книги из ГПНТБ / Брагинский, Г. И. Технология магнитных лент

поворота вектора намагниченности, что всегда требует больших напряженностей внешних полей, чем при смещении доменных сте­ нок. Поворот вектора намагниченности однодоменной частицы осу­ ществляется только в том случае, когда на нее действует внешнее поле достаточно большой напряженности для преодоления энерге­ тического барьера, обусловленного тем, что вектор при повороте должен пройти направление трудного намагничивания.

Энергетический барьер определяет коэрцитивную силу однодо­ менных частиц, которая всегда больше, чем для многодоменных ча­ стиц из того же материала. На рис. 8 показана экспериментальная зависимость коэрцитивной силы от размера частиц порошка железа. Однодоменной структуре (область II) соответствует максимальная

коэрцитивная сила [23]. При чрезмерно малых размерах частиц в них отсутствует спонтанная намагниченность. Для однодоменных частиц игольчатой формы коэрцитивная сила возрастает с увеличе­ нием анизотропии формы.

Изменение магнитного состояния однодоменной игольчатой ча­ стицы под воздействием внешнего магнитного поля зависит от угла между вектором напряженности поля и длинной осью частицы. Если направление поля совпадает с направлением спонтанной намагни­ ченности частицы, то ее намагниченность остается неизменной, а кри­ вая намагничивания J = f (Н) имеет вид прямой линии, параллель­ ной оси Н. Если направление вектора напряженности внешнего поля совпадает с осью легкого намагничивания, но противоположно направлению вектора спонтанной намагниченности частицы, то при условии, что напряженность внешнего поля достаточно велика, частица перемагнитится.

На рис. 9, а показана петля гистерезиса, характеризующая из­ менение намагниченности однодоменной частицы при воздействии циклически изменяющегося поля [27]. Исходное магнитное состоя­ ние характеризует точка 1. Пока напряженность внешнего поля,

31

возрастая, все еще остается меньше коэрцитивной силы частицы,

еенамагниченность не изменяется (точки 2 и 3). Когда же напряжен­ ность поля достигает величины коэрцитивной силы частицы Н с, про­ исходит мгновенное «опрокидывание» намагниченности, т. е. вектор

еенамагниченности изменяет свое направление на противоположное (точка 4). Если затем внешнее поле уменьшается до нуля, намагни­ ченность частицы остается постоянной (точки 4 и 5). При последу­ ющем воздействии постоянно возрастающего поля противополож­ ного направления намагниченность не будет изменяться, пока на­ пряженность не достигнет величины —Н с (точка 6). При этом сила

поля окажется достаточной для преодоления энергетического барь­

изменение направления ее намагничивания. Новое магнитное со­ стояние характеризует точка 7, при уменьшении напряженности поля до нуля намагниченность частицы остается постоянной и кри­ вая намагниченности вернется в исходную точку 1.

Таким образом, петля гистерезиса, по которой происходит перемагничивание однодоменной одноосной частицы под воздействием внешнего ноля, совпадающего по направлению с осью легкого на­ магничивания, имеет прямоугольную форму.

Если направление внешнего магнитного поля не совпадает с на­ правлением легкого намагничивания однодоменной частицы, то петля гистерезиса, характеризующая изменение ее магнитного со­ стояния, утрачивает прямоугольную форму (рис. 9, б). Участки петли, расположенные между точками 1—2 и 5—6, соответствуют процессу обратимого и небольшого поворота вектора намагничен­ ности частицы в направлении приложенного поля. Крутые ветви петли между точками 2—3 и 6—7 характеризуют мгновенный и не­ обратимый поворот вектора намагниченности, который происходит, когда внешнее поле достигает определенного критического значения. Такое «опрокидывание» вектора намагниченности частицы происхо­ дит и оказывается необратимым при условии, что новое направление вектора намагниченности ближе к направлению напряженности внешнего поля, чем его исходное положение. Если угол между направлением напряженности поля и вектором спонтанной намаг­ ниченности частицы меньше 90°, то необратимого изменения напра­ вления намагниченности частицы на 180° не происходит. При этом осуществляется лишь некоторый поворот вектора намагниченности в сторону направления напряженности поля, однако этот процесс обратим: когда внешнее поле уменьшится до нуля, намагниченность частицы вернется к исходному значению.

