В начале раздела мы говорили, что магнитная запись звука основана на способности некоторых материалов намагничиваться, проходя через магнитное поле, и сохранять намагниченное состояние после выхода из этого магнитного поля. Мы рассказывали и о том, что наиболее подходящий для этой цели материал - окись железа, точнее, его гамма-окисел.
Физические процессы, происходящие при магнитной записи звука, достаточно сложны. Чтобы их объяснить, нам пришлось бы углубиться в современную теорию строения атома, в довольно сложные процессы, происходящие в веществе при изменении его магнитного состояния. Однако без некоторых пояснений все же не обойтись. Поэтому дадим их в самом простом виде и в сжатой форме.
В магнитной записи звука широко используют ферромагнитные материалы. Они отличаются от других материалов способностью сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях. Ферромагнитные материалы условно можно разделить на магнитномягкие и магнитнотвердые. К первым относят электротехнические стали, сплавы пермаллой, викалой и другие материалы, а ко вторым - сплавы и порошки для изготовления постоянных магнитов и носителей записи (магнитных лент).
Под воздействием внешнего магнитного поля магнитное состояние ферромагнитного материала может изменяться, то есть изменяется его намагниченность. Зависимость намагниченности ферромагнитного материала от напряженности воздействующего на него внешнего магнитного поля можно представить петлеобразной кривой, показанной на рисунке. Такую кривую называют петлей гистерезиса.
Рис. 9. Петля гистерезиса показывает зависимость намагниченности ферромагнитного материала от напряженности воздействующего на него внешнего магнитного поля. По петле гистерезиса можно определить максимальную остаточную намагниченность J макс, коэрцитивную силу J0 данного материла и другие его магнитные свойства.
Если бы мы с вами взяли образец полностью размагниченного ферромагнитного материала и начали воздействовать на него внешним магнитным полем, то с помощью измерительных приборов смогли бы зафиксировать следующую картину. В начальный момент, когда напряжение внешнего магнитного поля (обозначим его латинской буквой Н) равно нулю, намагниченность образца (обозначим ее буквой J) также будет равна нулю. По мере увеличения внешнего магнитного поля будет расти и намагниченность образца, причем рост этот будет наблюдаться до тех пор, пока при каком-то значении внешнего магнитного поля (назовем его +Нмакс) намагниченность образца увеличиваться больше не будет (эту точку обозначим +J макс). Рассмотренный нами процесс изображен на рисунке кривой I, называемой кривой начального намагничивания.
Теперь, когда намагниченность образца остается на неизменном уровне (хотя, строго говоря, она все время увеличивается, но увеличивается настолько незначительно, что этот прирост намагниченности можно не принимать во внимание), начнем уменьшать напряженность внешнего магнитного поля. При этом приборы покажут, что намагниченность образца будет изменяться совершенно иначе, чем это имело место во время намагничивания. Когда же напряженность внешнего магнитного поля будет сведена к нулю, образец будет обладать еще какой-то намагниченностью, называемой остаточной и обозначенной на рисунке точкой +Jr макс (кривая II). Отличие изменения намагниченности образца при уменьшении напряженности внешнего магнитного поля от кривой начального намагничивания и носит название магнитного гистерезиса. Продолжим опыт с образцом.
Доведя напряженность внешнего магнитного поля до нуля, изменим его полярность и вновь начнем увеличивать до значения - Н макс, равного по абсолютной величине +Нмакс. При этом приборы отметят, что намагниченность образца сперва станет равной нулю (точка - J0), а затем будет изменяться до тех пор, пока в точке - Нмакс, не достигнет величины - J макс, численно равной +J макс. Если же теперь вновь уменьшать напряженность внешнего магнитного поля до нуля, поменять его полярность и опять увеличивать до значения +Н макс, кривая намагниченности образца пройдет через точки - Jr макс, +J0 и достигнет точки + Н макс (кривая III).
