Мю-металл — мягкий ферромагнитный сплав никеля и железа с очень высокой проницаемостью , который используется для экранирования чувствительного электронного оборудования от статических или низкочастотных магнитных полей .
Мю-метал имеет несколько составов. Один из таких составов приблизительно
В последнее время мю-металлом считается сплав 4 по стандарту ASTM A753, состоящий приблизительно из
Название произошло от греческой буквы мю ( μ ), которая представляет проницаемость в физических и инженерных формулах. Ряд различных фирменных формул сплава продаются под торговыми наименованиями, такими как MuMETAL , Mumetall и Mumetal2 .
Мю-металл обычно имеет относительные значения проницаемости 80 000–100 000 по сравнению с несколькими тысячами для обычной стали. Это «мягкий» ферромагнитный материал; он имеет низкую магнитную анизотропию и магнитострикцию , [1] что дает ему низкую коэрцитивную силу , так что он насыщается при слабых магнитных полях. Это дает ему низкие потери на гистерезис при использовании в магнитных цепях переменного тока. Другие сплавы никеля и железа с высокой проницаемостью, такие как пермаллой, имеют схожие магнитные свойства; преимущество мю-металла в том, что он более пластичный , ковкий и обрабатываемый, что позволяет легко формировать его в тонкие листы, необходимые для магнитных экранов. [1]
Объекты из мю-металла требуют термической обработки после того, как они находятся в окончательной форме — отжиг в магнитном поле в атмосфере водорода , что увеличивает магнитную проницаемость примерно в 40 раз. [4] Отжиг изменяет кристаллическую структуру материала , выравнивая зерна и удаляя некоторые примеси, особенно углерод , которые препятствуют свободному движению границ магнитных доменов . Изгиб или механический удар после отжига могут нарушить выравнивание зерен материала, что приведет к падению проницаемости затронутых областей, которую можно восстановить, повторив шаг отжига в водороде. [ необходима цитата ]
Мю-металл — это мягкий магнитный сплав с исключительно высокой магнитной проницаемостью. Высокая проницаемость мю-металла обеспечивает путь с низким сопротивлением для магнитного потока , что приводит к его использованию в магнитных экранах против статических или медленно меняющихся магнитных полей. Магнитное экранирование, выполненное из сплавов с высокой проницаемостью, таких как мю-металл, работает не путем блокирования магнитных полей, а путем предоставления пути для линий магнитного поля вокруг экранируемой области. Таким образом, наилучшей формой для экранов является закрытый контейнер, окружающий экранируемое пространство.
Эффективность экранирования мю-металлом уменьшается с проницаемостью сплава, которая падает как при низких напряженностях поля, так и, из-за насыщения , при высоких напряженностях поля. Таким образом, мю-металлические экраны часто изготавливаются из нескольких оболочек, одна внутри другой, каждая из которых последовательно уменьшает поле внутри себя. Поскольку мю-металл насыщается при относительно низких полях, иногда внешний слой в таких многослойных экранах изготавливается из обычной стали. Его более высокое значение насыщения позволяет ему справляться с более сильными магнитными полями, снижая их до более низкого уровня, который может быть эффективно экранирован внутренними слоями мю-металла. [ необходима цитата ]
Радиочастотные магнитные поля выше 100 кГц можно экранировать с помощью экранов Фарадея : обычных проводящих металлических листов или экранов, которые используются для защиты от электрических полей . [5] Сверхпроводящие материалы также могут изгонять магнитные поля с помощью эффекта Мейсснера , но для этого требуются криогенные температуры.
Сплав имеет низкую коэрцитивность, близкую к нулю магнитострикцию и значительное анизотропное магнитосопротивление. Низкая магнитострикция имеет решающее значение для промышленных применений, где переменные напряжения в тонких пленках в противном случае могли бы вызвать губительно большое изменение магнитных свойств.
Мю-металл используется для защиты оборудования от магнитных полей. Например:
Другие материалы с похожими магнитными свойствами включают Co-Netic, supermalloy , supermumetal, nilomag, sanbold, molybdenum permalloy , Sendust , M-1040, Hipernom, HyMu-80 и Amumetal. Электротехническая сталь используется аналогично в некоторых трансформаторах как более дешевый, менее проницаемый вариант.
Керамические ферриты используются для аналогичных целей и имеют еще более высокую проницаемость на высоких частотах, но они хрупкие и практически непроводящие, поэтому могут заменить мю-металлы только там, где проводимость и гибкость не требуются.
Мю-металл был разработан британскими учеными Уиллоуби С. Смитом и Генри Дж. Гарнеттом [7] [8] [9] и запатентован в 1923 году для индуктивной нагрузки подводных телеграфных кабелей компанией The Telegraph Construction and Maintenance Co. Ltd. (теперь Telcon Metals Ltd.), британской фирмой, которая строила подводные телеграфные кабели в Атлантике. [10] Проводящая морская вода, окружающая подводный кабель, добавляла значительную емкость кабелю, вызывая искажение сигнала, что ограничивало полосу пропускания и замедляло скорость передачи сигналов до 10–12 слов в минуту. Полоса пропускания могла быть увеличена путем добавления индуктивности для компенсации. Сначала это было сделано путем обмотки проводников спиральной обмоткой металлической ленты или проволоки с высокой магнитной проницаемостью, которая ограничивала магнитное поле.
Telcon изобрел мю-металл, чтобы конкурировать с пермаллоем , первым сплавом с высокой проницаемостью, используемым для компенсации кабеля, чьи патентные права принадлежали конкуренту Western Electric . Мю-металл был разработан путем добавления меди к пермаллою для улучшения пластичности . Для каждых 1,6 км кабеля требовалось 80 километров (50 миль) тонкой проволоки мю-металла, что создало большой спрос на сплав. В первый год производства Telcon производил 30 тонн в неделю. В 1930-х годах это использование мю-металла пошло на спад, но ко Второй мировой войне было найдено много других применений в электронной промышленности (в частности, экранирование трансформаторов и электронно-лучевых трубок ), а также взрыватели внутри магнитных мин . Telcon Metals Ltd. отказалась от торговой марки «MUMETAL» в 1985 году. [11] Последним зарегистрированным владельцем марки «MUMETAL» является Magnetic Shield Corporation, Иллинойс. [12]