Коэрцитивная сила однодоменных частиц, определяющая то значение напряженности внешнего поля, при котором происходит необратимое изменение направления вектора намагниченности ча­ стицы на противоположное, зависит от взаимной ориентации поля и оси частицы. Коэрцитивная сила максимальна, когда напра­ вление внешнего поля совпадает с осью легкого намагничивания частицы.

32

Для однодомениых частив; игольчатой формы коэрцитивная сила определяется выражением [11, 27]:

He= K ( N d- N t ) J s

где N d и N I — коэффициенты размагничивания при намагничивании частицы вдоль ее длинной оси (Nt) и в направлении, перпендикуляр­ ном ее длинной оси (Nd); К — коэффициент, зависящий от угла между длинной осью частицы и вектором напряженности намагни­

Таким образом, неоднородные по геомет­ рическим параметрам и различно ориентиро­

между собой, то намагниченность образца порошкового ферромагне­ тика, обусловленная воздействием внешнего магнитного поля, опре­ деляется суммой составляющих векторов намагниченности всех частиц, входящих в данный образец. Магнитные свойства порошко­ вого ферромагнетика определяются суммированием магнитных свойств отдельных частиц. Очевидно, что предельная гистерезисная петля порошкового ферромагнетика при хаотическом распределении осей легкого намагничивания составляющих его частиц всегда будет отличаться от прямоугольной [27]. Коэрцитивная сила образца ферромагнетика с дезориентированными частицами будет меньше максимального значения коэрцитивной силы отдельной однодомен­ ной частицы, ось легкого намагничивания которой совпадает с напра­ влением внешнего поля. Так, для совокупности не взаимодейству­ ющих между собой хаотически расположенных частиц:

Нс *=&0,48 (Nd - N i ) Js

По ряду соображений, о которых будет сказано в соответству­ ющем разделе (см. стр. 61), желательно, чтобы форма петли гистере­ зиса ферромагнетика рабочего слоя лент приближалась к прямо­ угольной. Петля гистерезиса порошкового ферромагнетика, которая определяется суммой петель гистерезиса всей совокупности частиц, может иметь прямоугольную форму при условии, что все частицы порошка имеют совершенно одинаковые и прямоугольные петли.

Для этого частицы порошка должны быть однородны по форме и раз­ мерам, причем их размеры должны соответствовать однодоменной маг­ нитной структуре.

Кроме того, для того чтобы обеспечить приближение формы петли гистерезиса к прямоугольной, в тех­ нологии изготовления магнитных лент с рабочими слоями из порошко­ вых ферромагнетиков применяют при­ нудительную ориентацию частиц. При ориентации оси легкого намаг­

ничивания частиц располагаются в том направлении, в котором ферромагнетик будет намагничиваться в процессе использования ленты.

На рис. 11 показаны предельные петли гистерезиса порошкового ферромагнетика, содержащего игольчатые частицы гамма-окиси железа, в одном случае ориентированные, а в другом — не ориен­ тированные. Чем выше однородность частиц порошка и чем боль­ шая часть их ориентирована в направлении внешнего поля, тем более прямоугольна петля гистерезиса и больше крутизна ее боко­ вых ветвей.

2.2. МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ СИГНАЛОВ

2.2.1. Принцип записи сигнала

В основе магнитной записи сигналов лежат необратимые изменения магнитного состояния ферромагнетиков в результате воз­ действия внешнего магнитного поля, т. е. присущее им явление ги­ стерезиса. Если на отдельные участки ферромагнитного тела воздей­ ствуют магнитные поля с различной по величине и направлению напряженностью, то в этих участках возникает различная остаточ­ ная намагниченность.

Магнитная запись электрического сигнала, изменяющегося во времени, осуществляется следующим образом. Записывающее уст­ ройство создает магнитное поле, изменяющееся во времени в соот­ ветствии с записываемым сигналом, а носитель записи из ферро­ магнитного материала перемещается с постоянной скоростью от­

34

Роль записывающего устройства выполняет магнитная головка, представляющая собой электромагнит, ферромагнитный сердечник которого имеет немагнитный зазор (рис. 12). По обмотке головки проходит ток записываемого сигнала. При этом в сердечнике со­ здается магнитный поток. Вблизи зазора головки часть магнитного поля замыкается по воздуху с внешней стороны сердечника. Ферро­ магнитный носитель в виде ленты или проволоки равномерно про­ двигается, плотно прилегая к поверхности записывающей головки в области немагнитного зазора.

