Запись цифровой информации на магнитный носитель.

Предполагает создание в магнитном слое носителя участков, остаточное магнитное состояние которых отлично (по величине намагниченности или направлению) от первоначального состояния. Источником магнитного поля записи может быть проводник с током. Однако в этом случае магнитное поле оказывается сильно рассеянным в пространстве, что делает невозможным получение намагниченных участков малого размера, т.е. высокой плотности записи. К тому же требуемые поля записи для современных магнитных покрытий должны иметь величину (20÷80)*10³ А/м, для чего необходимы значительные токи, получение и коммутация которых технически затруднены.

I

W

lg

lc”

lc’

δ

Для создания локального концентрированного магнитного поля используется магнитная головка. МГ представляет собой незамкнутый магнитопровод из магнитомягкого материала, на который помещается обмотка. Ширина рабочего зазора δ. Поле записи, воздействующее на магнитный носитель, является полем рассеивания, создаваемым у рабочего зазора. Напряжённость поля вне рабочего зазора меньше напряжённости H₀ в зазоре. Величина поля H₀ может быть определена при известных параметрах МГ. Для случая, когда магнитный носитель не шунтирует магнитный поток в рабочем зазоре, на основании закона полных токов имеем

Это выражение предполагает, что напряжённость поля в сердечнике головки Н_сг одинакова на всей длине магнитной силовой линии ; поля Н_g и Н_о в дополнительном и рабочем зазорах неизменны.

Дополнительный (технологический) зазор на практике, как правило, отсутствует (магнитопровод сведён), поэтому

Принимая индукцию В неизменной в любой точке рассматриваемой магнитной цепи, можно записать

где µ_с и µ_р – абсолютные магнитные проницаемости материалов сердечника и рабочего зазора. Так как µ_с>>µ_р, то Н_о>>Н _сг. При этом условии даже при ℓ_с > δ может оказаться, что

Поэтому имеют место зависимости:

,
откуда

.
Эти выражения показывают, что при принятых допущениях практически вся энергия электрического тока I, протекающего через обмотку МГ с числом витков W, трансформируется в энергию магнитного поля в зазоре, причём при его малой ширине можно получить высокую концентрацию этого поля даже при относительно невысоких значениях магнитодвижущей силы IW.

Если указанные выше допущения не могут быть приняты, поле Н_о может быть определено по более сложным выражениям.

Несмотря на относительную простоту магнитной цепи МГ и носителя, точное определение закона изменения поля рассеяния вызывает значительные трудности, поэтому приведём лишь относительно простые выражения, полученные при некоторых допущениях. В основном эти допущения сводятся к следующим ограничениям:

1. µ_отн.с → ∞. Физический смысл первого допущения очевиден: сердечник МГ должен быть выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью, а энергетическими потерями на его перемагничивание можно пренебречь, т.е. поле в основном определяется магнитным сопротивлением рабочего зазора.
2. µ_{отн.нос.} = 1. Второе допущение даёт возможность не учитывать влияние материала носителя на форму и величину поля записи. Реальная величина µ_{отн.нос}. не превышает нескольких единиц.
3. в>>δ, где в – толщина сердечника МГ. Третье допущение, обычно имеющие в практике место, даёт возможность рассматривать поле рассеяния как двумерное поле.

b

x

y

δ

H0

x

y

r

Hx(0,y)

Hy(x,y)

Hx(x,y)

H(x,y)

A(x,y)

Для случая у >>0,25 δ горизонтальную составляющую поля записи можно определить из выражения:

Для вертикальной составляющей поля выражение имеет вид:

Так как вертикальная составляющая поля при рассматриваемой продольной записи не оказывает существенного влияния на сигнал воспроизведения, то её детального рассмотрения производить не будем.

