Посвящение в радиоэлектронику - Владимир Поляков

Подлинную революцию в магнитной записи звука произвели кассеты. Согласитесь, что не совсем удобно каждый раз закреплять конец ленты на катушке и закладывать ленту в прорезь корпуса лентопротяжного механизма. Кассета сразу решила все эти проблемы. В кассетах используют еще более тонкие и узкие ленты, намотанные на две бобышки, постоянно расположенные в кассете.

Кассетные магнитофоны стали легче, удобнее, появились портативные модели с батарейным питанием. Часто попадаются в скверах, на улицах, в аудиториях институтов, техникумов и в метро молодые люди с карманным магнитофоном-проигрывателем (плейером) и легкими стереонаушниками. Надо ли говорить, что такой молодой человек плохо воспринимает внешний мир, оглушенный стереомузыкой (часто довольно низкопробной), он является вероятным кандидатом в жертвы дорожно-транспортных происшествий, а уж в аудиториях проводит время совершенно зря.

Устройство магнитофона (ГС, ГЗ, ГВ — головки стирания, записи и воспроизведения).

Но довольно о печальных последствиях усовершенствованной технологии, породившей «магнитофонный бум». Обратимся к физическим основам магнитной записи. Почему, собственно, на пленке остается записанный звуковой сигнал? Почему он не исчезает, как только перестает действовать магнитное поле головки? Таково свойство ферромагнетиков веществ с очень высокой магнитной проницаемостью. Что это такое? — Коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается магнитная индукция в веществе по сравнению с пустым пространством. Магнитное поле создастся электрическим током. Магнитные силовые линии, проведенные в направлении вектора магнитной индукции В‾, по форме представляют собой кольца, нанизанные на провод с током. Если провод свернуть в кольцо, магнитная индукция возрастет. Сделаем кольцо из нескольких витков и таким образом заставим ток несколько раз обегать наше кольцо. Во столько же раз возрастет и магнитная индукция. У нас получилась катушка индуктивности, создающая магнитное поле при пропускании через нее тока. Введем в катушку сердечник из железа, феррита или другого ферромагнетика. Магнитное поле возрастет. Но почему, ведь ток-то мы не увеличивали?!

Оказывается, в железе, как и в любом ферромагнетике, есть свои крошечные, как говорят, элементарные магнитики. Простейший атом с одним электроном, вращающийся со скоростью v вокруг ядра, уже является элементарным магнитом, ведь движущийся заряд-электрон — это кольцевой ток, создающий свое собственное магнитное поле. Кроме того, электрон обладает еще и собственным магнитным моментом, обусловленным, как можно себе представить, быстрым вращением электрона вокруг собственной оси — его спином. Отдельно взятые магнитные поля атомов очень слабы. Но когда вещество ферромагнетика кристаллизуется из расплава, электроны ориентируются своими магнитными полями в одну сторону. Образуется микрокристаллик — домен, в котором все элементарные магнитные поля складываются и образуют уже значительное магнитное поле домена. Но если кусок ферромагнетика не намагничен, то магнитные поля доменов ориентированы как попало, хаотически, и общее магнитное поле в веществе отсутствует. Картина сразу меняется, если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле (в катушку индуктивности). Внешнее поле заставляет магнитные поля доменов поворачиваться, ориентироваться в одном направлении. Теперь к внешнему полю добавляются собственные поля доменов, и общее магнитное поле возрастает.

Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков очень велика: она может достигать нескольких тысяч и даже десятков тысяч. Во столько же раз возрастает и магнитное поле в сердечнике. Вот какой огромный эффект создают крошечные элементарные магнитики — домены! Поэтому все катушки в электротехнических устройствах — трансформаторах, двигателях, электромагнитах и в той же головке магнитофона — обязательно наматывают на ферромагнитных сердечниках. Без магнитопровода потребовалось бы гораздо больше витков, а в ряде случаев устройство и вообще нельзя было бы изготовить.

Магнитный поток головки.

