pode ser restaurada repetindo a etapa de recozimento com hidrogênio.

Aplicativo

Escudos mu-metais para tubos de raios catódicos (CRTs) usados em osciloscópios, de uma revista eletrônica de 1945

Mu-metal é uma liga magnética macia com permeabilidade magnética excepcionalmente alta. A alta permeabilidade do mu-metal fornece um caminho de baixa relutância para o fluxo magnético, levando ao seu uso em blindagens magnéticas contra campos magnéticos estáticos ou de variação lenta. A blindagem magnética feita com ligas de alta permeabilidade, como mu-metal, funciona não bloqueando os campos magnéticos, mas fornecendo um caminho para as linhas do campo magnético ao redor da área protegida. Assim, a melhor forma para escudos é um recipiente fechado envolvendo o espaço protegido.

A eficácia da blindagem mu-metal diminui com a permeabilidade da liga, que cai tanto em baixas intensidades de campo quanto, devido à saturação, em altas intensidades de campo. Assim, os escudos mu-metálicos são muitas vezes feitos de vários invólucros um dentro do outro, cada um dos quais reduz sucessivamente o campo dentro dele. Como o mu-metal satura em campos tão baixos, às vezes a camada externa em tais escudos multicamadas é feita de aço comum. Seu valor de saturação mais alto permite lidar com campos magnéticos mais fortes, reduzindo-os a um nível mais baixo que pode ser protegido efetivamente pelas camadas internas de mu-metal.

Campos magnéticos de RF acima de cerca de 100 kHz podem ser blindados por blindagens de Faraday: chapas ou telas de metal condutoras comuns que são usadas para proteger contra campos elétricos. Materiais supercondutores também podem expelir campos magnéticos pelo efeito Meissner, mas requerem temperaturas criogênicas.

A liga tem baixa coercividade, magnetostrição próxima de zero e significativa magnetorresistência anisotrópica. A baixa magnetostricção é crítica para aplicações industriais, onde tensões variáveis em filmes finos causariam uma variação ruinosamente grande nas propriedades magnéticas.

Exemplos

Mu-metal é usado para proteger equipamentos de campos magnéticos. Por exemplo:

• Transformadores de energia elétrica, que são construídos com conchas mu-metal para impedi-los de afetar circuitos próximos.
• Discos rígidos, que têm suportes mu-metal para os ímãs encontrados na unidade para manter o campo magnético longe do disco.
• Tubos de raios catódicos usados em osciloscópios analógicos, que têm escudos mu-metais para evitar que campos magnéticos derrame desviam o feixe de elétrons.
• Cartuchos de fonógrafo magnéticos, que têm um caso mu-metal para reduzir a interferência quando LPs são reproduzidos de volta.
• Equipamento de ressonância magnética (RM).
• Os magnetômetros usados em magnetoencefalografia e magnetocardiografia.
• Tubos fotomultiplicadores.
• Câmaras de vácuo para experimentos com elétrons de baixa energia, por exemplo, espectroscopia fotoeletrônica.
• Circuitos de supercondução e especialmente circuitos de junção Josephson.
• Os magnetômetros e bússolas fluxgate como parte do sensor.
• Sensores de proximidade (tipo indutivo)

Materiais semelhantes

Outros materiais com propriedades magnéticas semelhantes incluem Co-Netic, supermalloy, supermumetal, nilomag, sanbold, molybdenum permalloy, Sendust, M-1040, Hipernom, HyMu-80 e Amumetal.

As ferritas de cerâmica são usadas para fins semelhantes e têm permeabilidade ainda maior em altas frequências, mas são quebradiças e quase não condutoras, portanto, só podem substituir mu-metais onde a condutividade e a flexibilidade não são necessárias.

História

Construção de cabos submarinos Mu-metal

O Mu-metal foi desenvolvido pelos cientistas britânicos Willoughby S. Smith e Henry J. Garnett e patenteado em 1923 para carregamento indutivo de cabos telegráficos submarinos pela The Telegraph Construction and Maintenance Co. Ltd. (agora Telcon Metals Ltd.), uma Empresa britânica que construiu os cabos telegráficos submarinos do Atlântico. A água do mar condutora em torno de um cabo submarino adicionava uma capacitância significativa ao cabo, causando distorção do sinal, o que limitava a largura de banda e diminuía a velocidade de sinalização para 10 a 12 palavras por minuto. A largura de banda pode ser aumentada adicionando indutância para compensar. Isso foi feito primeiro envolvendo os condutores com um envoltório helicoidal de fita metálica ou fio de alta permeabilidade magnética, que confinava o campo magnético.

A Telcon inventou o mu-metal para competir com a permalloy, a primeira liga de alta permeabilidade usada para compensação de cabos, cujos direitos de patente eram detidos pelo concorrente Western Electric. Mu-metal foi desenvolvido pela adição de cobre à permalloy para melhorar a ductilidade. Eram necessários 80 quilômetros (50 mi) de fio mu-metal fino para cada 1,6 km de cabo, criando uma grande demanda pela liga. No primeiro ano de produção, a Telcon produzia 30 toneladas por semana. Na década de 1930, esse uso do mu-metal diminuiu, mas na Segunda Guerra Mundial muitos outros usos foram encontrados na indústria eletrônica (particularmente blindagem para transformadores e tubos de raios catódicos), bem como espoletas dentro de minas magnéticas. Telcon Metals Ltd. abandonou a marca registrada "MUMETAL" em 1985. O último proprietário listado da marca "MUMETAL" é a Magnetic Shield Corporation, Illinois.