Для точек, расположенных на оси у (х=0) поле записи описывается выражением:

и графически зависимость выглядит так:

 

Hx(0,y)/H0

y/δ

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

0,5 1,0 1,5 2

По сути дела это зависимость поля рассеяния магнитной головки от величины неконтакта МГ с поверхностью носителя. Таким образом, скорость изменения максимального поля записи особенно велика при у< δ. Этот вывод важен с практической точки зрения.

В случае контактной записи, когда магнитный слой носителя касается полюсных наконечников МГ и при малом значении δ возможен случай, когда периферийные слои магнитного слоя окажутся в недостаточно сильном поле, носитель не будет перемагничен на всю глубину. Как следствие, уменьшится сигнал при воспроизведении информации. За счёт неконтакта МГ и магнитного слоя из-за колебания носителя при попадании посторонних частиц (величиной в несколько микрометров) магнитный слой может оказаться в записывающем поле в 2÷3 раза меньшем поля Н₀. При у>> δ поле рассеяния уменьшается не так интенсивно с увеличением неконтакта. Для этого случая выражение для Н_х(0,у) может быть упрощено, так как в этом случае

Подставив значение ,получим:

При указанном условии намагничивающее поле обратно пропорционально расстоянию от слоя до МГ, а ширина зазора δ не оказывает существенного влияния на величину и форму поля.

Последнее выражение (*) аналогично по своему виду выражению для определения напряжённости магнитного поля проводника с током. Следовательно, при условии у>> δ допустимо рассматривать МГ как проводник с током, а магнитные силовые линии представлять в виде концентрических полуокружностей как показано на рисунке. Поэтому выражение (*) может быть сведено к более простому:

где и = x/у. Графическиэта зависимость выглядит так:

-3

-2

-1

3

2

1

0

0,1

0,2

0,5

1,0

Протяжённость поля (с точностью до 10% от его максимального значения) занимает участок, простирающийся вправо и влево от центра зазора МГ на три величины неконтакта.

При значениях у << δ вершина кривой Н _х(х,у) уплощается, влияние величины δ становится всё более заметным:

 

-0,5

0,5

0

-1

1

1

y=0,05 δ

y=0,1 δ

y=0,05 δ

δ

 

Однако следует иметь в виду, что из-за неидеальности рабочей поверхности МГ и поверхности магнитного слоя даже при контактной записи величина неконтакта достигает одного микрометра, следовательно магнитный слой оказывается под воздействием поля, меньшего Н₀. Форма поля Н_х(х,у) зависит также от закругления граней рабочего зазора. Поэтому при изготовлении МГ обращается особое внимание на качество обработки рабочей поверхности и зазора МГ. Выбором соответствующей геометрии полюсных наконечников также можно влиять на величину и форму поля записи.

 

 

Форма и величина магнитного отпечатка.

 

Участок магнитного слоя носителя, попадающий в магнитное поле записи, оказывается намагниченным. Определим протяженность намагниченного участка тонкого слоя носителя, т. е. слоя, для которого напряжённость воздействующего на слой поля можно считать постоянной.

В идеализированном случае, когда поле нарастает мгновенно и также мгновенно исчезает, магнитный отпечаток имеет конкретные размеры, которые могут быть найдены графическим методом:

Графическая зависимость остаточной напряжённости J _r (Н) берётся из справочника, а зависимость Н_х(х) получается рассмотренным ранее способом при известной величине неконтакта у=const. Предполагается, что первоначальное состояние магнитного слоя характеризовалось нулевым значением намагниченности.

 

-x2 -x1 x1 x2 x

0

-x2 -x1 x1 x2 x

Hx(x)

H

2xmax

lпер

lпер

Jr

Jr

Jr max

0,9 Jr max

0,1 Jr max

Графическая модель является приближённой, так как она не учитывает саморазмагничивания отпечатка. Ожнако даже в таком виде графическая модель позврляет сделать следующие практические выводы:

1. Длина отпечатка даже при мгновенном изменении тока (или скорости носителя V_Н=0) конечна и по уровню 0,1 составляет 2 х _max.

