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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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,
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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
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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.
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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)
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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)
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