Таким образом, в течение полного цикла намагничивания, когда напряженность внешнего магнитного поля изменяется в пределах +Н макс... Н0... - Н макс... Н0... + Н макс, характер изменения намагниченности образца выразится замкнутой кривой, проходящей через точки +J макс... + Jr макс... - J0... - J макс... - Jr макс... + J0... +J макс. Эта кривая и носит название петли гистерезиса.
Рассмотренную нами кривую изменения намагниченности образца в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля можно назвать еще петлей гистерезиса по намагниченности. Она имеет две характерные точки. Об одной из них - точке +Jr макс, соответствующей максимальному значению остаточного намагничивания,- мы уже говорили. Другую точку - J0 - принято называть задерживающей или коэрцитивной силой данного вещества или материала. Величины остаточной намагниченности и коэрцитивной силы являются характерными параметрами для всех ферромагнитных материалов, и в частности для носителя магнитной записи - магнитной ленты.
Теперь, зная петлю гистерезиса и две ее характерные точки, уточним особенности ферромагнитного материала. Магнитно-твердые материалы имеют большую коэрцитивную силу и соответственно широкую петлю гистерезиса. Их характерная особенность - малая магнитная восприимчивость и большое постоянство магнитных свойств. Магнитномягкие материалы, наоборот, имеют малую коэрцитивную силу и узкую петлю гистерезиса, но обладают значительной магнитной проницаемостью, а магнитное насыщение у них наступает при незначительной напряженности внешнего магнитного поля. Такие материалы применяют для изготовления сердечников трансформаторов, магнитных головок и т. п. Для сравнения петли гистерезиса для магнитнотвердых и магнитномягких материалов показаны на рисунке.
Рис. 11. Характеристика остаточной намагниченности показывает величину магнитного потока, оставшегося в материале после воздействия на него внешнего магнитного поля.
Кроме этого, ферромагнитные материалы характеризуются относительной магнитной проницаемостью м значительно большей единицы, причем величина относительной магнитной проницаемости зависит от напряженности магнитного поля. К этому следует добавить, что процессы намагничивания могут быть как обратимые, так и необратимые. При обратимых процессах уменьшение воздействия внешнего магнитного поля от некоторого значения до нуля вызывает восстановление первоначального состояния ферромагнитного материала, например размагниченного. При необратимых процессах уменьшение внешнего магнитного поля до нуля не приводит к восстановлению первоначального состояния ферромагнитного материала и вызывает лишь изменение намагниченности. Магнитная запись звука происходит в области необратимых процессов, а величина остающегося магнитного потока имеет наибольшее значение для использования магнитной ленты в качестве носителя записи. На рис. 11 показана типичная кривая остаточного магнитного потока современных магнитных лент. Приведенная кривая показывает прежде всего, что при малых значениях напряженности магнитного поля остаточный магнитный поток ленты очень мал. При этом намагничивание происходит в основном в области обратимых процессов. Далее -следует линейный участок, протяженность которого для разных лент различна. В середине прямолинейного участка находится точка Н' перегиба кривой остаточной намагниченности. Переход к состоянию насыщения носит примерно такой же характер, как у кривой начального намагничивания. Точка Н" перегиба соответствует напряженности поля, превышающей величину коэрцитивной силы.
Вот мы и начали разговор непосредственно о магнитных лентах - основных носителях магнитной записи звука.
Почему основных? Да потому, что, помимо магнитной ленты, для записи используют проволоку, магнитные диски, листы и так называемые «манжеты». Правда, используют их только в специальной аппаратуре - диктофонах, телефонных ответчиках и т. п.