А зависят ли магнитные свойства ферромагнетика от величины приложенного магнитного поля? Оказывается, зависят, и очень сильно. Эту зависимость лучше всего изобразить — графически. Отметим по горизонтали напряженность внешнего магнитного поля Н. Она пропорциональна силе тока в катушке. А по вертикали отложим магнитную индукцию в магнитопроводе В. На начальном участке кривой при малом токе в катушке индукция возрастает не очень быстро. Домены поворачиваются в направлении поля как бы нехотя. Затем магнитная индукция возрастает быстрее. В этой части кривая намагничивания идет круто вверх. Наконец, все домены поворачиваются по полю и индукция перестает расти. Кривая намагничивания теперь идет почти горизонтально, и магнитная проницаемость резко падает. Это явление называется насыщением, а предельная величина индукции в магнитопроводе — индукцией насыщения ВНАС. То, что у нас получилось, называется основной кривой намагничивания.

Магнитное поле кругового тока.

Еще более интересные явления произойдут, если мы доведем ферромагнетик до насыщения и будем уменьшать внешнее поле. В этом случае разные ферромагнетики ведут себя по-разному. У магнитомягких материалов, к которым относится, например, железо, индукция будет уменьшаться и исчезнет вместе с внешним полем. Из магнитомягких материалов делают сердечники электромагнитов, используемых, например в реле. Пока в обмотке течет ток, магнитопровод намагничен и притягивает магнитные предметы. Но стоит ток выключить, как все магнитные свойства сердечника исчезают, и он остается таким же простым куском железа, каким и был раньше. Иначе обстоят дела у магнитотвердых материалов. Ток в катушке можно уменьшить до нуля, но намагниченность магнитопровода не исчезает! Он продолжает притягивать ферромагнитные предметы. Собственно, именно так и изготавливают постоянные магниты в форме подковы, бруска или магнитной стрелки компаса.

Круговые токи в атомах приводят к намагничиванию тела, как целого.

Магнитное поле катушки.

На нашей кривой линия раздваивается: при увеличении напряженности магнитного поля мы движемся по уже знакомой кривой намагничивания, а при уменьшении — по другой кривой, проходящей заметно выше. И когда ток в катушке, а следовательно, и Н обращаются в нуль, индукция магнитопровода не исчезает, а остается равной некоторой величине Вост, которая так и называется — остаточная индукция. Чтобы размагнитить сердечник, надо пустить ток противоположного направления. Напряженность поля, при которой индукция В обратится в нуль, называется коэрцитивной силой Нс. Чем больше коэрцитивная сила, тем труднее размагнитить данный ферромагнетик.

Кривая намагничивания.

Если еще увеличить в катушке ток противоположного направления, мы снова намагнитим магнитопровод, но его полюсы поменяются местами. Опять можно прийти к индукции насыщения Внас, уменьшив ток до нуля, — к остаточной индукции Вост, и т. д. Периодически перемагничивая магнитопровод, мы получаем некоторую замкнутую кривую, называемую петлей гистерезиса. Чем больше площадь петли, тем большую работу надо затратить на перемагничивание ферромагнетика.

Петля гистерезиса.

Доменная теория легко объясняет все описанные явления. Первоначально домены — элементарные магнитики вещества — расположены хаотично. Внешнее поле ориентирует их, и уже повернувшиеся домены помогают своим полем и остальным повернуться в том же направлении. Этим объясняется возрастание крутизны кривой намагничивания при умеренных полях. При насыщении все домéны повернулись по направлению поля и индукция возрастать более не может. Ну а когда внешнее поле исчезает, домены магнитотвердого ферромагнетика сохраняют свою ориентацию, создавая остаточную индукцию.

Теперь становится ясно, какой материал нужен для рабочего ферромагнитного слоя магнитной ленты. Магнитомягкий материал не подходит: запись на нем исчезает сразу, как только данный участок ленты пройдет мимо головки. Нужен магнитотвердый материал с большой остаточной индукцией. Чем она больше, тем большим может быть уровень записи.