智麗麗 孫 毅 陳惠敏

(1，2，3.昌吉學(xué)院物理系 新疆 昌吉 831100)

磁記錄工作原理及其應(yīng)用探究

智麗麗1孫 毅2陳惠敏3

(1，2，3.昌吉學(xué)院物理系 新疆 昌吉 831100)

本文主要介紹了幫助人類記憶的一大重要技術(shù)磁記錄，細(xì)致地分析了磁記錄的工作原理及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。同時(shí)，本文給出了磁記錄裝置中磁頭附近磁場的計(jì)算方法，以及磁介質(zhì)的記錄磁化過程，使我們從中掌握其在學(xué)習(xí)和工作中的重要性和必然性。

磁記錄;磁存儲(chǔ)

引言

人類發(fā)明紙和筆是為了幫助大腦來記憶和儲(chǔ)存信息，隨著社會(huì)的進(jìn)步、科學(xué)的發(fā)展，儲(chǔ)存信息的方法不斷的變化和更新，以滿足社會(huì)各種信息日益增長和交流的需要，磁性材料元件的出現(xiàn)和應(yīng)用使人類記憶和存貯信息的技術(shù)發(fā)展得更加完善，它是電子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，又在推動(dòng)電子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，磁記錄與人們的日常生活越來越密切。錄音帶，錄像帶，電腦中的磁盤，打電話的磁卡，銀行的信用卡，還有磁卡式車票等，都是用磁來記錄信息的。提高磁記錄技術(shù)的工作效率，會(huì)給人們的生活帶來了很大方便。

磁記錄和磁存貯技術(shù)具有歷史悠久，存儲(chǔ)容量大，體積小，成本低，發(fā)展迅速，生產(chǎn)工藝成熟，宜于大批量制造，質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使其被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)、軍事科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)管理、教育等方面，它對(duì)推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展具有重大意義［1－3］。通過細(xì)致地分析磁記錄的工作原理及其應(yīng)用，使我們從中掌握其在學(xué)習(xí)和工作中的重要性和必然性。

1 分析磁記錄的工作原理

1.1 環(huán)形磁頭縫隙磁化場的分布

1.1.1 理想環(huán)形磁頭

要精確計(jì)算一個(gè)實(shí)際使用的磁頭縫隙處磁化場的分布是十分困難的。這是因?yàn)閷?shí)際磁頭的縫隙磁化場分布與磁頭結(jié)構(gòu)的幾何形狀、縫隙處的幾何尺寸、磁頭材料的磁性能、磁介質(zhì)的存在等許多因素有關(guān)［4］。對(duì)于一個(gè)實(shí)用的環(huán)形磁頭(如圖1所示)，通常需要用電子計(jì)算機(jī)數(shù)值求解的方法，來確定其磁化場的分布。

最普遍的近似計(jì)算方法都是建立在理想的環(huán)形磁頭這一基礎(chǔ)上的。理想的環(huán)形磁頭，是指符合下列四個(gè)基本假設(shè)條件的環(huán)形磁頭。

(1)認(rèn)為磁頭鐵心的相對(duì)磁導(dǎo)率μτ→∞，磁介質(zhì)的μτ→1;

(2)認(rèn)為磁頭在縫隙極面的長度L、縫隙寬度W、縫隙深度d和相對(duì)縫隙長度g都是無限大;

(3)認(rèn)為磁頭在縫隙處的幾何形狀都是理想的，無需考慮加工因素的影響;

(4)認(rèn)為磁頭縫隙平面間的磁場是完全均勻的，且等于一個(gè)恒定值Hl。

圖1 一種實(shí)用的環(huán)形磁頭

圖2 用安培環(huán)路法計(jì)算磁頭縫隙磁化場

1.1.2 安培環(huán)路法計(jì)算磁場分布

如上圖2所示來選取環(huán)路途徑ABCD，由于無電流通過該環(huán)路［5］，故I=0。AD和CB段都是磁頭的鐵心部分，鐵心材料μτ→∞，其磁場H=B/μ0μτ→0。故只有直線段DC及圓弧線段AB處有磁場，則上式可改寫為

按如圖2所示選取坐標(biāo)，使使坐標(biāo)原點(diǎn)位于封系邊緣的中心處，可得D點(diǎn)的坐標(biāo)為(－g/2，0)，C點(diǎn)的坐標(biāo)為(g/2，0)。圓弧上的任意一點(diǎn)P(x，y)處具有磁場H，且H=Hlg/πR

用磁場分量Hx、Hy分別來表示時(shí)，可得:

在縫隙中心的外平面(x=0)上，有

這表明該平面上只有磁場分量Hx，并且它隨著y的增大而減小。

2 磁介質(zhì)的記錄磁化過程

2.1 鐵氧體磁芯存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理

矩磁性材料是指一類磁滯回線接近于矩形、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高、矯頑力He適當(dāng)?shù)卮蟮拇判圆牧希?］。如圖3所示是磁芯典型的矩形磁滯回線和讀寫原理。

圖3 磁芯存儲(chǔ)器的矩形磁滯回線及讀寫原理

讓磁芯在H=0時(shí)的兩種穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)+Br和－Br分別于二進(jìn)制數(shù)碼“1”和“0”相對(duì)應(yīng)，利用磁芯的磁狀態(tài)來記憶二進(jìn)制信息，每個(gè)磁芯寄存一位信息。