Прежде чем перейти к рассказу о параметрах магнитной ленты, необходимо хотя бы кратко остановиться на их устройстве. Рассказывая об истории появления магнитных лент, мы упоминали о том, что впервые была предложена магнитная лента, состоящая из основы и нанесенного на эту основу рабочего слоя, в который входили магнитный порошок и связующие вещества. Такая магнитная лента получила название двухслойной, и в настоящее время мы ей повсеместно пользуемся. В сороковых - пятидесятых годах зарубежные фирмы пытались создать однослойные или, как их еще называли, сплошные магнитные ленты. Такие ленты состояли из полихлорвинила, составляющего как бы основу ленты, и равномерно распределенного в нем ферромагнитного порошка. Однослойные ленты, имевшие толщину порядка 50 мкм, не нашли распространения главным образом из-за плохих электроакустических свойств, вызванных малой объемной концентрацией магнитного порошка. Попытка увеличить объемную концентрацию магнитного порошка привела к уменьшению прочности ленты, Поэтому сплошные ленты в настоящее время не изготовляют, хотя в то время было выпущено несколько типов таких лент.
Знакомая нам магнитная лента является двухслойной, где на пластмассовую основу нанесен рабочий слой ферромагнитного порошка. До недавнего времени в качестве материала основы применяли только диацетилцеллюлозу (ДАЦ), триацетилцеллюлозу (ТАЦ) или поливинилхлорид (ПВХ). Отечественные магнитные ленты типов 2 и 6 выпускались на диацетил- и триацетилцеллюлозной основе. В настоящее время широкое распространение получила основа из полиэтилентерефтолата (ПЭ), называемого у нас лавсаном. На этой основе выпускаются отечественные магнитные ленты типов 10, А 4402-6 и А 4407-6Б. В других странах полиэтилентерефтолат имеет другие названия. Например, в США его называют майларом, в ФРГ - хостафан, в Англии - милайнекс, во Франции - терфан и т. д.
Рис. 12. Двухслойная магнитная лента состоит из основы и нанесенного на нее ферромагнитного слоя.
Если диацетилцеллюлозная основа применяется в основном для изготовления магнитных лент толщиной 55 и 37 мкм, то триацетилцеллюлозную или поливинилхлоридную основу используют еще и для изготовления магнитной ленты толщиной 27 мкм. Полиэтилентерефтолатную основу применяют при изготовлении магнитных лент толщиной 37, 27, 18 и 12 мкм. Таким образом, магнитная лента в зависимости от материала основы может иметь общую толщину 55, 37, 27, 18 или 12 мкм. По времени звучания магнитную ленту толщиной 55 мкм называют одинарной, толщиной 37 мкм - полуторной, 27 мкм - двойной, 18 мкм - тройной и 12 мкм - четверной. В практической деятельности магнитную ленту толщиной 55 мкм называют обычной, толщиной 37 мкм - долгоиграющей, а толщиной 27 мкм - сверхдолгоиграющей. Для более тонких магнитных лент подходящего эпитета пока еще не нашли, и их также называют сверхдолгоиграющими. В настоящее время имеются данные о разработке и начале промышленного изготовления магнитной ленты толщиной 9 мкм, а также о разработке магнитной ленты с рабочим слоем из металлических сплавов, наносимых на основу методом распыления в вакууме или химическим и электрохимическим способами.
Рабочий слой магнитных лент представляет собой порошок гамма-окисла железа (л х Fe2O3) или железокобальтовый феррит (Со х Fe2O3). Не останавливаясь на способах получения порошка, укажем лишь, что для изготовления отечественных магнитных лент используют феррит кобальта кубической формы с размером около 0,4 мкм (магнитная лента типа 2) и гамма-окисел железа игольчатой формы с длиной частиц около 0,4 мкм и отношением ее длины к диаметру, примерно, равным трем (магнитные ленты типов 6 и 10). Чтобы представить себе величину этих самых маленьких магнитиков, сопоставьте, например, диаметр этого магнитика с диаметром человеческого волоса. Диаметр человеческого волоса почти в пятьдесят раз больше диаметра частицы гамма-окисла железа игольчатой формы. Вот с какими величинами приходится иметь дело при изготовлении магнитной ленты.
Для бытовой магнитной записи звука используют магнитные ленты двух размеров по ширине: 6,25 и 3,81 мм. Первая из них предназначена для работы в катушечных магнитофонах, а вторая - в кассетных.
