Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение

Подождите немного. Документ загружается.

Получив представление о процессах перемагничивания тонких пленок,

можно перейти к рассмотрению механизмов записи и считывания информации

на этих образцах.

6.8.2. Магнитная запись информации

Для осуществления записи информации применяются магнитные носите-

ли. Магнитный носитель состоит из основы, изготовленной из немагнитного

материала, на которую наносится магнитный слой. Этот слой служит для

накопления и сохранения информации и называется рабочим слоем. В качестве

носителя магнитной записи используют магнитные ленты, жесткие и гибкие

магнитные диски. Материал основы магнитных носителей должен обладать

вполне определенными физико-механическими свойствами. Так, у магнитной

ленты основа должна иметь высокую прочность на растяжение, хорошую

износостойкость, гладкую поверхность, равномерную толщину, быть эластич-

ной. Основным материалом для изготовления основы лент и гибких дисков

является полиэтилентерефталат (лавсан) [Котов Е.П., Руденко М.И.,1990].

Материалом основы жестких дисков является алюминиевый сплав. Он должен

быть пригоден для полировки, обладать высокой твердостью и износостойкос-

тью, в нем не должны образовываться микротрещины в процессе его обработки

[Котов Е.П., Руденко М.И.,1990]. В качестве запоминающей (регистрирую-

щей) среды в магнитных носителях используются ферролаковые рабочие слои.

Ферролаковый слой готовят путем введения в состав лака магнитного порош-

ка, который представляет собой систему, состоящую из микрочастиц размером

менее микрона. Частицы должны быть максимально однородными. Магнит-

ные поля, в которых перемагничиваются частицы, должны иметь близкие

значения. Поверхность частиц должна быть идеально гладкой. Наличие на

поверхности частиц различных неровностей, дефектов приводит к снижению

их магнитной однородности [Василевский Ю.А.,1989].

В магнитных носителях применяют магнитные порошки с частицами,

которые представляют собой в основном однодоменные образования. Коэрци-

тивная сила порошка должна быть достаточно большой. Кроме того, магнит-

ные порошки должны обладать высокими значениями намагниченности насы-

щения. Частицы порошка могут иметь разную форму: игольчатую, сферичес-

кую и пластинчатую. В настоящее время предпочтение отдают порошкам,

имеющим частицы игольчатой формы [Василевский Ю.А.,1989].

В носителях магнитной записи применяют следующие основные разно-

видности магнитных порошков: порошки гамма-оксида железа; гамма-оксида

железа, модифицированного кобальтом, диоксида хрома CrO

и металличес-

кие магнитные порошки железа и его сплавов [Василевский Ю.А.,1989].

При изготовлении магнитной ленты на гибкую движущуюся основу нано-

сится тонкий слой магнитного лака. После сушки широкая основа подвергает-

ся резке на ленты стандартной ширины.

401

Роль магнитной среды для записи информации могут также выполнять

сплошные металлические слои — пленки, которые наносятся на немагнитную

полимерную основу термическим испарением сплавов металла в вакууме.

Порошковые рабочие слои имеют толщину от 1 до 10-20 мкм. Толщина метал-

лических слоев порядка 0,1 мкм [Василевский Ю.А.,1989].

При изготовлении гибких дисков, как и в магнитных лентах, в качестве

рабочего слоя используют магнитные порошки, введенные в немагнитное

связывающее вещество, а также сплошные металлические слои. В порошковом

слое активный материал — порошок занимает 35-40% объема рабочего слоя,

остальное приходится на связывающую немагнитную среду. В сплошном ме-

таллическом слое эта немагнитная среда отсутствует. Поэтому намагничен-

ность насыщения такого слоя существенно выше, чем у порошкового, и он

может быть значительно тоньше, чем у лент с ферролаковым слоем при оди-

наковом значении сигнала воспроизведения. В итоге лента с металлическим

слоем обладает большей информационной емкостью на единицу объема.

