1. Магнетики

Речовини, які здатні змінювати індукцію магнітного поля, в якому вони знаходяться називаються магнетиками. В магнітному полі магнетики намагнічуються, в результаті чого створюють власне магнітне поле, що і є причиною зміни сумарного поля. Процес намагнічування магнетика полягає у впорядкуванні просторової орієнтації атомів і молекул, з яких складається магнетик. В найпростішій моделі намагнічування магнетика – моделі елементарних струмів – атом розглядається як система, яка складається із позитивного ядра і електронів, які рухаються навколо нього по коловим орбітам. Ці електрони еквівалентні круговим струмам і тому кожний атом може розглядатись як рамка зі струмом, подібно до рамки, яка розглядається в курсі електромагнетизму.

Для кількісної оцінки стану намагнічення зразка вводять поняття вектора намагнічення

, (3)

який дорівнює сумі магнітних моментів в одиниці об’єму зразка.

Експеримент показує, що за характером залежності вектора від напруженостізовнішнього намагнічуючого поля магнетики поділяються на три класи: діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики.

Діамагнетики, до яких відносяться, наприклад, мідь, свинець, срібло, вода тощо, намагнічуються так, що вектори істають антипаралельними. Парамагнетики ж, до яких відносяться платина, алюміній, кисень тощо, намагнічуються так, що векториіспівпадають. Причому і для діамагнетиків, і для парамагнетиків в широкому діапазоні практично застосовуванихзберігається прямопропорційна залежність

, (4)

де <0 для діамагнетиків і>0 для парамагнетиків. Величинаназиваєтьсякоефіцієнтом магнітної сприйнятливості. На практиці частіше користуються величиною

, (5)

який називається коефіцієнтом магнітної проникності речовини.

Нарешті, третій клас магнетиків – феромагнетики – відрізняється складною нелінійною і неоднозначною залежністю вектора від. Ці вектори в загальному випадку не колінеарні. Крім того магнітні властивості феромагнетиків часто залежать від взаємної орієнтації зовнішнього намагнічуючого поля і магнітного поля зразка – феромагнетики анізотропні.

Прикладами феромагнетиків є залізо, кобальт, нікель, магнетит, ферит тощо.

Які ж основні властивості феромагнетиків, що відрізняють їх від діа- і парамагнетиків? До них можна віднести:

1. величина коефіцієнта , а значить і, значно перевищує одиницю, досягаючи значень ~ 10⁶. Крім того, ці коефіцієнти є тензорними величинами, так що напрямки ів загальному випадку не співпадають;

2. на відміну від парамагнетиків, феромагнетики намагнічуються до насичення вже в слабких полях;

3. магнітна проникливість феромагнетика залежить від напруженості намагнічуючого поля (рис. 1.2): спочатку швидко зростає із збільшенням Н, досягає максимуму, а потім спадає, прямуючи до одиниці в сильних полях.

4. залежність індукції магнітного поля зразка В від напруженості зовнішнього магнітного поля Н (рис. 1.3) має гістерезисний характер.

Властивості феромагнетиків пояснюються наявністю в них областей, які у відсутності зовнішнього поля спонтанно намагнічені до насичення; ці області називаються доменами. Розміри доменів ~ ()м. Розташування і намагніченість доменів такі, що у відсутності зовнішнього поля сумарна намагніченість дорівнює нулю. В зовнішньому полі вектори намагніченості доменів частково повертаються в напрямку поля і феромагнетик намагнічується.

1.2. Фізичні основи принципу запису на магнітний носій та читання з нього.

В основі магнітного запису лежить явище зберігання залишкової намагніченості феромагнітного робочого шару. Найпростіша головка запису представлена на рис. 1.4.

Рис.1.4. Найпростіша головка запису.

Осердя такої головки повинне бути виготовленим з феромагнетику з якомога вужчою петлею гістерезису (наприклад, м’якого заліза). На осердя одягнена котушка. В обчислювальних машинах струм не є неперервний, а подається на котушку у вигляді коротких імпульсів. В котушці виникає магнітний потік Ф(t), який поширюється по осердю і попадає в його щілину – зазор між торцями осердя. Цієї частини осердя торкається рухомий робочий феромагнітний шар носія, що рухається з деякою швидкістю  відносно головки. Струм i(t), що протікає по обмотці, створює змінне магнітне поле з індукцією В(t), яка, при умові вузькості петлі гістерезису матеріалу осердя, достатньо точно повторює закон зміни струму i(t). Магнітне поле, розсіюючись в зазорі осердя, проникає всередину феромагнітного робочого шару, намагнічуючи його. Величина і напрямок вектора залишкової намагніченості М залежать від координати х і представляє функцію F₂(х), що несе записану інформацію. Оскільки х=t, то умовою неспотвореної інформації є:

, (6)

де , β, γ – постійні коефіцієнти.

Рис.1.5. Головка читання.

Для відтворення інформації магнітного запису служить головка читання, яка, якщо не вдаватися в деталі, аналогічна головці запису (див. рис.1.5).

При проходженні феромагнітного робочого шару, намагніченого за законом F₂(t), біля зазору головки читання зі швидкістю  потік магнітної індукції Ф, що пронизує обмотку котушки, змінюється в першому наближенні за законом , деk – постійний коефіцієнт пропорційності. Згідно з законом Фарадея в котушці головки виникає електрорушійна сила (е. р. с.) індукції ε_і:

, (7)

при чому кожному відтвореному імпульсу відповідає два імпульси ε_і(t) різної полярності. Індукційний струм котушки і_і(t), що відповідає прямокутним імпульсам ε_і(t), визначається наступними формулами:

1. за переднім фронтом імпульсу: ; (8)

2. за заднім фронтом (спадом) імпульсу:

. (9)

Тут - амплітудне значенняε_і(t), R – опір котушки, L – її індуктивність, С – стала.

За геометрією носія магнітна пам’ять поділяється на:

1. Пам’ять на магнітній дротині;

2. Пам’ять на магнітній стрічці (стрімер);

3. Феритова пам’ять;

4. Пам’ять на магнітних дисках.

1.3. Пам’ять на магнітних носіях

1.3.1.Пам’ять на магнітній дротині

Пам’ять на магнітній дротині (англ.: plated wire memory) використовувалась в магнітофонах до запровадження в якості носія магнітної стрічки. Вперше як носій інформації магнітна дротина була застосована в 1898 році в телеграфоні Паульсена. На циліндр, який міг обертатись з постійною частотою, щільно намотувався металевий дріт діаметром 0,5мм. Вздовж циліндра по направляючій рухалась електромагнітна головка зі швидкістю 2,1 м/c, яка могла намагнічувати певні ділянки дроту. Для відтворення записаного все відбувалось в зворотному напрямку.

Недоліком використання дроту в якості носія була проблема з’єднання окремих його кусків. З’єднання вузлом не підходило, оскільки вузол не проходив через магнітну головку. До того ж стальний дріт легко заплутувався, а альтернатива йому, – стальна стрічка, різала руки інженерів.

Зараз в основному пам’ять на магнітній дротині використовується в авіаційних „чорних скриньках”, оскільки цей носій має високу стійкість до зовнішнього впливу екстремальних температур, тисків, дії агресивних середовищ, тощо.