Чем вызваны такие размеры магнитных лент и не проще ли было бы их сделать кратными целым числам?
Размеры магнитных лент сложились исторически и связаны с дюймовой системой мер. Так, первые магнитные ленты имели ширину 6,35 мм, что соответствует одной четверти (0,25) дюйма, но в дальнейшем этот размер был изменен на 6,25 мм, что связано с системой допусков на этот размер. Ширина другой магнитной ленты - 3,81 мм - равна 0,15 дюйма.
В зависимости от общей толщины магнитной ленты колеблется и толщина ее рабочего слоя. Так, при общей толщине магнитной ленты в 55 мкм толщина рабочего слоя может быть от 11 до 16 мкм, а у магнитной ленты толщиной 18 мкм рабочий слой составляет всего 5 - 6 мкм.
Вы, очевидно, обратили внимание на обозначение магнитных лент, составленное из букв и цифр. Это новый код, показывающий некоторые характеристики магнитной ленты. Познакомимся с ним.
Обозначение конкретного типа магнитной ленты должно состоять из пяти элементов.
Первый элемент - буквенный индекс, обозначающий основное или предпочтительное назначение магнитной ленты. Например, индекс А показывает, что магнитная лента предназначена для записи звука, индекс Т - для видеозаписи.
Второй элемент - цифровой индекс, показывает материал основы магнитной ленты. Здесь цифрой 2 обозначается диацетилцеллюлоза, цифрой 3 - триацетилцеллюлоза и цифрой 4 - полиэтилентерефтолат (лавсан).
Третий элемент - цифровой индекс, округленно показывающий общую толщину магнитной ленты. Так, цифрой 2 обозначается магнитная лента толщиной 18 мкм, цифрой 3 - толщиной 27 мкм, цифрой 4 - толщиной 37 мкм и цифрой 6 - толщиной 55 мкм.
Четвертый элемент состоит из двух цифр и показывает порядковый номер разработки магнитной ленты.
Пятый элемент также цифровой. Он отделяется от остальных элементов дефисом и округленно показывает ширину магнитной ленты в миллиметрах.
После пятого элемента может стоять буквенный индекс, показывающий область использования магнитной ленты. Здесь буквой Б обозначается магнитная лента для бытовых магнитофонов, буквой Р - для радиовещания и т. д.
Выпускавшаяся ранее магнитная лента типа 6 на диацетилцеллюлозной основе по новому коду имеет обозначение А 2602-6, магнитная лента типа 10 на полиэтилентерефтолатной основе - А 4402-6, а магнитная лента для кассетных магнитофонов А 4203-3. Новая магнитная лента для катушечных магнитофонов получила наименование А 4407-6Б.
Магнитная лента является носителем магнитной записи звука, то есть тем материалом, который, проходя через магнитное поле, намагничивается и сохраняет потом свое намагниченное состояние после выхода из магнитного поля. Но чтобы носитель магнитной записи намагничивался, нужно создать магнитное поле определенной величины и направления.
Чем же создать столь необходимое нам магнитное поле? Для этого во всех магнитофонах применяют так называемые магнитные головки. Рассмотрим сперва их устройство и определим назначение.
Рис. 13. Кольцевая магнитная головка состоит из двух полуколец 1 и 2, образующих сердечник, на каждом из которых помещена обмотка 3. Полукольца соединены между собой и стянуты накладками 5. В передней части головки между половинами сердечника вставлена диамагнитная прокладка 4, образующая рабочий зазор.
Магнитную головку магнитофона правильнее было бы называть электромагнитной, так как в действительности она представляет собой электромагнит. Как каждый электромагнит, головка имеет сердечник из магнитномягкого материала и расположенную на нем обмотку. При пропускании через обмотку переменного тока сердечник головки намагничивается. Однако, чтобы магнитные силовые линии не замыкались в сердечнике и выходили наружу, сердечник разрывают, то есть делают в нем так называемый рабочий зазор, который еще называют воздушным. Итак, мы установили, что магнитная головка представляет собой сердечник с рабочим зазором и намотанной на нем обмоткой. Рассмотрим подробнее устройство магнитных головок и их назначение.