6.8.3. Принцип магнитной записи

Система магнитной записи состоит из носителя записи и взаимодейству-

ющих с ним магнитных головок. На рис. 6.8.4 показаны носитель и головка

записи кольцевого типа. Головка состоит из сердечника с обмоткой. В сердеч-

нике имеется зазор шириной 0,1-10 мкм. При включении в обмотку тока записи

(входной сигнал) в области зазора возникает магнитное поле рассеяния (поле

записи), которое воздействует на прилегающую к головке область рабочего

слоя движущегося магнитного носителя, например магнитной ленты [Василев-

ский Ю.А.,1989].

Рис. 6.8.4. Процесс магнитной записи: 1 — носитель записи, 2 — головка за-

писи. Внизу показана последовательность участков с противоположным на-

правлением намагниченности

402

В цифровой магнитной записи, используемой в компьютерной технике, в

магнитную головку поступает ток, при котором поле записи через определен-

ные промежутки времени изменяет свое направление на противоположное. В

результате под действием поля рассеяния магнитной головки происходят на-

магничивание и перемагничивание отдельных участков движущегося магнит-

ного носителя. При периодическом изменении направления поля записи в

рабочем слое носителя возникает цепочка чередующихся участков с противо-

положным направлением намагниченности, которые соприкасаются друг с

другом одноименными полюсами (рис. 6.8.4). В итоге сигнал, поступающий в

головку записи, оставляет на движущемся носителе след, то есть магнитную

запись. Рассмотренный вид записи, когда участки рабочего слоя носителя

перемагничиваются вдоль его движения, называется продольной записью.

Носители магнитной записи с продольным намагничиванием -- магнитные

ленты, жесткие и гибкие магнитные диски - - составляют основную массу

используемых в мире накопителей информации. Они играют важнейшую роль

в современной науке, технике и промышленности, являясь одним из функци-

ональных элементов вычислительной техники [Котов Е.П., Руденко

М.И.,1990].

Чередующиеся участки, возникшие в металлизированном рабочем слое

(пленке), являются доменами. Чем меньше размер домена, тем выше плотность

записи информации. Однако с уменьшением размера доменов возрастает ве-

личина их размагничивающих полей, направленных в сторону, противополож-

ную намагниченности в доменах. Эти поля способствуют их перемагничива-

нию. В результате смещение доменных границ одиночных доменов происхо-

дит в полях, меньших по величине коэрцитивной силы Н

. С уменьшением

длины домена разница между и Н

увеличивается. Понижается устойчивость

домена к внешним полям. Из сказанного следует, что домен можно уменьшать

до некоторого минимального размера. При меньших размерах доменов размаг-

ничивающие поля становятся настолько значительными, что домен перемаг-

ничивается и исчезает. Происходит стирание информации. Минимальные раз-

меры домена, то есть размеры, при которых он еще устойчив при отсутствии

внешнего магнитного поля, зависят от параметров пленки, в частности боль-

шую роль играет коэрцитивная сила пленки. Увеличение Н

снижает влияние

эффекта саморазмагничивания и повышает устойчивость домена к действию

внешних магнитных полей. Поэтому с возрастанием величины Н

минималь-

ные размеры доменов становятся меньше.

Размер стабильного домена также зависит от толщины пленок d. С по-

нижением d ослабляются размагничивающие поля доменов и происходит

уменьшение их минимальных размеров при прежних значениях Н

. Поскольку

в металлических пленках отсутствует немагнитная связывающая среда, то, как

было отмечено выше, металлизированный рабочий слой носителя может иметь

меньшую толщину, чем ферролаковый. Поэтому в пленках можно реализовать

перемагниченные участки меньшего размера, а следовательно, обеспечить

большую информационную плотность записи. Из сказанного следует, что

403

магнитные пленки являются перспективным материалом и обладают достоин-

ствами, ценными при их использовании в технике магнитной записи.

