Grabacion Magnetica
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UNR – Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura Escuela de Ciencias Exactas y Naturales Departamento de Física – Física III Grabación Magnética Autores: Lozano, Ariel Tendela, Lucas 2003 Índice 1. Introducción 2. Principios generales 2.1. Relación entre la velocidad de cinta (vc) respecto del ancho de entrehierro (d) 3. Materiales utilizados en las cintas y cabezales 4. Discos rígidos 4.1. Principales componentes de una unidad de disco duro 4.2. Almacenando la información 5. Bibliografía consultada 1. Introducción En cuanto a la grabación, el primero que intentó registrar sonidos en un soporte fue Edison, empleando procedimientos mecánicos. Puesto que el sonido consiste en variaciones de presión del medio, normalmente el aire, Edison pensó que esas oscilaciones podrían mover una aguja de forma que ese desplazamiento siguiera el movimiento de la onda. Así, la aguja impresionaba una hoja de hojalata. Pero su invento tenía un serio inconveniente: la reproducción era muy difícil. Años después, Berliner consiguió imprimir las variaciones de presión lateralmente (transversalmente) en una superficie de cera, que era más fácil de leer y copiar: este es el sistema de grabación mecánica, usado en los abuelos de la grabación y reproducción del sonido, los discos de vinilo. Pero en la década 30 apareció un sistema mejor que el de Berliner y que ha sido el más usado hasta la aparición de la tecnología digital: la grabación magnética. La grabación magnética es una de las tecnologías mas importantes de la era electrónica. Es una manera fundamental y permanente de almacenar información. Este sistema se utiliza en cassettes de audio, cintas de video, disquetes, discos duros... 2. Principios generales En la actualidad la grabación magnética no tiene mayores secretos, pero no se puede olvidar que se debieron superar importantes dificultades, donde quedó demostrado el ingenio y la creatividad de los especialistas de la época. En esta parte se pretende describir en términos generales eléctrica, física y matemáticamente los procesos de grabación y reproducción en una cinta magnética. 2 En la figura se muestra esquemáticamente el proceso de grabación en una banda magnética y su posterior reproducción. El cabezal consiste en una herradura de material ferromagnético sobre la cual se encuentra un bobinado que origina un flujo magnético φ (t ) cuando se hace circular una corriente por él. En el proceso de grabación el cabezal imprime una huella o camino donde ordena magnéticamente las partículas que sobre él se encuentran; al camino así formado lo denominaremos pista. El flujo φ (t ) que se origina en el circuito magnético y que se imprime en la cinta por estar cerrando el entrehierro (gap) es proporcional a la corriente i(t) que circula por el bobinado de la cabeza grabadora. En general la grabación se efectúa por medio de una fuente de corriente proporcional a la señal de entrada, para evitar los efectos de distorsión que provoca la inductancia del bobinado. De este modo se asegura que el flujo en el entrehierro, sea proporcional a la tensión de entrada en todas las frecuencias, es decir i (t ) = kVE y φ (t ) = Ki (t ) entonces φ (t ) = CVE si tenemos una entrada armónica senoidal VE (t ) = Ve sen(ωt ) , resulta entonces, φ (t ) = CVe sen(ωt ) En resumen, el flujo en el entrehierro, que magnetizará la cinta en movimiento, seguirá sin modificaciones los valores instantáneos de la señal de entrada. 3 En la reproducción las condiciones se modifican. El campo magnético que está grabado en la cinta, al moverse esta última frente al entrehierro, produce en el circuito magnético del cabezal un flujo φ '(t ) y este dará origen a una fuerza electromotriz Vs que induce una corriente en los alambres que rodean al núcleo de la cabeza lectora. Esta tensión podemos expresarla como sigue: dφ '(t ) d = − ( C Ve sen(ωt ) ) Vs = − dt dt tendremos Vs = −ω C Ve cos ωt Resultando como el valor máximo de la tensión de salida: Vs = ω C Ve De modo que, en conclusión de esta última ecuación, podemos decir que el valor de pico de la señal de salida es proporcional