2. Длина отпечатка существенно зависит от крутизны поля записи и зависимости Jr(Н); протяжённость переходной зоны намагничивания всегда конечна и составляет l _пер.

В реальных устройствах импульс тока записи имеет конечные значения времени нарастания t_н и спада t_с, а также может иметь плоскую вершину длительностью Т. Поэтому полная длина магнитного отпечатка L_отп окажется равной:

где V_н – скорость движения носителя;

V_нt_н – увеличение “передней” переходной зоны;

V_нt_н – увеличение “заданной” переходной зоны.

После создания магнитного отпечатка – элементарного постоянного магнэтика – его поле ослабляется полем саморазмагничивания Нср, которое пропорционально величине остаточной намагниченности Jr:

Nср – коэффициент саморазмагничивания, приближённо оцениваемый из выражения:

d – толщина магнитного слоя носителя.

Это выражение показывает, что коэффициент Nср возрастает при уменьшении длины отпечатка Lотп. Например, если отношение ,то Nср →1. При увеличении длины отпечатка наблюдается быстрое уменьшение Nср. Так, например, для значения Lотп= d/2 коэффициент саморазмагничивания равен Nср = 0,5.

-HC

-H

Br

B

A

Рабочая точка

Уменьшение N

Процесс саморазмагничивания можно представить графически: Материал носителя не сохраняет остаточную индукцию В_r, а размагничивается и переходит в состояние, соответствующее рабочей точке А.

Физический смысл коэффициента саморазмагничивания N_ср вытекает из выражения N_ср = - Н₀/ В_r.

Таким образом, для предохранения сформированного перехода от одного состояния намагниченности к другому носитель должен пройти расстояние по крайней мере l_пер прежде чем начнёт формироваться следующий перепад намагниченности. Длина перехода l_пер определяет предел плотности записи, который может быть достигнут, т.е. определяет разрешающую способность записи. Однако влияние саморазмагничивания приводит к тому, что между двумя зонами намагниченности появляется дополнительный переход, что ограничивает плотность при продольном способе записи. Эффект саморазмагничивания существенно ниже при способе записи, когда вектор остаточной намагниченности отпечатка перпендикулярен поверхности носителя. Использование перпендикулярного (вертикального) способа приводит к значительному увеличению плотности записи.

 

 

Воспроизведение информации

 

сводится к преобразованию остаточного поля магнитного отпечатка в электрический сигнал с помощью МГ.

При движении отпечатков носителя относительно МГ часть остаточного магнитного потока Ф_г отпечатка замыкается через её сердечник, в результате обеспечивается магнитная связь между отпечатком и обмоткой сердечника МГ. Так как магнитный поток изменяется во времени, то в обмотке возникает ЭДС – сигнал воспроизведения е(t), в общем виде определяемый в соответствии с законом эктромагнитной индукции Фарадея как:

где W – количество витков в катушки.

Сигнал е(t) в основном определяется горизонтальной составляющей магнитного потока отпечатка, поэтому здесь и далее под потоком будем подразумевать его горизонтальную составляющую.

Изменение магнитного потока отпечатка вызывается движением со скорростью V_н магнитного слоя относительно МГ. Если предположить, что в рассматриваемый момент времени граница отпечатка магнитного слоя находится на расстоянии от центра зазора МГ, причём х = VН∙t.

+Jr

-Jr

-Jr

lпер

x

y

d

VH

Фr

 

то выражение для ЭДС можно представить в виде:

Для определения величин Ф_г можно воспользоваться теоремей взаимности. Ток записи I вызывает поток Ф через произвольное сечение ds = b∙dy магнитного слоя, который перемагничивается полем Н_х(х). В соответствии с теоремой взаимности тот же ток I, обтекая это сечение, вызывает идентичный поток Ф_г через сердечник МГ. Ток I, обтекающий сечение ds, может рассматриваться как сумма микротоков отдельных элементарных объёмов b∙dx∙dy, которая эквивалентна намагниченности J_z.

