Магнитная запись информации
Введение
Первые указания навозможность регистрации электрических сигналов на магнитном носителе относятсяк 1887 г.(П. Жанэ) – 1888 г. (О. Смит). Однако, первый действующий аппарат длямагнитной записи и воспроизведения звука был создан датским инженером ВольдемаромПоульсеном.
Аппарат был назван телеграфономи был запатентован в 1898 году. В качестве носителя в аппарате былаиспользована стальная проволока диаметром 0.5 – 1.0 мм, намотанная на немагнитный цилиндр, диаметр которого 120 мм и длина 380 мм.
В процессе записи валиквращался и пишущая головка скользила по виткам проволоки, намагничивая её.Стальная проволока обладала низкой коэрцитивной силой, высокой остаточнойиндукцией и большим диаметром, что позволило осуществить магнитную запись безусиления сигналов. В качестве источника сигналов использовался угольныймикрофон, а при воспроизведении головка соединялась с телефоном.
Скорость движенияносителя была около 2 м/с. Основным недостатком стального носителя была большаямасса на единицу времени записи (в 1908 г. на запись докладов конференции в Копенгагене в течение 14 часов было затрачено около 100 кг проволоки).
В 1925 г. И. Крейчману (СССР) и в 1928 г. Ф. Пфлеймеру (Германия) были выданы патенты на носитель ввиде гибкой немагнитной ленты, на которую нанесен рабочий слой изферромагнитного порошка.
/>С 1932 г. ленту начали делать из ацетилцелулезы, а рабочий слой – изкарбонильного железа.
В 1934 г. немецкая фирма «IG Farben» выпустила первую промышленную партию магнитнойленты. В это же время были созданы достаточно эффективные усилители для записии воспроизведения сигналов и кольцевые магнитные головки.
Аппарат для записисигналов на порошковые ленты получил название магнитофон.
Профессиональнаяаппаратура магнитной записи начала использоваться в радиовещании с 40-х годов.
50-е годы прошлогостолетия – период интенсивного развития магнитной записи. Начат выпуск бытовыхмагнитофонов (один из первых – катушечный магнитофон «Днепр»). С 1952 г. магнитную запись начинают применять для хранения информации в ЭВМ. С 1956 г. магнитофоны начали применять для записи телевизионных программ
С 1962 г. для хранения информации в ЭВМ начинают использовать магнитные диски. В 1963 г фирма «Philips» разработала и выпустилакомпакт-кассету, появляются кассетные магнитофоны. В 1967 г. выпущен первый в СССР кассетный магнитофон «Десна».
В 1965 г. в технической лаборатории японской радиовещательной компании NHK начаты планомерные исследования системы звукозаписи сприменением импульсно-кодовой модуляции, а в 1967 г. продемонстрирован первый в мире цифровой звукозаписывающий аппарат.
В 1984 г. появился новый носитель – магнитный диск для перпендикулярной магнитной записи, которыйобеспечивает высокую (теоретически – до 20000 бит/мм) плотность записи.
Во второй половине 80-хг.г. появляются бытовые видеомагнитофоны (первый отечественный видеомагнитофонбытового назначения – «Электроника ВМ-12»). В 1987 г. принят стандарт на систему цифровой записи R-DAT (Digital Audio Tape) и началась продажа цифровых магнитофонов.
В это же время благодарясовместным усилиям фирм PHILIPSи SONY разработан стандарт оптическойзаписи сигналов на компакт-диск (CD) иначат выпуск соответствующей аппаратуры. Система «компакт-диск» ( а позднее исистема DVD) начала вытеснять системы магнитнойзаписи.
Однако, и сегодня на студиях радио- ителевизионного вещания хранится огромное количество фонограмм и видеофильмов,эксплуатируется большое количество магнитофонов.
На студиях и в быту используютсявидеокамеры. В вычислительных устройствах широко применяется хранениеинформации на жестких магнитных дисках. Поэтому в наши дни магнитная записьинформации не теряет свое значение. Этому способствуют следующие свойствамагнитной записи:
- магнитная запись позволяет немедленновоспроизвести записанный сигнал (например, для контроля качества записи);
- обеспечивает высокое качество записи;
- допускает практически бесконечнобольшое число повторных воспроизведений без потери качества;
- простота эксплуатации аппаратуры;
- возможность монтажа фонограмм;
- возможность тиражирования;
- возможность длительного хранения;
- самая низкая стоимость производствазаписи.
