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第42章 信息领域的磁应用

前面我们曾经讲到过永磁体和软磁体。铁棒和钢棒本来不能吸引钢铁,当磁铁靠近它或与它接触时,它便有了吸引钢铁的性质,也就是被磁化了。软铁磁化后,磁性很容易消失,称为软磁性材料。而钢铁等物质在磁化后,磁性能够保持,称为硬磁性材料。硬磁性材料可做成永磁体,还可以用来记录信息。

磁带录音机的磁带上就附有一层硬磁性材料制成的小颗粒。磁带是一种用于记录声音、图像、数字或其他信号的载有磁层的带状材料,是产量最大和用途最广的一种磁记录材料。通常是在塑料薄膜带基(支持体)上涂覆一层颗粒状磁性材料(如针状γ-Fe2O3磁粉或金属磁粉)或蒸发沉积上一层磁性氧化物或合金薄膜而成。最早曾使用纸和赛璐珞等作带基,现在主要用强度高、稳定性好和不易变形的聚酯薄膜。

录音机的诞生已经100多年了,但是,录音机的真正流行还是在发明磁带以后。1935年德国科学家福劳耶玛发明了磁带,在醋酸盐带基上涂上氧化铁,正式替代了钢丝。1962年荷兰飞利浦公司发明盒式磁带录音机。

录音、放音原理示意图

上图是录音、放音原理的示意图。话筒把声音变成音频电流,放大后送到录音磁头。录音磁头实际上是个蹄形电磁铁,两极相距很近,中间只留个狭缝。整个磁头封在金属壳内。录音磁带的带基上涂着一层磁粉,实际上就是许多铁磁性小颗粒。磁带紧贴着录音磁头走过,音频电流使得录音头缝隙处磁场的强弱、方向不断变化,磁带上的磁粉也就被磁化成一个个磁极方向和磁性强弱各不相同的“小磁铁”,声音信号就这样记录在磁带上了。

放音头的结构和录音头相似。当磁带从放音头的狭缝前走过时,磁带上“小磁铁”产生的磁场穿过放音头的线圈。由于“小磁铁”的极性和磁性强弱各不相同,它在线圈内产生的磁通量也在不断变化,于是在线圈中产生感应电流,放大后就可以在扬声器中发出声音。普通录音机的录音和放音往往合用一个磁头。

磁带可以是四氧化三铁带(纯黑色)、二氧化铬带(枣红色)或者铁铬混合带、稀土带、铁氧体带等类型。用聚酯黏合剂均匀涂布在高密度聚乙烯膜(带基)上,电影带和相机胶卷用的是三醋酸纤维素片基。

录音磁头和放音磁头在录音机里根本就是一个,只是按下去的按钮不同,电路发生了改变,分别承担录放音功能。

录音时磁带先经过消音磁头(播放时它是横向蜷缩在上面的卡槽里,看不见),它可以是永久磁铁(低级录音机)、电磁铁或者高频振荡电路(高级录音机)。其中前两者都是通过磁带的磁粉的“饱和”来抹去以前的节目;而高频振荡电路才能创造出“零磁”,两种原理均能使磁带删除节目。

以播放为例,磁头中本来就有直流电通过。按下播放键,则机械传动装置和压带轴使磁带匀速通过磁头,磁带上的微粒影响了磁头的电场,获得忽强忽弱的电流。在三极管组成的桥式整流和滤波电路上得以放大;此后,还要经过后置放大器把电流传到音箱功放。

磁带正反转两面的节目为什么不一样?

这是由于磁头有4个空气隙,正转时利用2个,一个通过直流电使其工作产生恒定电场,一个通过音频输送到前置放大器;反转时通过另外2个,而前2个则不再有电流通过。同时详细观察磁带,别看磁带只有04毫米的宽度,实际上它是从带的正中间分为两部分的,分别承担正转或反转的节目,而且由于磁头的四磁间隙结构而不会相互干扰。

盒式磁带录音机所以,录音机有2个磁头:消音磁头和录/放音磁头。话筒把声音变成音频电流,放大后送到录音磁头。

磁录像机是同磁录音机相似的家用电器。它们之间的主要差异是:磁录音机为声—电—磁之间的转换,而磁录像机为光—电—磁之间的转换,正像收音机与电视机之间的差异。

录音带可以把声音录下来,计算机的硬盘可以把数据记录下来,磁盘也是利用磁头的电磁铁改变磁性物质的性质而达到记录数据的效果的。

体积越来越小,容量越来越大——在如今这个信息时代,存储信息的硬盘自然而然被人们寄予了这样的期待。得益于“巨磁电阻”效应这一重大发现,最近20多年来,我们开始能够在笔记本电脑、音乐播放器等所安装的越来越小的硬盘中存储海量信息。

过去使用的35英寸软盘通常说的硬盘也被称为磁盘,这是因为在硬盘中是利用磁介质来存储信息的。一般而言,在密封的硬盘内腔中有若干个磁盘片,磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道。每个磁道又进而被划分为若干个扇区。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个数据读出头。

简单地说,当数据读出头“扫描”过磁盘面的各个区域时,各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号,电信号的变化进而被表达为“0”和“1”,成为所有信息的原始“译码”。

伴随着信息数字化的大潮,人们开始寻求不断缩小硬盘体积,同时提高硬盘容量的技术。1988年,费尔和格林贝格尔各自独立发现了“巨磁电阻”效应,也就是说,非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应。

磁盘这一发现解决了制造大容量小硬盘最棘手的问题:当硬盘体积不断变小,容量却不断变大时,势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小,这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助“巨磁电阻”效应,人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头,使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出,并且转换成清晰的电流变化。

1997年,第一个基于“巨磁电阻”效应的数据读出头问世,并很快引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今,笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘,基本上都应用了“巨磁电阻”效应,这一技术已然成为新的标准。

而另外一项发明于20世纪70年代的技术,即制造不同材料的超薄层的技术,使得人们有望制造出只有几个原子厚度的薄层结构。由于数据读出头是由多层不同材料薄膜构成的结构,因而只要在“巨磁电阻”效应依然起作用的尺度范围内,科学家未来将能够进一步缩小硬盘体积,提高硬盘容量。知识点磁法勘探磁法勘探,通过观测和分析由岩石、矿石或其他探测对象磁性差异所引起的磁异常,进而研究地质构造和矿产资源或其他探测对象的分布规律的一种地球物理勘探方法。在造岩矿物中,只有磁铁矿﹑钛磁铁矿﹑磁黄铁矿和磁赤铁矿等少数矿物具有强磁性。因此,岩石及矿石的磁性强弱,主要决定于上述矿物的含量及分布情况。

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