Zapis magnetyczny informacji

1. Zapis magnetyczny informacji Magneton Bohra

2. Paramagnetyzm • Paramagnetyzm to zjawisko słabego magnesowania się ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. • Przyczyną paramagnetyzmu jest porządkowanie się spinów elektronów ciała zgodnie z liniami zewnętrznego polamagnetycznego, uporządkowaniu przeciwdziałają drgania cieplne cząsteczek. • W niezbyt niskich temperaturach oraz dla niezbyt silnych pól magnetycznych paramagnetyki wykazują liniową wielkość namagnesowania od pola zewnętrznego, co wyraża wzór: M = χ * H, gdzie: M – namagnesowanie, χ– objętościowa podatność magnetyczna, H – natężenie pola magnetycznego.

3. Przykłady paramagnetyków: • tlen • aluminium • platyna • tlenek azotu (II) • lit • sód • potas

4. Diamagnetyzm • Jest zjawiskiem odwrotnym do paramagnetyzmu. Polega na indukcji w ciele, znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. • Umieszczenie diamagnetyka w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje powstanie w tym materiale pola magnetycznego skierowanego przeciwnie. M = χ * H, χ <0 • Diamagnetyzm jest cechą wszystkich materiałów ale jest przysłaniany przez inne efekty. Polega na zmianie promienia orbit w polu magnetycznym

5. Ferrimagnetyzm Jest to własność magnetyczna kryształów polegająca na tym, że w temperaturach poniżej temperatury Neela pojawia się antyrównoległe uporządkowanie elementarnych momentów magnetycznych, przy czym momenty te nie kompensują się całkowicie.

6. Ferromagnetyzm Jest to zjawisko, w którym materia wykazuje własne, spontaniczne namagnesowanie. Jest jedną z najsilniejszych postaci magnetyzmu. Razem z ferrimagnetyzmem jest podstawą istnienia wszystkich magnesów trwałych (jak i zauważalnego przyciągania innych ferromagnetycznych metali przez magnesy trwałe). M = χ * H, χ >>0

7. Przykłady ferromagnetyków: • żelazo • kobalt • nikiel • wiele stopów metali i związków chemicznych • stopy metali ferromagnetycznych, np. Alnico zawierające Fe, Co, Ni, Al, Cu. • twarde ferryty, o składzie MOFe12O, gdzie MO jest zwykle tlenkiem baru lub strontu • magnesy na bazie metali ziem rzadkich, przykładowe składy chemiczne to: Nd2Fe14B, SmCo

8. Domena magnetyczna Zwana inaczej obszarem Weissa, jest obszarem w którym materia jest całkowicie namagnesowana w jednym kierunku, zwykle wzdłuż jednej z głównych osi krystalograficznych. Dzieje się tak z powodu równoległego ukierunkowania dipoli magnetycznych które tworzą obszary spontanicznego namagnesowania. Zaznaczona domena magnesu neodymowego ma rozmiar ok. 0,1 mm

9. Histereza Jest to zależność aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach. Inaczej - opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Najbardziej znane przypadki histerezy występują w materiałach magnetycznych, głównie w ferromagnetykach, gdzie namagnesowanie następuje dopiero po pewnym wzroście zewnętrznego pola magnetycznego. H — natężenie pola magnetycznego, M — polaryzacja magnetyczna B — indukcja magnetyczna μo—przenikalność magnetyczna Hc — pole koercji Br — indukcja resztkowa

10. Mnożąc B*H otrzymujemy wielkość o wymiarze [J/m3] to znaczy, że kształt i wielkość pętli histerezy świadczy o ilości energii zmagazynowanej w domenie magnetycznej • Jeżeli domena gromadzi ilość energii mniejszą niż porcja wynikająca z zasady ekwipartycji energii czyli kT to możemy spodziewać się, że będzie nietrwała. Determinuje to maksymalną gęstość zapisu Temperatura Curie (oznaczana TC) - temperatura, powyżej której ferromagnetyk gwałtownie traci swoje właściwości magnetyczne i staje się paramagnetykiem, zjawisko to wynika ze zmiany fazy ciała stałego. Nazwa pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Piotr Curie, męża Marii Skłodowskiej-Curie. Determinuje ona zakres stosowania ferromagnetyków. Np. Fe TC =1043K ale już dla CrO2TC =386K

11. Historia zapisu analogowego • 1900 –Telegraphone –pierwszy magnetyczny recorder-zapis dźwięku na stalowym drucie między biegunami elektromagnesu –Duńczyk Waldemar Poulsen. • 1927 –W USA opracowano patent na zapis magnetyczny z podkładem prądu wielkiej częstotliwości. • 1928 –patent Pfleumera na taśmę magnetyczną. Taśma z materiału niemagnetycznego pokryta cienką warstwą z materiałów magnetycznych • 1930 –urządzenie do zapisu na taśmie stalowej Stille’a • 1934 –AEG i Farbeindustrie opracowały pierwszy magnetofon na taśmę magnetyczną.

