Физические основы магнитной записи и стирания информации

В 1820 году Ганс Христиан Эрстед установил, что, когда по проводу идет электрический ток I, то вокруг провода возникает магнитное поле H (рис.1). То есть на это время провод становится магнитом. Причем "силу" (напряженность магнитного поля) такого электромагнита можно менять, изменяя в нем силу тока. Важно было то, что, меняя направление тока в электромагните, можно изменить его полярность, то есть очень быстро менять местами его северный и южный полюсы. Эти свойства и используются для записи данных на магнитный носитель.

Рис. 1. Магнитное поле создаваемое током в проводнике

В 1831 году Майкл Фарадей, открыл другое явление, на основе которого можно считывать магнитную запись. Он установил, что в замкнутом проводе возникает электрический ток, когда рядом с ним включают или выключают электромагнит, то есть в те короткие моменты, когда напряженность поля электромагнита растет от нуля до некого уровня и, наоборот, падает с этого уровня до нуля. Установленный Фарадеем эффект был назван электромагнитной индукцией, ток, возникающий в проводе при изменении магнитного поля называют индукционным, поэтому и считывающие головки, принцип работы которых основан на этом эффекте, называют индуктивными.

Если провод, использовавшийся в этих опытах, смотать в катушку, а в нее вставить стержень из ферромагнитного материала (сердечник), то наблюдаемый эффект усиливается. Усиление связано с тем, что сердечник сам намагничивается и его магнитное поле складывается с полем катушки (в случае записи) или с полем участка рабочей поверхности (в случае считывания). Насколько сильно сердечник усилит электромагнит, в основном, зависит от материала, из которого он сделан. Дело в том, что любой материал можно намагнитить только до определенного предела. Это свойство называют магнитным насыщением. Естественно, сердечники изготавливают из материалов, как можно меньше склонных к магнитному насыщению.

В качестве среды записи в магнитных носителях выступают ферромагнетики, отличительной особенностью которых является наличие микроскопических однородно намагниченных объемов вещества, называемых доменами. В отсутствие внешнего поля хаотично ориентированные магнитные моменты отдельных доменов взаимно компенсируют друг друга, поэтому результирующее поле ферромагнетика близко к нулю.

Зависимость намагниченности ферромагнитных материалов от внешнего магнитного поля имеет нелинейный характер и описывается петлей гистерезиса (рис.2).

 

Рис. 2. Петля гистерезиса ферромагнетика

 

При включении внешнего магнитного поля H домены, направление спонтанной намагниченности которых совпадает с направлением поля, начинают увеличиваться в размерах, что приводит к отличной от нуля результирующей намагниченности М. При увеличении поля ферромагнетик переходит в состояние насыщения, при котором дальнейшее возрастание поля уже не приводит к изменениям в его доменной структуре и росту его намагниченности. В этом состоянии, которое характеризуется намагниченностью насыщения Ms, магнитные моменты всех доменов ориентированы одинаково, вдоль направления внешнего магнитного поля. Если намагниченный до насыщения образец начать размагничивать, уменьшая внешнее поле, то из-за необратимого смещения границ доменов даже в его отсутствие сохраняется некоторая намагниченность Mr, называемая остаточной.

Использование зависимости остаточного намагничивания ферромагнитных материалов от величины внешнего намагничивающего поля и лежит в основе процесса записи информации на магнитные носители. Запись информации осуществляется путем последовательного воздействия внешнего магнитного поля, изменяющегося по закону информационного сигнала, на различные участки носителя, а её считывание - путем последовательной регистрации остаточного намагничивания этих участков.

При пропускании тока через обмотку записывающей головки вокруг нее возникает магнитное поле рассеяния, которое воздействует на прилегающую к ней область ферромагнитного рабочего слоя движущегося магнитного носителя. Под воздействием этого поля происходит переориентация элементарных магнитных полей доменов. Домены, намагниченность которых ориентированы вдоль направления внешнего поля, начинают расти, поглощая соседние, состояние которых менее энергетически выгодно. После прекращения воздействия поля записи изменения в размерах и ориентации магнитных доменов частично сохраняются. При периодическом изменении поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка чередующихся участков с противоположными направлениями намагниченности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами (рис.2в).

 

а) Ток записи
б) Изменения намагниченности
в) Распределение намагниченности
г) Напряжение считывания

Рис. 2. Эпюры сигналов записи, считывания и зоны смены знака намагниченности в носителе

 

Таким образом формируется магнитная сигналлограмма - последовательность намагниченных участков на рабочей поверхности носителя, однозначно соответствующая временному распределению амплитуд информативного сигнала. Именно это пространственное распределение зон остаточной намагниченности регистрирует затем головка считывания. Следует отметить, что в цифровой магнитной записи при считывании детектируются не сами зоны остаточной намагниченности той или иной полярности, а переходы между ними (рис. 2г).

Принцип магнитной записи электрических сигналов на движущийся магнитный носитель основан на явлении остаточного намагничивания магнитных материалов. Запись и хранение информации на магнитном носителе производится путем преобразования электрических сигналов в соответствующие им изменения магнитного поля, воздействия его на магнитный носитель и сохранения следов этих воздействий в магнитном материале длительное время, благодаря явлению остаточного магнетизма. Воспроизведение электрических сигналов производится путем обратного преобразования.

Система магнитной записи состоит из носителя записи и взаимодействующих с ним магнитных головок (рис.2).

Рис.2. Принцип записи и считывания информации с магнитного носителя

При цифровой магнитной записи в магнитную головку поступает ток, при котором поле записи через определенные промежутки времени изменяет свое направление на противоположное. В результате под действием поля рассеяния магнитной головки происходят намагничивание или перемагничивание отдельных участков движущегося магнитного носителя.

При периодическом изменении направления поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка участков с противоположным направлением намагниченности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами. Рассмотренный вид записи, когда участки рабочего слоя носителя перемагничиваются вдоль его движения, называется продольной записью (рис.3).

Чередующиеся участки с различным направлением намагниченности, возникшие в магнитном покрытии, являются магнитными доменами (битовыми ячейками). Чем меньше размер ячейки, тем выше плотность записи информации. Однако с уменьшением размера ячейки возрастает взаимное влияние их размагничивающих полей (см. рисунок), направленных в сторону, противоположную намагниченности в ячейках, что при уменьшении битовой ячейки ниже критического значения приводит к самопроизвольному размагничиванию.

Рис.3. Последовательность участков с противоположным направлением намагниченности

Для магнитной записи используются носители в виде магнитных пластин (дисков). Пластины изготавливаются процессом напыления множественных металлических пленок и защитного слоя покрытия на очень плоскую, бездефектную стеклянную или алюминиевую подложку. Информация размещается в виде концентрических окружностей, называемых дорожками (рис.4). В современных НЖМД плотность дорожек достигает значений 4,3*104 дорожек на один сантиметр радиуса пластины.