 

dy

dx

b

dS

I

d

 

Таким образом, для единичного тока элементарный поток dФ’ при µотн=1 определяется как

С учётом конечной намагниченноти J_Z объёма b d x d y потоком увеличивается в Jz раз, т.е.

причём величина – безразмерный множитель. Полныё поток Ф_г() выражается как:

Это выражение показывает, что поток, замыкающийся через сердечник МГ, зависит от объёма намагниченного слоя и его остаточной намагниченности. Поэтому член Н_х(х,у) в данном случае удобно рассматривать как безразмерную функцию чуствительности МГ, определяющую ту часть потока магнитного отпечатка, которая при воспроизведении воздействует на обмотку МГ.

Подставив значение в выражение для ЭДС, получим:

Предполагая, что знаком изменения намагниченности на участке носителя l_пер линеен, определим

на интервале .

Учитывая что на других интервалах изменения намагниченности нет, имеем:

и выражение для ЭДС может быть представлено в виде:

Используя теорему о среднем, интеграл может быть заменён простым выражением:

Координаты и обозначают некоторые величины, заключённые в интервалах

и y y+d.

Очевидно, что при l_пер →0 и d→0, →х и →у, т.е. для тонкого слоя носителя (d<<y) справедливо выражение:

Это выражение удобно использовать для практических расчётов, так как оно позволяет определить сигнал е() и для случая, когда слой имеет конечную толщину d. При этом сколь угодно толстый слой можно рассматривать как композицию из n тонких слоёв. Для i-го слоя:

Суммарный сигнал воспроизведения может быть получен в виде суммы сигналов еi от каждого тонкого слоя:

так как в данном случае применим принцип суперпозиции.

Покажем пример, когда магнитное покрытие “расслаивается” на три слоя:

 

t

ex

e1

e2

e3

 

Сравнивая показанные на рис. сигналы воспроизведения от наиболее близкого к МГ слоя е₁ и удалённого слоя е₃ можно сделать важный вывод: высокую разрешающую способность системы можно получить лишь при использовании тонких магнитных покрытий, малоудалённых от МГ. Это обстоятельство заставляет конструкторов и технологов постоянно решать задачу получения тонких и сверхтонких магнитных покрытий и создания системы «головка – носитель», всё более приближающейся к системам контактной записи.

Выражение (*) для ЭДС удобно тем, что оно даёт возможность изучить влияние ряда конструктивных параметров – величины зазора МГ, формы полюсных наконечников и др. – на величину и форму сигнала воспроизведения.

Если амплитуда сигнала е() определяется перепадом намагниченности 2J_Z, шириной дорожки сигналограммы b, толщиной слоя d, скоростью движения носителя VН и числом витков катушки W, то форма сигнала определяется формой поля рассеяния головки , причём сигнал оказывается максимальным при =0, т.е. в момент, когда переход намагниченности проходит под зазором МГ.

Jr

+Jr max

-Jr max

e

x(t)

x(t)

1,0

0,1

σy

Следует подчеркнуть, что значение функции ), полученной при изучении процесса записи, может быть использовано в выражении (*) для ЭДС только в случае неизменной системы записи – воспроизведения. Если же это условие не выполняется, когда МГ записи конструктивно отличается от МГ воспроизведения, то функция должна соответствовать системе воспроизведения. Так как ширина поля вдоль оси х определяется неконтактом у, то форма сигнала воспроизведения в первую очередь определяется его значением и на уровне 0,1 своего максимального значения составляет время:

Перепад намагниченности обратного знака (-2J_r), очевидно вызовет появление сигнала воспроизведения обратной полярности.

 

 

Плотность магнитной записи.

 

Плотность записи информации Р – это степень использования поверхности носителя, выражаемая в битах, приходящихся на единицу площади поверхности носителя (например, на 1 мм²).