Мы уже говорили, что одним из «эпохальных» явлений в развитии магнитной записи звука стало появление кольцевой магнитной головки, которая позволила резко улучшить качество записей. Внешний вид и устройство такой магнитной головки, которую называют иногда тороидальной, показаны на рисунке. Она состоит из наборного сердечника в виде двух полуколец. Пластины сердечника обычно изготовляют из пермаллоя толщиной 0,1 - 0,2 мм. На каждое полукольцо намотана катушка, представляющая собой половину обмотки. Обе половины сердечника плотно стянуты между собой и закреплены между верхней и нижней накладками винтами. В рабочей части сердечник сделан утоненным, как бы образующим «носик». Здесь при сборке магнитной головки устанавливают немагнитную прокладку, образующую рабочий зазор в сердечнике головки. После сборки поверхность сердечника у рабочего зазора тщательно шлифуется или даже полируется, чтобы магнитная лента как можно лучше прилегала к сердечнику головки.
В современных малогабаритных магнитных головках сохранен тот же принцип устройства. Однако сердечник делают не круглым, а прямоугольным. Такие головки имеют много вариантов исполнения, отличающихся друг от друга конструктивными, технологическими и экономическими характеристиками. Последнее обстоятельство имеет немаловажное значение при конструировании бытовых магнитофонов. Поэтому в бытовой аппаратуре магнитной записи звука применяют еще и так называемые лепестковые магнитные головки. Сердечник таких головок обычно состоит из двух пластин, изготовленных из пермаллоя толщиной 0,3 - 0,4 мм. По параметрам лепестковые магнитные головки несколько уступают магнитным головкам с наборным сердечником. Но простота конструкции и технологичность таких головок являются причинами, из-за которых их до сих пор применяют в бытовых магнитофонах как у нас в стране, так и за рубежом.
В зависимости от количества витков в катушке и диаметра применяемого для намотки провода магнитные головки разделяют на высокоомные и низкоомные. Высокоомные магнитные головки обычно используют в аппаратуре, работающей на радиолампах. В малогабаритной аппаратуре, где электрическая схема построена на транзисторах, используют обычно только низкоомные головки. Такие же магнитные головки применяют и в профессиональной аппаратуре, но здесь согласование магнитной головки с электрической частью магнитофона производят при помощи специального трансформатора.
Магнитные головки различают еще по выполняемым ими в магнитофоне функциям. Здесь различают записывающую, воспроизводящую и стирающую магнитные головки. В бытовой аппаратуре магнитной записи звука с целью упрощения конструкции и удешевления аппаратуры вместо записывающей и воспроизводящей магнитных головок применяют одну комбинированную магнитную головку, которую в этом случае называют универсальной. В конструктивном отношении универсальная магнитная головка является компромиссом между записывающей и воспроизводящей магнитными головками. Иногда у таких магнитных головок делают две раздельные обмотки, одна из которых работает при записи звука, а другая - при его воспроизведении, или от части витков обмотки делают отвод. Тогда всю обмотку используют при воспроизведении звука, а ее часть - при записи звука.
Сердечник стирающих магнитных головок в настоящее время изготовляют почти исключительно из феррита. Объясняется это тем, что при сердечнике из феррита уменьшаются потери на вихревые токи, а отсюда уменьшается и общая мощность, потребляемая стирающей магнитной головкой от источника тока. Одновременно может быть уменьшен и ток высокочастотного подмагничивания у записывающей магнитной головки. В настоящее время появились воспроизводящие, записывающие и универсальные магнитные головки с сердечником из монокристалла феррита, но широкого распространения они пока не получили из-за сложности изготовления феррита с нужными параметрами. Магнитные головки с сердечником из монокристалла феррита более стойки, и их срок службы в 3 - 5 раз больше срока службы обычных магнитных головок. Поэтому такие головки получили название «вечных».