Как мы уже отметили, после записи информации на магнитном носителе

остаются участки, обладающие разным магнитным состоянием. При двоичном

кодировании принято обозначать одно состояние цифрой 0, а другое — цифрой

1. Цифры 0 и 1 и соответствующие им участки носителя называются битами.

Определенная последовательность из фиксированного количества нулей и

единиц соответствует тому или иному символу, например: букве алфавита,

цифре, знаку препинания и т.д. Таким образом, создавая в рабочем слое носи-

теля нужную очередность намагниченных и перемагниченных участков,

можно осуществить запись информации.

6.8.4. Воспроизведение информации

Для воспроизведения записанной информации применяются магнитные

головки, которые называются воспроизводящими. Их устройство такое же, как

и головок записи. В накопителях на магнитных дисках в основном использу-

ются универсальные головки, то есть устройства, с помощью которых осу-

ществляются как запись, так и воспроизведение информации. Считывание

информации происходит при движении магнитного носителя относительно

головки воспроизведения. В этих условиях часть магнитного потока от участ-

ков носителя замыкается через сердечник магнитной головки. Во время дви-

жения носителя перед зазором головки проходят участки с противоположной

ориентацией намагниченности. Поэтому магнитный поток в сердечнике пери-

одически изменяется и в обмотке головки наводится ЭДС (выходной сигнал).

Таким образом, статическое распределение намагниченности в магнитном

слое носителя преобразуется в электрический сигнал.

6.8.5. Магнитные диски

В технике магнитной записи используются два вида магнитных дисков:

жесткие и гибкие. Жесткий магнитный диск представляет собой круглую

подложку толщиной около 1,5 мм, на обе стороны которой нанесен магнитный

рабочий слой. Толщина ферролаковых рабочих слоев 1-3 мкм, сплошных

металлических слоев -- до 1 мкм. Информация на дисках записывается на

дорожках, представляющих замкнутые концентрические окружности.

Накопители на магнитных дисках относятся к запоминающим устройст-

вам с произвольной выборкой информации. Это значит, что для отыскивания

и выборки заданной информации не требуется последовательно считывать всю

предшествующую информацию, как это надо делать на магнитных лентах

[Василевский Ю.А.,1989]. В результате существенно уменьшается время до-

ступа к содержащейся на дисках информации. Особенно широкое применение

в компьютерной технике получили гибкие магнитные диски (ГМД). Они ис-

404

пользуются для записи программ, обработки результатов, расчетов и различ-

ных измерений. Уже первое применение ГМД выявило их достоинства: про-

стоту смены дисков, малые габариты, удобство обращения, хранения и транс-

портирования. Продольная плотность записи информации на современных

гибких дисках с рабочим слоем, содержащим ферропорошок, около 400

бит/мм. В перспективе плотность записи на ГМД может быть доведена до 2000

бит/мм [Котов Е.П., Руденко М.И.,1990].

Если в 70-е годы в технике магнитной записи монопольное положение

занимали носители магнитной записи с ферролаковым рабочим слоем, то

сейчас создаются и осваиваются в промышленном производстве также магни-

тоносители с металлизированным рабочим слоем. Применение металлизиро-

ванных дисков, работающих в паре с интегральными магнитными головками,

позволило получить продольную плотность записи, равную 780 бит/мм. Иде-

альным материалом рабочего слоя для металлизированного диска представля-

ется сплошная (беспористая) пленка ферромагнитного материала толщиной

несколько десятков нанометров [Котов Е.П., Руденко М.И.,1990].

Использование магнитных дисков с металлизированным рабочим слоем в

перспективе позволит многократно повысить информационную емкость дис-

ковых магнитоносителей. Особенно повышается роль металлизированных

слоев при использовании носителей с перпендикулярной записью информа-

ции, позволяющей существенно повысить плотность записи.

6.8.7. Термомагнитный метод записи информации

Этот метод записи применяется на пленках, обладающих перпендикуляр-

ной анизотропией, то есть на образцах, у которых ось легкого намагничивания

направлена перпендикулярно их поверхности (рис. 6.8.5). Он основан на ис-

пользовании зависимости некоторых параметров пленки от ее температуры.