a las pulsaciones ω y en consecuencia a la frecuencia de la señal grabada, dado que C y Ve son constantes. En este caso se debe resaltar que la velocidad relativa cinta cabezal tanto en grabación como en reproducción debe ser la misma. Podemos analizar la siguiente situación, supongamos que la señal grabada es un barrido de frecuencia de amplitud constante, donde f1 es la frecuencia mínima y f2 la frecuencia máxima, resultará entonces Vs1 la tensión de salida para la frecuencia menor y Vs2 la tensión de salida para la frecuencia mayor, pero debido a la proporcionalidad expresada anteriormente, encontraremos que estas se relacionan de la siguiente manera: Vs1 Vs2 = f1 f2 de esta última expresión encontraremos que si f2 = 2 f1, vale decir que la frecuencia máxima es el doble de la mínima, la relación de amplitudes será también el doble. Por ejemplo, si se tienen dos señales de 100 Hz y 200 Hz respectivamente que originalmente tienen la misma amplitud, al reproducir, la señal de mayor frecuencia tendrá el doble de amplitud. Dentro de ciertos límites de frecuencia esto no es preocupante, se recurre a procesos de ecualización, es decir circuitos que producen el efecto inverso, o sea, amplificar más las frecuencia más bajas y menos las frecuencia mayores. Por último, en el proceso de borrado se utiliza una frecuencia más alta en las oscilaciones del campo magnético para así desorientar las partículas de la cinta. El sonido de fondo que oímos en las cintas ya usadas es un cierto magnetismo remanente. Por eso es importante no acercar las cintas a campos magnéticos potentes, como cables eléctricos, altavoces e imanes en general ya que pueden borrarse. 2.1 Relación entre la velocidad de cinta (vc) respecto del ancho de entrehierro (d) Para esta parte del estudio, debemos hacer algunas consideraciones previas. La cinta esa formada por pequeñas partículas que han de ser convertidas en imanes (magnetizadas) durante la grabación. Estas partículas constituyen imanes de alta remanencia. En esta etapa analizaremos el comportamiento de una de estas partículas que han de ser convertidas en imanes, para almacenar la información. 4 La figura muestra distintas situaciones, que relacionan el flujo magnetizante y el desplazamiento de la partícula elemental en el espacio del entrehierro. Para poder continuar diremos también que la velocidad de cinta vc es constante y además la misma en la grabación y reproducción. Este movimiento debe ser lo más uniforme posible (controlado por medios electrónicos); dado que toda diferencia de velocidad será causa de deformaciones de la señal. Separemos dos casos: Frecuencias altas. Mientras la partícula elemental recorre el entrehierro, ésta es magnetizada en distintos sentidos o con polaridades opuestas, según el semiciclo que se trate de la señal alterna que se pretende grabar. Por estar considerando una frecuencia elevada, el cambio de orientación magnética producido por la señal es más rápido que el tiempo empleado por elemento de cinta, para salir de la zona de influencia del flujo existente en el entrehierro. 5 Frecuencias bajas. Cuando se graba señales de baja frecuencia, en el instante de ingreso de la partícula en estudio, el flujo grabador, tiene un signo y se mantiene hasta salir la partícula, cambiando de signo cuando ésta ya ha abandonado la zona del entrehierro, según se observa en la figura. De este análisis cualitativo, se desprende, según se ha expresado anteriormente, que las posibilidades de grabar frecuencias elevadas, están relacionadas con el ancho del entrehierro d y la velocidad relativa de desplazamiento vc respecto del cabezal. Una reducción del entrehierro, un aumento de la velocidad de cinta o ambas simultáneamente, harán que el elemento magnetizado, salga de la zona de influencia del flujo antes del cambio de polaridad del campo creado por las señal (si cambia la polaridad implica una desmagnetización o reducción del magnetismo almacenado por la partícula). Es importante resaltar que al hablar de velocidad de desplazamiento, siempre se referencia a la velocidad relativa cinta-cabezal, dado que el proceso es el mismo ya sea que la cinta se desplace frente a la cabeza grabadora (caso de audio), o bien, que la cabeza se mueva respecto de la cinta (videograbación). 