Рис. 12. Схема процесса записи магнитной сигналограммы и воспроизведения с нее сигнала:

в поле записывающей головки, намагничивается и, выходя за пре­ делы поля, сохраняет остаточную намагниченность. Так как магнит­ ное поле, создаваемое головкой, изменяется во времени по закону записываемых колебаний, остаточная намагниченность изменяется вдоль направления движения носителя. Носитель, несущий такой след, называют сигналограммой *.

При записи периодического сигнала в течение одного периода магнитное поле головки записи дважды меняет направление. Соот­ ветственно этому за каждый период записываемого колебания на магнитной сигналограмме образуются два участка, намагниченных в противоположных направлениях. В первом приближении магнит­ ную сигналограмму можно представить в виде цепочки магнитиков, ориентированных одноименными полюсами навстречу друг другу.

Магнитная сигналограмма, создавая магнитное поле, делает возможным последующее воспроизведение, т. е. получение электри­ ческого сигнала, изменяющегося во времени подобно записанному. Для воспроизведения носитель с магнитной сигналограммой должен передвигаться с постоянной скоростью, равной скорости его

* Носитель с записанным звуковым сигналом называют фонограммой.

передвижения при записи, относительно воспроизводящей магнитной головки. Воспроизводящая магнитная головка, подобно записыва­ ющей, имеет незамкнутый ферромагнитный сердечник с обмоткой. При соприкосновении носителя записи с воспроизводящей головкой в области зазора последней магнитная сигналограмма создает в сер­ дечнике головки магнитный поток, изменяющийся при движении сигналограммы (см. рис. 12). При этом в обмотке воспроизводящей головки индуцируется электродвижущая сила в соответствии с из­ менениями магнитного поля сигналограммы.

Рассмотрим в качестве примера функциональную схему записи и воспроизведения сигналов звуковой частоты (рис. 13). Кроме запи­ сывающей и воспроизводящей головок в тракт записи включается стирающая головка, с помощью которой носитель записи размагни­ чивается. Это позволяет многократно использовать носитель записи.

J

Рис. 13. Схема записи и воспроизведения сигналов звуковой частоты:

1 — м икр о ф он ; 2 , 7 — уси л и те л ь ; з — м а г н и т н а я л ен та ; 4 — с т и р а ю щ а я г о л о в к а ; 5 — з а п и с ы в а ю щ а я го л о в к а ; 6 — в о с п р о и з в о д я щ а я г о л о в к а ; 8 — г р о м ­ к о го в о р и те л ь .

Как уже говорилось, в качестве носителей записи применяют: проволоку, металлические ленты, диски и барабаны, на поверхность которых нанесен ферромагнитный слой, а также однослойные маг­ нитные ленты, содержащие магнитный порошок, распределенный в их объеме. Однако наиболее широкое применение находят двух­ слойные магнитные ленты, технологии которых посвящена эта книга.

Основные характеристики магнитной сигналограммы. Магнитная сигналограмма оценивается величиной остаточной намагниченности пли остаточного магнитного потока, которые изменяются вдоль направления движения носителя по закону записанного сигнала.

Допустим, что по обмотке записывающей магнитной головки проходит ток, изменяющийся во времени по синусоидальному за­ кону:

1= Іо sin g>*

где ш = 2л/ — круговая частота записываемого сигнала; / — частота сигнала, т. е. число колебаний в единицу времени.