Пленка предварительно намагничивается до насыщения по нормали к ее плос-

кости (исходное состояние). Затем к ней прикладывается магнитное поле

противоположного направления (рис. 6.8.5). Запись информации осуществля-

Рис. 6.8.5. Перпендикулярная запись информации на образцах с осью легко-

го намагничивания, направленной перпендикулярно их поверхности. В сред-

ней части рабочего слоя носителя находится перемагниченный участок

405

ется путем нагрева отдельных участков пленки, которая находится в магнит-

ном поле . Нагревание производится кратковременным воздействием лазерно-

го луча. Поле подбирается с таким расчетом, чтобы при отсутствии нагрева

пленки его величина была недостаточной для перемагничивания пленки. При

достаточно высокой температуре участка пленки происходит существенное

изменение его магнитного состояния, например может в 3-4 раза уменьшаться

коэрцитивная сила. Это приводит к тому, что нагретые участки пленки будут

перемагничиваться. Ненагретые области обладают более высокой коэрцитив-

ной силой и не изменяют своего состояния. То есть при одновременном воз-

действии лазерного излучения и магнитного поля в рабочем слое носителя

формируются области с намагниченностью, ориентированной противополож-

но направлению пленки в исходном состоянии. Эти области и представляют

собой записанную информацию (рис. 6.8.5).

Минимальные размеры области, соответствующей одному биту информа-

ции, определяются диаметром сфокусированного светового луча [Бенедичук

И.В., Введенский Б.С, 1987]. Векторы намагниченности в перемагниченных

участках направлены по нормали к плоскости пленки. Следовательно, разно-

именные полюсы перемагниченных участков расположены на противополож-

ных сторонах рабочего слоя носителя. Поэтому магнитные поля от соседних

неперемагниченных участков будут стабилизировать состояние перемагни-

ченного участка. Это позволяет заметно уменьшить минимальные размеры

стабильных доменов. В результате перпендикулярная запись обеспечивает в

несколько раз более высокую плотность записи по сравнению с продольной.

Следует отметить, что пленки с перпендикулярной анизотропией используют-

ся и в магнитной записи. Считывание информации осуществляется магнито-

оптическим методом или индукционным с помощью магнитных головок. При

использовании магнитооптического метода считывания лазерный луч направ-

ляется на поверхность пленки. После отражения луч регистрируется фотопри-

емником. Благодаря специальному устройству, применяемому в данном слу-

чае, интенсивность отраженного луча, который попадает в фотоприемник,

зависит от направления намагниченности в участках пленки. Это позволяет

определить намагниченные и перемагниченные области магнитного носителя.

В качестве рабочего слоя у магнитооптических носителей могут использовать-

ся аморфные пленки, полученные из сплавов редкоземельных элементов (тер-

бий, гадолиний, диспрозий) с переходными металлами (железо, кобальт).

Заключение

В последнее время вычислительная техника необычайно широко внедря-

ется в различные сферы жизни общества. Достаточно сказать, что электронно-

вычислительные машины используются при автоматизации различных произ-

водственных процессов, решении социально-экономических задач, в науке,

образовании, медицине и т.д. Разнообразное применение вычислительной тех-

ники стимулирует ее быстрое развитие и дальнейшее совершенствование за-

поминающих устройств (ЗУ), на которых осуществляются запись и хранение

406

информации. Улучшение качества ЗУ непосредственно связано с повышением

плотности записи информации, увеличением их информационной емкости.

Большую роль в решении этой задачи играет применение в ЗУ тонких

магнитных пленок. В статье описаны особенности поведения доменной струк-

туры пленок в магнитном поле, которые позволяют лучше представить процесс

записи информации в ЗУ на магнитных лентах и дисках.