К недостаткам магнитнойзаписи можно отнести:
- наличие искажений за счет копирэффекта;
- относительно небольшой срок службымагнитных головок из-за абразивного действия носителя;
- возможность ухудшения качества и,даже, полного уничтожения записи при воздействии внешних магнитных полей,резких изменений температуры или механических воздействий.
1. Основы магнитнойзаписи
Магнитная записьэлектрических сигналов основана на способности некоторых ферромагнитныхматериалов намагничиваться под действием внешнего магнитного поля и сохранятьприобретенную намагниченность практически бесконечно долго. Материалы,обладающие таким свойством, называют магнитно-жесткими.
Процесс записиосуществляется следующим образом. Намагничивающее поле создаётсяэлектромагнитом, по обмотке которого протекает ток, изменяющийся во времени позакону записываемого сигнала. Этот электромагнит является пишущим элементом,его называют записывающей головкой.
Конструкция головкитакова, что её магнитное поле имеет минимальную протяженность в пространствепри необходимой величине напряженности магнитного поля Н.
В магнитном поле головкиравномерно движется носитель – магнитная лента, диск или проволока. В каждыймомент времени на участок носителя, находящийся в магнитном поле головки,действует магнитное поле, напряженность которого пропорциональна мгновенномузначению тока в обмотке головки.
После выхода этогоучастка носителя из магнитного поля головки, участок сохраняет намагниченность,пропорциональную величине мгновенного значения тока. Так образуется магнитнаясигналограмма.
При воспроизведениимагнитная сигналограмма равномерно протягивается мимо электромагнита, которыйназывают воспроизводящей головкой. Каждый участок намагниченного носителясоздаёт в сердечнике воспроизводящей головки магнитный поток.
При движении носителямагнитный поток изменяется и его изменения создают в обмотке э.д.с., котораявоспроизводит закон изменения записанного на носитель сигнала.
Рассмотрим теперь болеедетально процессы, происходящие при магнитной записи и воспроизведенииинформации. Прежде всего напомним некоторые понятия и уравнения физики,относящиеся к разделу «Магнитное поле».
2. Основные сведения омагнитных явлениях
Магнитное поле возникаетпри движении электрических зарядов. В микроскопическом смысле оно существуеткак результат движения электронов и других заряженных частиц.
Макроскопическоемагнитное поле создаётся токами в проводниках или намагниченными материалами.
Магнитное поле в вакуумеописывают векторами магнитной индукции /> и напряженности магнитного поля />, которые связаны между собойсоотношением:
/>, /> (1)
где /> - вектор магнитной индукции в Вб/м2(Тл),
/> — вектор напряженности магнитного поляв А/м,
/> Гн/м – магнитная постоянная.
Для описания магнитныхполей в магнитных материалах вводят ещё вектор намагниченности />, который измеряют в А/м. Тогда:
/> (2)
Намагниченность /> можно представить как:
/>, (3)
где /> - остаточная намагниченность,
/> — магнитная восприимчивость.
С учетом (1.3) выражение(1.2) можно переписать так:
/>, (4)
где /> - относительная магнитная проницаемостьсреды.
Произведение/>называют абсолютной магнитнойпроницаемостью среды. В общем случае магнитная восприимчивость /> и, следовательно, /> и /> не являются постоянными величинами, а зависят отнапряженности магнитного поля />,т.е. зависимость /> и /> от /> - нелинейная. Графики зависимости /> называют кривыми намагничивания материала.Примерный вид кривых намагничивания показан на рис. 1.
Размагниченный материалнамагничивается по кривой 1, которую называют кривой начального намагничивания.При увеличении напряженности намагничивающего поля намагниченность /> приближается к значению /> -намагниченности насыщения.
Если теперь уменьшатьнапряженность магнитного поля />,то намагниченность материала будет изменяться по кривой 2. При значениинапряженности поля /> намагниченностьматериала будет отличаться от 0. Это значение намагниченности материаланазывают остаточной намагниченностью и обозначают />.
Чтобы уменьшитьнамагниченность материала до нуля, необходимо приложить магнитное полеобратного знака -/>. Численноезначение напряженности />называюткоэрцитивной силой.
При дальнейшем изменениинапряженности поля в сторону её уменьшения намагниченность материала стремтся кзначению -/>. Теперь начатьувеличивать напряженность магнитного поля />, то изменение намагниченности будет следоватькривой 3.