36

Напряженность магнитного поля, возникающего при этом вблизи зазора сердечника головки, в первом приближении будет изменяться по тому же закону:

t f = tf0sin ш

Это поде намагничивает носитель записи, причем в каждый мо­ мент времени t поле воздействует на участок носителя, который от­ стоит от начала сигналограммы (соответствующего t = 0) на вели­ чину X = v.J, где ѵл — скорость относительного движения магнит­ ная лента — головка записи. При условии линейной зависимости между остаточной намагниченностью, возникающей в рабочем слое ленты, и напряженностью воздействующего поля остаточная намаг­ ниченность сигналограммы определится как:

X

J = J o sin £0 —

ѵз

т. е. / изменяется вдоль сигналограммы (в зависимости от коорди­ наты X) по закону записанного сигнала. Амплитуда остаточной на­ магниченности J 0 пропорциональна амплитуде тока в обмотке за­ писывающей головки. По тому же закону в сигналограмме изме­ няется остаточный магнитный поток, который при идеализированных условиях равномерного намагничивания рабочего слоя ленты по толщине определяется выражением:

Фг= аЬро^о s'n 03 —

где а — толщина рабочего слоя ленты; Ъ — ширина сигналограммы;

ной ленты, который проходит мимо головки записи в течение одного периода записываемых колебаний. Другими словами, это отрезок по длине сигналограммы, на котором записывается один цикл коле­ бания. Этот отрезок, на котором образуются два магнитика, намаг­ ниченных в противоположных направлениях, называют длиной волны записи и обозначают буквой % (см. рис. 12). Длина волны за­ писи зависит от частоты записываемых колебаний и от скорости дви­ жения магнитной ленты относительно головки. Величину обратную X, равную f/vз, называют продольной плотностью записи. Это число полных колебаний, записываемых на единице длины сигналограммы. С увеличением плотности записи, при заданной частоте записыва­ емого сигнала, уменьшается длина волны записи А,.

Далее будет показано (см. стр. 55), что с уменьшением длины волны записи уменьшается величина сигнала, воспроизводимого

37

с сигналограммы. Поэтому минимальная длина волны записи, обеспе­ чивающая надежную передачу сигнала, не может быть сколь угодно малой, а следовательно, ограничено также максимально допустимое значение продольной плотности записи. Поэтому при записи сигналов высокой частоты необходимо использовать большие скорости движе­ ния магнитной ленты относительно записывающей головки.

Значение допустимой продольной плотности записи в значитель­ ной мере определяется геометрическими и магнитными параметрами магнитной ленты. Так, в первые годы использования магнитной записи, когда в качестве носителя применяли проволоку из углеро­ дистой стали, максимально допустимая продольная плотность за­ писи не превышала 2—3 кол/мм, и для записи сигналов с частотой до 4—5 кГц приходилось использовать скорость движения проволоки 1,5—2 м/с. В пятидесятых годах для записи сигналов с частотой до 8—10 кГц применяли скорость движения магнитной ленты 762 мм/с

мин = 0,07 мм, продольная плотность записи гсмакс = 14—15 кол/мм). В настоящее время за счет улучшения записывающих и воспроизво­ дящих головок, а главное, за счет значительного повышения качества магнитных лент допустимое значение продольной плотности дости­ гает 200—300 кол/мм (Я,МИк «=* 3—5 мкм). Это позволяет снизить скорость движения магнитной ленты при записи до 95,3 мм/с и даже до 47,6 мм/с при диапазоне записываемых частот до 15 кГц.

Впроцессе воспроизведения электрический сигнал, получаемый

вобмотке воспроизведения, пропорционален остаточному магнит­ ному потоку на участке сигналограммы, взаимодействующем с го­

ловкой:

е = К Ф г

где К — коэффициент пропорциональности. Следовательно:

где X — координата длины сигналограммы.

При постоянной скорости движения сигналограммы относительно воспроизводящей головки ѵъ значение х можно определить по фор­

т. е. будем полагать, что сигналограмма воспроизводится сначала.

Следовательно, воспроизводимый электрический сигнал изме­ няется во времени по тому же закону, что и записываемый. Сравнивая выражения (4) и (1), видим, что частота сигнала, получаемого при воспроизведении, определяется как f v j v 3 и равна частоте записан­ ного сигнала при условии равенства скоростей движения ленты

38

в процессе записи и воспроизведения. Величина амплитуды воспро­ изводимого сигнала, как это следует из выражения (4), зависит от амплитуды остаточной намагниченности сигналограммы, толщины рабочего слоя ленты а , ширины сигналограммы b и коэффициента К.

Воспроизводимый сигнал всегда должен быть возможно большим. Поэтому материал носителя записи должен иметь возможно большую остаточную намагниченность насыщения. Для увеличения сигнала желательно увеличивать ширину сигналограммы, однако следует иметь в виду, что при этом возрастает объем носителя записи. Тол­ щина рабочего слоя ленты а влияет на условия воспроизведения, и ее увеличение повышает воспроизводимый сигнал только при боль­ ших значениях длины волны записи, когда отношение а/Х стремится к нулю.