При объяснении процессов перемагничивания тонких магнитных пленок,

принципа записи и считывания информации использовались физические тер-

мины, понятные не всем читателям. Поэтому автор рекомендует сначала озна-

комиться с содержанием статьи [Казаков В.Г.,1997], посвященной описанию

структуры и магнитных свойств тонкопленочных магнитных образцов.

Литература

Казаков В.Г. Тонкие магнитные пленки // Соросовский Образовательный

Журнал. 1997. N 1.С. 107-114.

Белов К.П. Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнети-

ках. М.: Изд-во ТТЛ, 1957. 279 с.

Котов Е.П.,Руденко М.И. Носители магнитной записи. М.: Радио и связь,

1990. 384 с.

Василевский Ю.А. Носители магнитной записи. М.: Искусство, 1989. 287 с.

Бенедичук И.В., Введенский Б.С. // Техника кино и телевидения. 1987. N

1.С. 61-68.

6.9. Применение магнита на транспорте

На снимке: проект высокоскоростного монорельса, созданный советским

авиаконструктором Р.Л. Бартини, 60-е годы

...Почему отечественный монорельс можно назвать "неизвестным"" Когда

говорят о монорельсовом транспорте, обычно приводят в качестве примера

зарубежные конструкции в Германии, Франции, Англии, США, Японии...

Об истории же отечественного монорельса — не промышленного транс-

порта, а предназначенного для перевозки людей и грузов, к сожалению, мало

407

кто слышал не только за рубежом, но и в нашей стране. И это — при том, что

решения отечественных монорельсов на протяжении почти двухвековой его

истории были на уровне зарубежных, а иногда идеи на десятилетия опережали

свое время.

Эта страница - - попытка хотя бы в общих чертах поведать читателям

"историю забытых побед" этого перспективного, но до сих пор не нашедшего

своего места в экономике нашей страны вида транспорта.

ВПЕРЕДИ ПАРОВОЗА

Действительно, первый монорельс был создан в России на целых 15 лет

раньше первого паровоза. В 1820 году в подмосковном селе Мячкове, Иван

Эльманов построил "дорогу на столбах": по верхнему продольному брусу

катились вагонетки, которые тянули лошади.

Вскоре, 22 ноября 1821 года, монорельсовый путь был запатентован в

Англии Пальмером - - он додумался до той же идеи самостоятельно и о

Мячкове никогда не слышал. Пальмер построил свой монорельс в 1825 году,

и именно с этого года за рубежом отсчитывают историю монорельсового

транспорта, т.к о дороге Эльманова в Европе практически было неизвестно.

После этого о монорельсовом транспорте в России не было ничего слышно

на протяжении примерно полувека. Только в 1872 году в Москве на политех-

нической выставке был экспонирован опытный участок монорельсовой дороги

системы Лярского. (Это было за 4 года до постройки в США монорельса на

паровой тяге для United States Centennial Exposition.) Также есть упоминания,

что в 1874 году Хлудов соорудил в России однорельсовую дорогу для перевоз-

ки леса. Не исключено, что в этот период в России существовали и другие

монорельсовые дороги.

Использованные источники:

"Пассажирские монорельсовые дороги", В.В. Чиркин, О.С. Петренко, А.С.

Михайлов, Ю.М. Галонен. М., "Машиностроение", 1969г., 240с.

От паровоза до "ЛАДовоза". "Техника — молодежи", 10, 1971.

...ПЛЮС ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ

Прогресс в создании металлических конструкций в строительстве и нача-

ло промышленного использования электричества в конце 19 столетия вновь

408

пробудили интерес к монорельсу. Первые электрические монорельсовые до-

роги появились в США и Германии — например, в 1887 году в Нью — Джерси.

В марте 1897 года инженер И. Романов представил на заседании Русского

технического общества действующую модель электрического монорельса.

Проект получил финансовую поддержку, и в 1899 году в Гатчине начала работу

первая в России электрифицированная монорельсовая дорога.

Монорельс Романова. Вагон с пассажирами на станции

Длина двухпутной трассы составляла всего 0,2 км., вагоны на конечных

остановках разворачивались на петле, подобно трамваю. Максимальный уклон

на трассе составлял 18 тысячных.