3. Materiales utilizados en las cintas y cabezales Como ya hemos dicho, cada partícula del material magnético depositado en la cinta constituye un imán. Estos imanes son de alta remanencia, por lo que permanecen en el mismo estado mientras no actúen sobre los mismos campos magnéticos que lleven a sus moléculas a orientarse en forma diferente. Sin embargo todo lo dicho no se cumple en forma absoluta, sino con algunas limitaciones. 6 La curva de la figura es la bien conocida curva de histéresis de los materiales magnéticos. El trazo entre A y B corresponde a la relación entre el campo magnetizante H que origina la bobina y la imanación obtenida en el núcleo magnético, cuando el material es virgen. La inducción crece al principio en forma lenta para luego hacerlo en forma casi uniforme, hasta alcanzar un punto en el que llega a la saturación. Esto es consecuencia de que todas las partículas están orientadas en la dirección impuesta por la excitación. Ahora si disminuye la corriente aplicada a la bobina, comienza a disminuir la inducción, pero no lo hace recorriendo el mismo camino trazado en el gráfico, por el contrario, todo ocurre como si solo una parte de las moléculas volviesen al desorden primitivo y otras quedan orientadas como si aún actuara el campo de la bobina. Esto se hace mas notorio donde la excitación magnética es cero, sin embargo, la inducción conserva un valor [Br] nada despreciable. Este efecto se denomina remanencia. Es evidente que los materiales con que se construyen los imanes permanentes son de alta remanencia, el mismo concepto le caben a los materiales depositados en los soportes que se utilizan en las grabaciones de audio, video e informáticas. Volvamos a la curva de histéresis, especialmente al tramo C – D, donde se ha invertido el sentido de la corriente y por lo tanto de la intensidad de campo, logrando así la disminución de la inducción, hasta lograr finalmente anularla. Hemos vuelto a un núcleo totalmente desimantado, pero para ello, nos vemos en la necesidad de aplicar una corriente en sentido contrario al inicial. Este punto o valor de excitación [Hc] se denomina campo coercitivo. En el trazo D – E, se puede apreciar como se imana el material pero en sentido contrario, nuevamente la inducción crece hasta alcanzar el valor de saturación, por las mismas causas anteriores. Solo que ahora las moléculas se han orientado en sentido opuesto. Continuando con la evolución de la corriente de excitación, encontraremos el mismo efecto de remanencia descripto anteriormente, pero, ahora en sentido opuesto, y, seguramente si aumentamos ahora la corriente, lograremos un punto donde se requiere una fuerza coercitiva para anular el campo, tramos E – F y F – G. El lazo se cierra con el tramo G – H, donde se obtiene nuevamente la saturación en sentido positivo. 7 Como se puede observar, el camino que ha tomado la última magnetización, es totalmente distinto al inicial que correspondía al material virgen. De este estudio surgen cuestiones importantes. El lazo de histéresis es variable de acuerdo con el material. Si se trata de un hierro dulce ideal, sin remanencia - tal como convendría para una inductancia con núcleo de hierro (Cabezal de grabaciónreproducción o un transformador en general) el lazo se transforma en una simple curva en forma de “S”. Por el contrario si se desea que el material retenga la mayor remanencia posible, para obtener un imán permanente, el lazo debe transformarse en un rectángulo. Entre estos dos casos ideales se encuentran todos los materiales. Es sencillo dilucidar que los materiales empleados para la construcción de cabezales deben encontrarse entre los de remanencia nula, dado que si este fenómeno ocurriera borraría lo previamente grabado. En la actualidad se está utilizando un material llamado Permalloy, para la construcción de cabezales de audio, cuya característica tiene una forma muy próxima a la “S” pero, una dureza capaz de soportar el continuo desplazamiento de la cinta frente a él, sin mayor desgaste. En cuanto a los materiales usados para