Магнітний запис інформації

Магнітний запис інформації

 

Введення

 

Перші вказівки на можливість реєстрації електричних сигналів на магнітному носії відносяться до 1887 р. (П. Жане) - 1888 р. (О. Сміт). Однак, перший діючий апарат для магнітного запису і відтворення звуку був створений датським інженером Вольдемаром Поульсеном.

 

Апарат був названий телеграфоном і був запатентований в 1898 році. В якості носія в апараті була використана сталевий дріт діаметром 0.5 - 1.0 мм, намотана на немагнітний циліндр, діаметр якого 120 мм і довжина 380 мм.

 

У процесі запису валик обертався і друкарська головка ковзала по витків дроту, намагнічуючись її. Сталева дріт володіла низькою коерцитивною силою, високою залишковою індукцією і великим діаметром, що дозволило здійснити магнітну запис без посилення сигналів. В якості джерела сигналів використовувався вугільний мікрофон, а при відтворенні головка з'єднувалася з телефоном.

 

Швидкість руху носія була близько 2 м / с. Основним недоліком сталевого носія була велика маса на одиницю часу запису (у 1908 р. на запис доповідей конференції в Копенгагені в протягом 14 годин було витрачено близько 100 кг дроту).

 

У 1925 р. І. Крейчману (СРСР) і в 1928 р. Ф. Пфлеймеру (Німеччина) були видані патенти на носій у вигляді гнучкої немагнітної стрічки, на яку завдано робочий шар з феромагнітного порошку.

 

 З 1932 р. стрічку почали робити з ацетілцелулези, а робочий шар - з карбонільного заліза.

 

У 1934 р. німецька фірма «IG Farben» випустила першу промислову партію магнітної стрічки. У цей же час були створені досить ефективні підсилювачі для запису і відтворення сигналів і кільцеві магнітні головки.

 

Апарат для запису сигналів на порошкові стрічки отримав назву магнітофон.

 

Професійна апаратура магнітного запису почала використовуватися в радіомовленні з 40-х років.

 

50-ті роки минулого століття - період інтенсивного розвитку магнітного запису. Розпочато випуск побутових магнітофонів (один з перших - котушковий магнітофон «Дніпро»). З 1952 р. магнітну запис починають застосовувати для зберігання інформації в ЕОМ. З 1956 р. магнітофони почали застосовувати для запису телевізійних програм

 

З 1962 р. для зберігання інформації в ЕОМ починають використовувати магнітні диски. У 1963 р фірма «Philips» розробила і випустила компакт-касету, з'являються касетні магнітофони. У 1967 р. випущений перший в СРСР касетний магнітофон «Десна».

 

У 1965 р. в технічній лабораторії японської радіомовної компанії NHK розпочато планомірні дослідження системи звукозапису із застосуванням імпульсно-кодової модуляції, а в 1967 р. продемонстрований перший у світі цифровий звукозаписний апарат.

 

У 1984 р. з'явився новий носій - магнітний диск для перпендикулярного магнітного запису, який забезпечує високу (теоретично - до 20000 біт / мм) щільність запису.

 

У другій половині 80-х р.р. з'являються побутові відеомагнітофони (перший вітчизняний відеомагнітофон побутового призначення - «Електроніка ВМ-12»). У 1987 р. прийнятий стандарт на систему цифрового запису R - DAT (Digital Audio Tape) і почався продаж цифрових магнітофонів.

 

У цей же час завдяки спільним зусиллям фірм PHILIPS та SONY розроблений стандарт оптичного запису сигналів на компакт-диск (CD) і розпочато випуск відповідної апаратури. Система «компакт-диск» (а згодом і система DVD) почала витісняти системи магнітного запису.

 

Однак, і сьогодні на студіях радіо-і телевізійного мовлення зберігається величезна кількість фонограм і відеофільмів, експлуатується велика кількість магнітофонів.

 

На студіях і в побуті використовуються відеокамери. У обчислювальних пристроях широко застосовується зберігання інформації на жорстких магнітних дисках. Тому в наші дні магнітна запис інформації не втрачає своє значення. Цьому сприяють такі властивості магнітного запису:

 

• магнітна запис дозволяє негайно відтворити записаний сигнал (наприклад, для контролю якості запису);

 

• забезпечує високу якість запису;

 

• допускає практично нескінченно велику кількість повторних відтворень без втрати якості;

 

• простота експлуатації апаратури;

 

• можливість монтажу фонограм;

 

• можливість тиражування;

 

• можливість тривалого зберігання;

 

• найнижча вартість виробництва запису.