信息的存取過程可分為寫入過程和寫出過程兩部分，它們由讀寫驅(qū)動(dòng)線及讀出線來完成。讀寫驅(qū)動(dòng)線(即信息地址線)x、y穿過磁芯構(gòu)成磁化線圈按照選址要求通入地址電流脈沖來磁化磁芯。寫入“1”時(shí)，x、y線上同時(shí)有同方向的正脈沖通過，產(chǎn)生超過矯頑力He的磁場強(qiáng)度，從而使脈沖過后磁芯達(dá)到+Br狀態(tài)，也是處于“1”的狀態(tài)。當(dāng)要讀出所記憶的內(nèi)容時(shí)，需要x、y線上同時(shí)有同方向的負(fù)脈沖通過，產(chǎn)生超過矯頑力He的負(fù)向磁場強(qiáng)度。如果該磁芯原記憶的內(nèi)容為“1”，在此磁場作用后，磁化狀態(tài)由+Br變成為－Br，磁化狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)就會(huì)在讀出線構(gòu)成的感應(yīng)線圈上產(chǎn)生感生輸出電壓;如果該磁芯原來記憶的內(nèi)容為“0”，在此磁場的作用下，磁化狀態(tài)只是由－Br→ －Bm→ －Br，因?yàn)椋瑽r≈ －Bm，其磁通幾乎不變，故不會(huì)產(chǎn)生電壓。因此，可以根據(jù)出線上是否有感應(yīng)電壓輸出來判斷記憶的內(nèi)容是“1”還是“0”。

2.2 磁性薄膜存儲(chǔ)器的工作原理

磁性薄膜存儲(chǔ)器，是采用真空蒸鍍、電鍍沉積等方法制備的坡莫合金薄膜作為數(shù)字信息高速存儲(chǔ)介質(zhì)的器件。該合金薄膜在制備過程中，施加了磁場處理，使該薄膜的膜面方向上呈現(xiàn)以原磁場處理方向?yàn)橐状呕S的感生單軸磁各向異性。沿易磁化軸磁化時(shí)具有矩形磁滯回線的特性，而沿與它垂直的難磁化方向磁化時(shí)，則具有線性磁化特性，如圖4所示:可以利用這種感生單軸磁各向異性，根據(jù)該易磁化軸上磁化矢量的不同取向來存儲(chǔ)二進(jìn)制的信息。磁性薄膜存儲(chǔ)器的工作方式與磁芯存儲(chǔ)器基本相同。規(guī)定易磁化軸方向的正負(fù)兩種磁化狀態(tài)與“1”和“0”數(shù)碼相對(duì)應(yīng)，利用讀出線上的感生輸出電壓的正負(fù)脈沖來判斷存儲(chǔ)的信息。

圖4 磁性薄膜膜面內(nèi)的磁化特性

3 磁記錄技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

基于磁記錄的諸多優(yōu)點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)技術(shù)方面;在軍事科學(xué)、空間技術(shù)方面，各種高空偵察機(jī)、通訊衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星上都安裝有磁記錄設(shè)備;在醫(yī)學(xué)方面，磁記錄裝置可用于記錄病人病情發(fā)展的全過程;在科學(xué)研究和生產(chǎn)管理中，可利用磁記錄裝置來記錄、監(jiān)測(cè)和控制各種科研試樣、產(chǎn)品部件中的有關(guān)物理、化學(xué)參數(shù)變化的全過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料消耗，調(diào)配生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各工序的均衡生產(chǎn)。

磁記錄和磁存儲(chǔ)的普及應(yīng)用又推動(dòng)著其自身水平的提高，磁記錄和磁存儲(chǔ)的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面:

一、提高記錄密度，擴(kuò)大存儲(chǔ)容量加快數(shù)據(jù)傳輸速度;

二、隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向微小型化方向發(fā)展磁存儲(chǔ)器也在逐步向微小型化方向過渡;

三、擴(kuò)大產(chǎn)品產(chǎn)量，增加產(chǎn)品品種規(guī)格，降低產(chǎn)品成本是磁記錄設(shè)備普及的關(guān)鍵。

結(jié)論

本文主要介紹了幫助人類記憶的一大重要技術(shù)磁記錄，首先，分析了磁記錄裝置中磁頭附近磁場的計(jì)算方法;接著，分析了鐵氧體磁芯存儲(chǔ)器和磁性薄膜存儲(chǔ)器的記錄磁化過程，使我們對(duì)磁記錄的工作原理有了深刻的理解;最后，指出磁記錄和磁存儲(chǔ)的發(fā)展趨勢(shì)，使我們從中掌握其在學(xué)習(xí)和工作中的重要性和必然性。

［1］成洪甫，高召順，王棟樑，李曉航.超高密度磁記錄介質(zhì)的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2010，24(13):35.

［2］郭子政.高密度磁記錄介質(zhì)的穩(wěn)定性問題及研究進(jìn)展［J］.信息記錄材料，2009，10(1):53.

［3］孫維平.磁記錄技術(shù)的新發(fā)展［J］.信息記錄材料，2004，5(1):34.

［4］鐘文定.鐵磁學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，1987.

［5］賈起民，鄭永令.電磁學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［6］J.F.Scott.鐵電存儲(chǔ)器［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

O441.2

A

1671－6469(2011)05－0087－04

2011－09－12

昌吉學(xué)院教研課題(11jyyb014);自治區(qū)級(jí)電磁學(xué)精品課題［新教高(2010)15號(hào)］;自治區(qū)級(jí)電磁學(xué)課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)［新教高(2011)31號(hào)］

智麗麗(1984－)，女，山西繁峙人，昌吉學(xué)院物理系，講師，研究方向:計(jì)算物理。

(責(zé)任編輯:馬海燕)