При значениях а и X сравнимых по величине уменьшается коэф­ фициент К, входящий в выражение (4). Поэтому толщину рабочего слоя магнитных лент делают малой (3—20 мкм). В современных устройствах величина сигнала, получаемого на выходе головки воспроизведения, обычно не превышает нескольких милливольт.

Требования, предъявляемые к системам магнитной записи и вос­ произведения. Система магнитной записи и последующего воспроиз­ ведения должна обеспечить неискаженную передачу сигнала, т. е. электрический сигнал, получаемый на выходе воспроизводящего устройства, должен быть подобен записанному сигналу.

Выше была показана возможность такого подобия, однако это было сделано для случая, когда процессы преобразования сигнала подчиняются линейным законам. Так, предполагалась линейность зависимости между током в обмотке головки записи и напряжен­ ностью поля, а также между напряженностью поля и остаточной намагниченностью, возникающей в носителе записи. В реальных же устройствах для магнитной записи и воспроизведения условия линей­ ности выполняются лишь в ограниченных пределах и возникают искажения, за счет которых воспроизводимый сигнал несколько отличается от записанного.

Основными характеристиками переменного электрического сиг­

с различными амплитудами и фазами и с частотами кратными частоте основного тона, равной частоте сложного периодического сигнала. Такое представление сложного сигнала в виде суммы синусоидальных составляющих называют спектральным разложением. Амплитудночастотный спектр сигнала определяет частоты синусоидальных соста­ вляющих, входящих в сложный сигнал, и соотношение между их амплитудами. Спектр сложного сигнала, выражаемый периодической функцией времени, определяется разложением этой функции в ряд Фурье, а также может быть определен экспериментально с помощью так называемых анализаторов.

Диапазон частот, в котором сосредоточены синусоидальные со­ ставляющие спектра сигнала, различен для разных сигналов.

39

Например, спектр сигналов речи сосредоточен в пределах частотного диапазона от 80 до 8000 Гц; частотный диапазон звуков музыки зна­ чительно шире и лежит в пределах от 30 до 17 000 Гц, а спектр так называемого видеосигнала, который получается при передаче теле­ визионного изображения, простирается от 0 до 6 500 000 Гц.

Для получения неискаженной передачи спектр сигнала, воспроиз­ водимого с сигналограммы, должен быть идентичным спектру запи­ сываемого сигнала, т. е. должен содержать те же частотные составля­ ющие и соотношение между амплитудами частотных составляющих должно оставаться неизменным (абсолютная величина амплитуд составляющих в воспроизводимом сигнале может отличаться от их величины в записываемом сигнале). Изменение спектра сигнала при передаче возникает за счет частотных и нелинейных искажений.

другие частоты. В результате частот­ ных искажений изменяется соотношение между амплитудами состав­ ляющих спектра сигнала.

Тракт записи и воспроизведения сигналов в целом, записывающее и воспроизводящее устройства в отдельности, а также носитель записи с точки зрения частотных искажений оцениваются частотной характеристикой. Частотная характеристика представляет собой зависимость амплитуды синусоидального сигнала на выходе прибора от частоты при условии, что амплитуда сигнала, подводимого на вход прибора, постоянна на всех частотах. Прибор не вносит частотных искажений, если его частотная характеристика имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс, по которой откладывают частоты (обычно в логарифмическом масштабе). Изменения спектра сигнала зависят от степени неравномерности частотной характеристики.

Величину сигнала на выходе прибора на определенной частоте, например 400 Гц, принимают за нулевой уровень, и величина изме­ нения выходного сигнала относительно этого нулевого уровня опре­ деляется следующим соотношением:

т= 20 lg ■ Af

^ f= 4 0 0

где Af — амплитуда выходного сигнала на частоте /; А^_ 400 — амплитуда выходного сигнала на частоте 400 Гц при постоянной величине входного сигнала.

На рис. 14 в качестве примера приведена частотная характери­ стика магнитофона. Для ее определения на вход усилителя записи от генератора подводят сигналы разной частоты с постоянной ампли­

40