12. 1935 –magnetofony szpulowe po raz pierwszy dostępne handlowo w Niemczech • 1948 –Pierwszy w USA magnetofon na taśmę magnetyczną. • 1979 –wprowadzenie do eksploatacji kasety typ IV (czyste żelazo) • 1957 –po wielu próbach oddano do eksploatacji urządzenia do zapisu wizji firmy AMPEX, z wirującymi głowicami (obraz segmentowany) • 1962 –urządzenie VICTOR COMPANY rozbudowaną liczbą głowic wirujących pozwalających na kontrolę jakości zapisu

13. Idea zapisu

14. Sygnał podkładu (BIAS) Podczas nagrywania, właściwości taśmy (histereza) powodują że sygnał jest zniekształcony. Dzieje się tak, ponieważ namagnesowanie taśmy nie jest liniowo zależne od wartości pola magnetycznego. Nagrywając bardzo mały sygnał, na taśmie pozostaje niewielkie trwałe namagnesowanie – pozostałość magnetyczna. Powiększenie wartości sygnału nie powoduje proporcjonalnego powiększenia pozostałości magnetycznej. Ponadto przejście sygnału nagrywającego przez zero powoduje znaczne jego zniekształcenie. Zmieszanie sygnałów audio z sygnałem o stałej i dużej częstotliwości (40 kHz lub większej) jest rozwiązaniem tych problemów. Jest to tzw. technika prądu podkładu i powoduje, że sygnał audio jest nagrywany bez zniekształceń. Podczas odtwarzania sygnał podkładu jest usuwany za pomocą prostego filtru.

15. Magnetofony szpulowe - typowe prędkości taśmy to 9.05 cm/s i 9,53 cm/s. Większa szybkość daje większą jakość zapisu. Szerokość taśmy wynosi 1/4 cala w przypadku taśm nieprofesjonalnych, 4-ścieżkowych. Magnetofony kasetowe - Dzięki 4 ścieżkom taśma umożliwia zapis stereofoniczny na każdej ze stron taśmy. Jej szerokość to 1/8 cala, a szybkość przesuwu to 4,76 cm/s. Przeciętne pasmo przenoszenia dla magnetofonu to np. 40Hz do 15kHz. Kasowanie taśm Taśma może być skasowana przez umieszczenie jej w silnym polu magnetycznym, powodującym nasycenie warstwy magnetycznej i zniszczenie poprzedniego nagrania. Można stosować do tego celu silny magnes stały, lub specjalną głowicę kasującą. Jest ona podobna do głowicy nagrywająco-odtwarzającej. Doprowadza się do niej silny, zmienny prąd który powoduje kasowanie taśmy. Za pomocą takiej demagnetyzacji pozostaje znacznie mniej szumów na taśmie niż po kasowaniu magnesem stałym.

16. Głowica i bęben magnetowidowa Układ ścieżek na taśmie magnetowidowej

17. Historia zapisu cyfrowego • 1938 – opracowanie teoretycznej podstawy cyfrowej techniki fonicznej przez Rovers’a, który opatentował założenia kodowej modulacji impulsowej. Urzeczywistnienie tych założeń pozwoliło na opracowanie w latach '70 szybkich przetworników A/C i C/A. • 1969 - firma Imation (w tamtym czasie jeszcze jako dział firmy 3M) dostarczyła ówczesnym prekursorom przemysłu komputerowego pierwsze dyskietki 8-calowe • 1978 - został opracowany System CD przez firmę Philips. Po połączeniu wysiłków badawczych Philipsa z japońską firmą Sony, która opracowała własny system cyfrowy z płytą o średnicy 30 cm, w kilka lat później powstała płyta kompaktowa CD. • 1980 - firma Seagate wyprodukowała pierwsze dyski twarde takie, jak dzisiaj znamy. Dysk przeznaczony do mikrokomputerów miał pojemność 5 MB, 5 razy więcej niż standardowa dyskietka.

18. Dysk magnetyczny obraz zapisu 1973- pierwszy twardy dysk o nowoczesnej konstrukcji: model IBM 3340 "Winchester„ o pojemności 60 MB; 1983: pierwsza 3.5" dyskietka; 1990: pierwsze magnetorezystywne głowice;

19. Stosowany zapis równoległy i wprowadzany prostopadły

21. Głowice czytające oparte na: magneto oporze MR od 1991r i gigantycznym magneto oporze GMR od 2007r ΔR/R=10~50%, co dało od 1 do kilkuset Gb/sq.inch

22. Obraz AFM powierzchni nowoczesnego dysku o małych nierównościach RMS 8-12 *10-10 m. Po prawej widoczny zapis bitów.

24. Definicja: Magnetyczna informacja zawarta w ziarnie ulega, z pomocą energii termicznej, spontanicznemu przełączaniu. Ms ----Namagnesowanie nasycenia V --- Objętość ziarna KuV---Magnetyczna anizotropia ziarna Aby zachować informację dłużej niż10 lat, KuV>40~50kT Gdy V maleje, Ku musi rosnąć

25. Zapis podłużny już osiągnął granicę możliwości – Zapis poprzeczny: oczekuje się, że granica to 0.5-1 Tb/in2 – Możliwości: • Zapis ze wspomaganiem termicznym (heat assisted magnetic recording) HAMR • Teksturowanie materiału dysku bit patterned media (BPM) Granica superparamagnetyczna na dzisiaj teoretycznie nieprzekraczalna około 80Tb/in2

26. Ograniczenia Uczeni postulują istnienie tzw. granicy superparamagnetycznej - fizycznego ograniczenia możliwości zmniejszania odległości i wielkości domen ferromagnetycznych w danym materiale. Ujawnia się ono, gdy domeny ferromagnetyczne są położone zbyt blisko siebie. Uważa się, że bariera superparamagnetyczna pojawia się przy gęstości zapisu rzędu 20-100 gigabitów na cal kwadratowy (dla obecnie stosowanych materiałów). Kolejnym wyzwaniem dla konstruktorów jest więc przesunięcie tej granicy. Oznacza to poszukiwanie nowych metod zapisu i odczytu danych.