 

 

До недоліків магнітного запису можна віднести:

 

• наявність спотворень за рахунок копіреффекта;

 

• відносно невеликий термін служби магнітних головок через абразивного дії носія;

 

• можливість погіршення якості і, навіть, повного знищення запису при впливі зовнішніх магнітних полів, різких змін температури або механічних впливів.

 

 

1. Основи магнітного запису

 

Магнітний запис електричних сигналів заснована на здатності деяких феромагнітних матеріалів намагнічуватися під дією зовнішнього магнітного поля і зберігати набуту намагніченість практично нескінченно довго. Матеріали, що володіють такою властивістю, називають магнітно-жорсткими.

 

Процес запису здійснюється наступним чином. Намагнічує поле створюється електромагнітом, по обмотці якого протікає струм, що змінюється в часі за законом записуваного сигналу. Цей електромагніт є пишучим елементом, його називають записуючої голівкою.

 

Конструкція головки така, що її магнітне поле має мінімальну протяжність у просторі при необхідній величині напруженості магнітного поля Н.

 

У магнітному полі головки рівномірно рухається носій - магнітна стрічка, диск або дріт. У кожен момент часу на ділянку носія, що знаходиться в магнітному полі головки, діє магнітне поле, напруженість якого пропорційна миттєвому значенню струму в обмотці голівки.

 

Після виходу цієї ділянки носія з магнітного поля головки, ділянку зберігає намагніченість, пропорційну величиною миттєвого значення струму. Так утворюється магнітна сигналограмма.

 

При відтворенні магнітна сигналограмма рівномірно простягається повз електромагніту, який називають відтворюючої голівкою. Кожна ділянка намагніченого носія створює в осерді відтворюючої голівки магнітний потік.

 

При русі носія магнітний потік змінюється і його зміни створюють в обмотці е.р.с., яка відтворює закон зміни записаного на носій сигналу.

 

Розглянемо тепер більш детально процеси, що відбуваються при магнітного запису і відтворення інформації. Перш за все нагадаємо деякі поняття та рівняння фізики, пов'язані з розділом «Магнітне поле».

 

2. Основні відомості про магнітні явища

 

Магнітне поле виникає при русі електричних зарядів. У мікроскопічному сенсі воно існує як результат руху електронів та інших заряджених частинок.

 

Макроскопічне магнітне поле створюється струмами в провідниках або намагніченими матеріалами.

 

Магнітне поле у вакуумі описують векторами магнітної індукції і напруженості магнітного поля , Які пов'язані між собою співвідношенням:

 

 , (1)

 

де - Вектор магнітної індукції в Вб / м 2 (Тл),

 

 - Вектор напруженості магнітного поля в А / м,

 

 Гн / м - магнітна стала.

 

Для опису магнітних полів в магнітних матеріалах вводять ще вектор намагніченості , Який вимірюють в А / м. Тоді:

 

 (2)

 

Намагніченість можна представити як:

 

 , (3)

 

де - Залишкова намагніченість,

 

 - Магнітна сприйнятливість.

 

З урахуванням (1.3) вираз (1.2) можна переписати так:

 

 , (4)

 

де - Відносна магнітна проникність середовища.

 

Твір називають абсолютною магнітною проникністю середовища. У загальному випадку магнітна сприйнятливість і, отже, і не є постійними величинами, а залежать від напруженості магнітного поля , Тобто залежність і від - Нелінійна. Графіки залежності називають кривими намагнічування матеріалу. Приблизний вигляд кривих намагнічування показаний на мал. 1.

 

Розмагніченості матеріал намагнічується по кривій 1, яку називають кривою початкового намагнічування. При збільшенні напруженості намагнічує поле намагніченість наближається до значення -Намагніченості насичення.

 

Якщо тепер зменшувати напруженість магнітного поля , То намагніченість матеріалу буде змінюватися по кривій 2. При значенні напруженості поля намагніченість матеріалу буде відрізнятися від 0. Це значення намагніченості матеріалу називають залишковою намагніченістю і позначають .

 

Щоб зменшити намагніченість матеріалу до нуля, необхідно докласти магнітне поле зворотного знаку - . Чисельне значення напруженості називають коерцитивною силою.