depositar sobre las cintas deben ser de elevada remanencia de manera que este magnetismo remanente actúe en cierta medida como una memoria. Algunos de los materiales empleados muy comunes son: Tipo 0 – Esta es la cinta original de óxido de hierro, es muy poco común hoy en día. Tipo 1 – Esta es la cinta estándar de óxido de hierro, también conocida como “normal bias”. Tipo 2 – Esta es una cinta de cromo o CrO2, las partículas de oxido de hierro son mezcladas con el de dióxido de cromo. Tipo 4 – Esta es una cinta de metal. Se utilizan partículas metálicas en vez de óxidos de metal. La calidad de sonido incrementa de un tipo al otro, siendo las de metal las de mejor calidad. En este sistema el soporte es más resistente y duradero: una cinta de poliéster que contiene una resina con una alta concentración de partículas magnéticas, como limaduras de óxido de hierro, de cromo o de ferrocromo, llamadas dipolos. Estos diminutos imanes, que tienen forma de aguja y apenas miden una micra (milésima de milímetro), están orientados al azar cuando la cinta es virgen pero de forma que el magnetismo total es nulo. 4. Discos Rígidos Casi toda computadora de escritorio en uso hoy en día contiene una o mas unidades de disco rígido. Dichas unidades poseen una importante cualidad, pueden almacenar información digital de una forma relativamente permanente y le dan a las computadoras la posibilidad de “recordar” cosas cuando esta se apaga. Al nivel mas simple, los discos rígidos no difieren mucho de una cinta de cassette. Ambos utilizan la misma técnica de grabación magnética descrita anteriormente. Por lo tanto comparten los mismos beneficios de almacenamiento, el medio magnético puede ser fácilmente borrado y escrito y puede “recordar” la orientación de las partículas magnetizadas por muchos años. Estas son las principales diferencias entre una cintas de cassette y un discos rígidos: El material magnético que se graba en una cinta de cassette es recubierta por una fina capa de plástico. Los discos rígidos están elaborados de compuestos de vidrio, 8 cerámica o aluminio finalmente pulidos y revestidos por ambos lados con una capa muy delgada de una aleación metálica. A una cinta hay que adelantarla o retrocederla para llegar a un lugar particular de esta, esto puede requerir varios minutos. En un disco rígido se puede ir de un punto a otro de la superficie casi instantáneamente. En una grabadora de cassette, el cabezal de lectura/escritura toca la cinta directamente. En un disco rígido el cabezal “flota” sobre el disco sin físicamente tocarlo. La cinta en una grabadora de cassette se mueve respecto al cabezal a unos 5 cm/s. Los discos pueden girar sobre su eje con respecto al cabezal a una velocidad de hasta 272 km/h. La información en un disco rígido es almacenada en dominios magnéticos muchos mas pequeños que los de una cinta de cassette. Debido a estas diferencias, un disco rígido es capaz de almacenar una increíble cantidad de información en un pequeño espacio. Y puede acceder a esta información en fracciones de segundo. 4.1 Principales componentes de una unidad de disco duro El eje Es la parte del disco duro que actúa como soporte, sobre el cual están montados y giran los platos del disco. Los discos (Platters) Están elaborados de compuestos de vidrio, cerámica o aluminio finalmente pulidos y revestidos por ambos lados con una capa muy delgada de una aleación metálica. El número de discos y la composición del material magnético que los recubre determinan la capacidad de la unidad. Generalmente los discos actuales están recubiertos de una aleación de aproximadamente la trimillonésima parte del grosor de una pulgada. Los discos están unidos a un eje y un motor que los hace guiar a una velocidad constante entre las 3600 y 7200 RPM. Convencionalmente los discos duros están compuestos por varios platos, es decir varios discos de material magnético montados sobre un eje central. Estos discos normalmente tienen dos caras que pueden usarse para 9 el almacenamiento de datos, si bien suele reservarse una para almacenar información de control. Actuador (actuator) Es un motor que mueve la estructura que contiene las cabezas