Различают поперечную РП и продольную Рпр плотности записи информации:

РП · Рпр = Р

Поперечная плотность характеризуется числом дорожек записи, приходящихся на единицу длины, в направлении, перпендикулярном направлении записи.

Продольная плотность записи определяется количеством бит информации приходящихся на единицу длины вдоль дорожки (в направлении записи).

Рассмотрим основные причины, ограничивающие плотность записи информации на магнитный носитель. Ширина дорожки записи определяется в основном шириной набора сердечника МГ. Стремление уменьшить ширину дорожки ведёт, с одной стороны, к усложнению конструкции МГ при её миниатюризации, с другой – к уменьшению сигнала воспроизведения. На носителе дорожки разделяются некоторым промежутком, достаточным для того, чтобы ослабить в необходимой мере взаимное влияние соседних дорожек (уменьшить перекрёстные помехи). Если полезный сигнал воспроизведения линейно изменяется при уменьшении ширины дорожки, то сигнал помехи (отнеравномерности магнитного слоя, посторонних включений, краевых эффектов и т.д.) уменьшается лишь по закону квадратного корня, т.е. уменьшение ширины дорожки ведёт, как правило, к ухудшению отношения сигнал/помеха, являющемуся одним из основных параметров, определяющих надёжностные характеристики всей системы записи-воспроизведения.

Для уменьшения влияния дорожек друг на друга может быть использовано туннельное стирание. В этом случае сигналограмма после записи проходит через “туннельную” головку, которая сужает запись, как бы подтирая её размытые края.

На гибких носителях (МЛ, ГМД) ширина дорожки выбирается относительно большой (1-2 дорожки на 1 мм). Это обеспечивает получение удовлетворительного сигнала воспроизведения в условиях относительно невысокой линейной скорости носителя и даёт возможность снизить требования к стабильности совмещения полюсных наконечников МГ с дорожкой носителя. Сложность поддержания этой стабилизации определяется эластичной основой носителя.

В накопителях с жёсткими дисками ширину дорожки выбирают много меньше (несколько десятков микрометров). Это определяет строгие требования к точности работы механизмов, управляющих установкой (юстировкой) МГ в системах с подвижными МГ, так как не совмещение МГ с сигналограммой резко ухудшает отношение сигнал/помеха.

Увеличение плотности продольной записи достигается уменьшением длины магнитного отпечатка. Однако такое уменьшение может привести к уменьшению амплитуды сигнала воспроизведения и изменению его формы.

 

J

+Jr max

-Jr max

t

e(t)

t

Δe

Δe

+Δt

-Δt

 

Пусть на носителе сделана некоторая запись (два перепада намагниченности
-J_rmax→+J_rmax→ -J_rmax). Предположим, что при считывании эти перепады напряжённости воздействуют на обмотку МГ независимо друг от друга. Сигнал е(t) от каждого перепада показан пунктом. Реальный сигнал воспроизведения получается по принципу суперпозиции – сложением сигналов от отдельных перепадов (сплошная линия). Амплитуда сигнала оказывается меньше на ∆e по сравнению с максимальной, которая могла быть получена при большой длине отпечатка. Кроме того максимумы пиков сигнала смещаются по временной оси на ±∆t, что затрудняет синхронизацию воспроизводимой информации.

Более сложное чередование перепадов намагниченности приводит к появлению постоянной составляющей в сигнале воспроизведения, которая к тому же может быть и знакопеременной:

 

+Jr max

-Jr max

t

t

e(t)

 

Как видим, длина отпечатка и интервал между соседними отпечатками лимитируется временными параметрами сигнала воспроизведения. Таким образом, критическая частота f_кр записи (записи без заметного перекрытия сигналов) должна выбираться из соотношения:

При некотором неконтакте у=const – протяжённость функции на уровне 0,1 причём эта функция соответствует системе воспроизведения.