 

При подальшій зміні напруженості поля в бік її зменшення намагніченість матеріалу стремтся до значення - . Тепер почати збільшувати напруженість магнітного поля , То зміна намагніченості слідуватиме кривій 3.

 

Крива намагнічування утворює петлю, яку називають граничною петлею гістерезису матеріалу. Якщо матеріал не намагнічувати до насичення, то криві намагнічування утворюють петлі, що розташовуються всередині граничної петлі гістерезису.

 

Маючи залежність неважко побудувати графік залежності , Використовуючи для цього вираз (4).

 

 

Малюнок 1

 

Закон Босанквета (закон Ома для магнітного ланцюга)

 

Нехай на кільцевому сердечнику, що має повітряний зазор δ, намотана котушка, яка містить w витків дроту, по яких тече постійний струм силою I. Визначимо магнітний потік в сердечнику, створюваний цим струмом (див. рис. 2).

 

Для цього скористаємося першим рівнянням Максвелла в інтегральній формі (законом повного струму):

 

 .

 

Проведемо контур інтегрування L так, щоб він збігся з одного з силових ліній вектора напруженості магнітного поля . Тоді:

 

 , (5)

 

тому що , То .

 

Підставимо значення , Знайдене з цієї рівності у вираз (5):

 

 

У цих висловлюваннях l - довжина силової

 

лінії в сердечнику, μ r - відносна

 

магнітна проникність осердя,

 

 - Напруженість магнітного поля в сердечнику, - Напруженість магнітного поля в зазорі сердечника. З останнього виразу знаходимо :

 

 (6)

 

Знаючи напруженість магнітного поля в сердечнику, можна визначити магнітну індукцію:

 

 

і магнітний потік:

 

 , (7)

 

де S - площа поперечного перерізу осердя.

 

Вираз (7) за структурою нагадує вираз закону Ома:

 

 ,

 

де е - електрорушійна сила, - Опір, - Сила струму. За аналогією вираз (1.7) називають «законом Ома для магнітного ланцюга» або законом Босанквета. Твір називають магніторушійної силою, а величину - Магнітним опором ділянки магнітного ланцюга довжиною і площею перерізу .

 

3. Явище саморазмагнічіванія

 

Магнітне поле намагніченого тіла існує в зовнішньому по відношенню до тіла простору тільки в тому випадку, якщо є неоднорідність або розрив ліній вектора намагніченості . Це легко перевірити експериментально.

 

Наприклад, у рівномірно намагніченого тороіда магнітне поле не виявляється, але якщо в тороід зробити розріз (щілину), то поле проявиться. Суть цього явища легко зрозуміти, якщо згадати, що магнітне поле намагніченого тіла створюється мікрострумами, які можна замінити елементарними магнітиками.

 

Полюси цих магнітиків умовно можна розглядати як магнітні заряди. У будь-якому елементарному обсязі однорідно намагніченого тіла присутній рівну кількість північних і південних полюсів (зарядів) цих магнітиків, так що сумарний магнітний заряд обсягу дорівнює нулю і магнітне поле відсутнє.

 

Якщо тепер в однорідно намагніченому тілі прорізати щілину, то до однієї грані щілини виявляться висунуті північні, а до іншої межі - південні полюси елементарних магнітиків (див. рис. 3). Ці грані виявляються як би зарядженими зарядами різного знаку, які створять магнітне поле як в щілині, так і в самому тілі.

 

Малюнок 3

 

Як випливає з рисунку 3, поле наведених зарядів і намагничивающей зовнішнє поле в щілини мають однаковий напрямок, тобто напруженість сумарного поля в щілині збільшується.

 

Усередині намагнічує тіла полі наведених зарядів і зовнішнього що намагнічує поле спрямовані зустрічно, тобто всередині тіла напруженість сумарного поля зменшується.

 

Це явище випливає і з формули (6). Якщо ширина зазору δ ≠ 0, то напруженість поля в сердечнику менше, ніж при відсутності зазору. Напруженість магнітного поля, створюваного умовними магнітними зарядами, будемо називати напруженістю поля саморазмагнічіванія , А ефект виникнення цього поля - ефектом саморазмагнічіванія

 

Таким чином, величину напруженості сумарного поля в середовищі можна записати як:

 

 ,

 

де - Коефіцієнт саморазмагнічіванія.