de lectura entre el centro y el borde externo de los discos. Un actuador usa la fuerza de un electroimán empujado contra imanes fijos para mover las cabezas a través del disco. La controladora manda más corriente a través del electroimán para mover las cabezas cerca del borde del disco. En caso de una perdida de poder, un resorte mueve la cabeza nuevamente hacia el centro del disco sobre una zona donde no se guardan datos. Dado que todas las cabezas están unidas al mismo “rotor” ellas se mueven al unísono. Las cabezas (Heads) Están ensambladas en pila y son las responsables de la lectura y la escritura de los datos en los discos. La mayoría de los discos duros incluyen una cabeza lectura/escritura a cada lado del disco, sin embargo algunos discos de alto desempeño tienen dos o más cabezas sobre cada superficie, de manera que cada cabeza atiende la mitad del disco reduciendo la distancia del desplazamiento radial. Las cabezas de lectura/escritura no tocan el disco cuando este esta girando a toda velocidad; por el contrario, flotan sobre una capa de aire extremadamente delgada (10 millonésima de pulgada). Esto reduce el desgaste en la superficie del disco durante la operación normal, cualquier polvo o impureza en el aire puede dañar suavemente las cabezas o el medio. Las cabezas de lectura/escritura unidas a los extremos de los brazos móviles se deslizan a la vez a lo largo de las superficies de los discos giratorios del disco rígido. Las cabezas escriben en los discos los datos procedentes del controlador de disco alineando las partículas magnéticas sobre las superficies de los discos. Para escribir, la cabeza se sitúa sobre la celda a grabar esta recibe una corriente que provoca un campo magnético, el cual pone la posición en que se encuentra en 0 o en 1 dependiendo del valor del campo magnético provocado por dicha corriente. Las cabezas leen los datos mediante la detección de las polaridades de las partículas ya alineadas. Para leer, se mide la corriente inducida sobre la cabeza por el campo magnético de la celda. Es decir que al pasar sobre una zona detectará un campo magnético que según se encuentre magnetizada en un sentido u otro, indicará si en esa posición hay almacenado un 0 o un 1. 10 Su funcionamiento consiste en una bobina de hilo que se acciona según el campo magnético que detecte sobre el soporte magnético, produciendo una pequeña corriente que es detectada y amplificada por la electrónica de la unidad de disco. 4.2 Almacenando la información Los datos son almacenados en la superficie del disco (platter) en círculos concéntricos llamados cilindros estos a su vez estos se dividen en sectores, cuyo número esta determinado por el tipo de disco y su formato, siendo todos ellos de un tamaño fijo en cualquier disco. Los cilindros empiezan en la parte exterior del disco (primer cilindro) y terminan en la parte interior (último). Un típico cilindro es mostrado en amarillo y un sector en azul. Tanto los cilindros como los sectores se identifican con una serie de números que se les asignan, empezando por el 1, pues el numero 0 de cada cilindro se reserva para propósitos de identificación mas que para almacenamiento de datos. Habitualmente, los sistemas de disco duro contienen más de una unidad en su interior, por lo que el número de caras puede ser más de 2. Estas se identifican con un número, siendo el 0 para la primera. Un sector contiene una cantidad fija de bytes (por ejemplo 256 o 512). 5. Bibliografía consultada o El Sonido y Electromagnetismo de Todos los Días. Autor: Encarna Saéz Asensio. (http://www.todo-ciencia.com/index.php) o Un Material Especial (http://www.amazings.com/ciencia/index.html) o How Tape Recorders Work (http://www.howstuffworks.com/) o How Hard Disks Work (http://www.howstuffworks.com/) o Acústica y sistemas de sonido. Autor: Federico Miyara (http://www.eie.fceia.unr.edu.ar/~acustica/index.htm) 11 o Discos magnéticos y unidades de discos. Autor: Leandro Vanden Bosch (http://www.lafacu.com/apuntes/informatica/disc_magne/default.htm) o Los discos duros. Autor: Eduardo Tapia (www.monografias.com) o Grabación Magnética. Autor: Julio César Cocco (www.monografias.com) 12