Кривая намагничиванияобразует петлю, которую называют предельной петлей гистерезиса материала. Еслиматериал не намагничивать до насыщения, то кривые намагничивания образуютпетли, располагающиеся внутри предельной петли гистерезиса.
Имея зависимость /> нетрудно построить графикзависимости />, используя дляэтого выражение (4).
/>
Рисунок 1
Закон Босанквета (законОма для магнитной цепи)
Пусть на кольцевомсердечнике, имеющем воздушный зазор δ, намотана катушка, содержащая w витковпровода, по которым течет постоянный ток силой I. Определим магнитный поток всердечнике, создаваемый этим током (см. рис. 2).
Для этого воспользуемсяпервым уравнением Максвелла в интегральной форме (законом полного тока):
/>.
Проведем контуринтегрирования L так, чтобы он совпал с одной из силовых линий векторанапряженности магнитного поля />.Тогда:
/>
/>
w , (5)
т.к. />, то />.
Подставим значение />, найденное из этого равенства ввыражение (5):
/>
В этих выражениях l –длина силовой
линии в сердечнике, µr — относительная
магнитная проницаемостьсердечника,
/> — напряженность магнитного поля в сердечнике, /> - напряженность магнитного поляв зазоре сердечника. Из последнего выражения находим />:
/> (6)
Зная напряженностьмагнитного поля в сердечнике, можно определить магнитную индукцию :
/>
и магнитный поток:
/>, (7)
где S – площадь поперечного сечениясердечника.
Выражение (7) поструктуре напоминает выражение закона Ома :
/>,
где е – электродвижущаясила, /> - сопротивление, /> - сила тока. По аналогиивыражение (1.7) называют «законом Ома для магнитной цепи» или закономБосанквета. Произведение /> называютмагнитодвижущей силой, а величину /> — магнитным сопротивлением участка магнитной цепидлиной /> и площадью сечения />.3. Явлениесаморазмагничивания
Магнитное поленамагниченного тела существует во внешнем по отношению к телу пространстватолько в том случае, если имеется неоднородность или разрыв линий векторанамагниченности />. Это легкопроверить экспериментально.
Например, у равномернонамагниченного тороида магнитное поле не обнаруживается, но если в тороидесделать разрез (щель), то поле проявится. Суть этого явления легко понять, есливспомнить, что магнитное поле намагниченного тела создаётся микротоками,которые можно заменить элементарными магнитиками.
Полюсы этих магнитиковусловно можно рассматривать как магнитные заряды. В любом элементарном объёмеоднородно намагниченного тела присутствует равное количество северных и южныхполюсов (зарядов) этих магнитиков, так что суммарный магнитный заряд объёмаравен нулю и магнитное поле отсутствует.
Если теперь в однороднонамагниченном теле прорезать щель, то к одной грани щели окажутся выдвинутысеверные, а к другой грани – южные полюсы элементарных магнитиков (см. рис. 3).Эти грани оказываются как бы заряженными зарядами разного знака, которыесоздадут магнитное поле как в щели, так и в самом теле.
/>
Рисунок 3
Как следует из рисунка 3,поле наведенных зарядов и намагничивающее внешнее поле в щели имеют одинаковоенаправление, т.е. напряженность суммарного поля в щели увеличивается.
Внутри намагничиваемоготела поле наведенных зарядов и внешнее намагничивающее поле направленывстречно, т.е. внутри тела напряженность суммарного поля уменьшается.
Это явление вытекает и изформулы (6). Если ширина зазора δ≠0, то напряженность поля всердечнике /> меньше, чем приотсутствии зазора. Напряженность магнитного поля, создаваемого условнымимагнитными зарядами, будем называть напряженностью поля саморазмагничивания />, а эффект возникновения этогополя – эффектом саморазмагничивания
Таким образом, величинунапряженности суммарного поля в среде /> можно записать как:
/>,
где /> - коэффициент саморазмагничивания.
Если в намагниченном теле/> и /> постоянны, то и />( тело однородно намагничено), если не постоянны, то/> теряет смысл. Однородноенамагничивание можно реализовать в телах, имеющих форму тороида или эллипсоидавращения.
Это – практически важныеслучаи: форма магнитопровода головок магнитофонов близка к тороидальной,частицы магнитного порошка магнитных лент или дисков имеют форму, близкую кэллипсоиду.
Для эллипсоида сотношением осей 1: 8 коэффициент саморазмагничивания при намагничивании вдольбольшой оси равен 0.026, а вдоль малых осей – 0.487. Вообще:
/>.
Тогда для шара />.