Вагоны весом 1600 кг. были сделаны наподобие трамваев того времени и

подвешивались на ферменной металлической эстакаде на высоте не менее 750

мм от земли. Тележки вагонов — двухосные, с одним ходовым колесом диа-

метром 120 мм. На каждой тележке также устанавливалось по две пары гори-

зонтальных направляющих и стабилизирующих колес. Два двигателя мощнос-

тью по 6 кВт работали на постоянном токе напряжением 100 В. Система

управления электроприводом предусматривала возможность рекуперативного

торможения. (!).

25 июня 1900 года были проведены испытания монорельса с грузом 3200

кг, (т.е в 2 раза больше веса тары вагона), при этой нагрузке скорость движения

составила 15 км/ч.

Монорельс Романова. Поворот вагона на кольце

По свидетельству журнала "Железнодорожное дело" N 38 за 1900 год,

дорога системы Романова имела преимущества перед известными на тот мо-

мент зарубежными конструкциями. Асимметричная схема подвешивания на

открытой балке, с одной стороны, позволяла делать эту балку достаточно

легкой и дешевой, а с другой - - позволяла выполнить тележки и привод

надежными и удобными в обслуживании. Одновременно и независимо от

Романова аналогичную систему создавал в Германии инженер Еуген Ланген.

В 1900 году Вуппертальская монорельсовая линия длиной 10 километров

связала Бармен и Эберфельд, а в 1903 году была продолжена до Вохвинкена.

409

Выбор пал на монорельс в связи с трудностью строительства линии наземного

транспорта через плотную индустриальную и жилую застройку; подвесная же

дорога была проложена над рекой Вуппер без сноса домов. Дорога Лангена

существует до сих пор и исправно работает более ста лет; подвесные же линии

Романова так и не украсили город на Неве, и даже точно нельзя сказать, когда

исчезла Гатчинская линия.

Почему монорельс Романова не прижился в С.-Петербурге - - трудно

сказать. Во всяком случае, прокладывать линии над каналами Северной Вене-

ции можно было бы с не меньшим успехом, чем над рекой Вупер, а в условиях

наводнений монорельс был бы просто незаменимым.

В 1904 году инженер Кошкин разработал на базе системы Романова и в

содружестве с ним проект монорельсовой дороги от Петербурга до Москвы,

рассчитанной на скорость ни много ни мало — 200 км/час. Смелый проект был

рассмотрен министерством путей сообщения и одобрен (!), но, к сожалению,

не финансировался. Та же судьба постигла и другой совместный проект -

монорельсовой дороги Москва — Нижний Новгород.

Самое интересное, что проекты Кошкина и Романова были для того вре-

мени даже более реалистичны, нежели попытки организовать высокоскорост-

ное движение на обычной железной дороге. Монорельс практически исключа-

ет такие виды аварий, как наезд или столкновение с другими наземными

видами транспорта. Если принять во внимание сравнительно большие интер-

валы пассажирского движения "путешественников из Петербурга в Москву"

(1904 год все-таки), то дорога Кошкина могла функционировать и без автобло-

кировки. Кстати, за 75 лет эксплуатации Вуппертальской дороги на ней не

произошло ни одного несчастного случая со смертельным исходом; редкая

трамвайная линия может этим похвастаться.

Надо сказать, что монорельсу, как виду междугородного транспорта, в те

годы пророчили большое будущее. Слева Вы видите открытку начала века, на

которой изображен "вокзал будущего" в Москве.

Использованные источники:

"Пассажирские монорельсовые дороги", В.В. Чиркин, О.С. Петренко, А.С.

Михайлов, Ю.М. Галонен. М., "Машиностроение", 1969г., 240с.

От паровоза до "ЛАДовоза". "Техника — молодежи", 10, 1971.

С.А. Адасинский. Городской транспорт будущего. М., "Наука", 1979г.

410