Физические основы записи, хранения и считывания информации на примере ферромагнитных материалов (железо Fe)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Физики и химии»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Физические основы технологических процессов»

на тему: «Физические основы записи, хранения и считывания информации на примере ферромагнитных материалов (железо Fe)»

Выполнил

Хан Е.Б.

Екатеринбург

2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Природа ферромагнетизма

2. Принцип записи, хранения и считывания информации

Заключение

Список литературы

Введение

По представлениям большинства людей вся современная электроника основана на использовании электрического тока, т.е. направленного движения электронов, или переноса заряда. В любой микросхеме огромная куча электронов трудится на наши блага. Они переносят сигналы, они хранят в памяти драгоценные для нас нули и единицы, делают все работу, чтобы наша жизнь была удобной и простой.

Компьютерная память -- часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени. Память, как и центральный процессор, является неизменной частью компьютера.

Накопитель на жёстких магнитных дисках (жесткий диск) -- запоминающее устройство, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

Технология магнитной записи стала широко использоваться в различных элементах памяти с начала 1950-х годов. Именно эта технология до сих пор применяется в работе большинства компьютеров. Она позволила обеспечить экспоненциальный рост плотности записи за последние 30 лет и достигнуть его 100%-го ежегодного увеличения в настоящее время.

Что представляет собой один бит магнитной информации? В современных носителях это один магнитный домен ферромагнитного материала, направление вектора намагниченности в котором может быть изменено внешним полем. В магнитной записи используются так называемые продольные домены, намагниченность которых ориентирована в плоскости диска (Рис. 1).

Рис. 1

Запись одного бита информации осуществляется путём подачи тока в электрическую катушку записывающей головки. Считывание информации происходит по той же схеме, но другой частью головки - считывающей.

В качестве среды записи и хранения информации в жестких дисках выступают ферромагнетики, отличительной особенностью которых является наличие микроскопических однородно намагниченных объемов вещества, называемых доменами.

1. Природа ферромагнетизма

Для того, чтобы понять природу ферромагнетика, в котором образуются так называемые домены, нужно ответить на вопрос, что такое собственно само понятие магнетизм?

В магнитном отношении все вещества можно разделить на слабомагнитные (парамагнетики и диамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики).

В электромагнитных устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники воздействие на магнитный элемент производится либо магнитным полем тока, проходящего по проводнику или обмотке, либо непосредственно магнитным полем. Это магнитное поле является внешним по отношению к магнитному сердечнику -- основе электромагнитных элементов.

Напряженность внешнего магнитного поля не зависит от свойств среды (от свойств вещества), где создается магнитный поток.

Магнитная же индукция определяется как напряженностью, так и свойствами среды (вещества), характеризующимися магнитной проницаемостью m, которая показывает, во сколько раз проницаемость вещества больше или меньше проницаемости вакуума.

Магнитная индукция в среде (веществе)

, (1)

где µµо= µа - абсолютная магнитная проницаемость вещества.

Чтобы понять магнитные свойства различных веществ, характеризуемые значением µ, и, в частности, материалов, которые применяют для изготовления жестких дисков, необходимо знать строение атомов и кристаллов твердых тел. Как известно, атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра по орбитам. Круговой ток создает магнитный момент, определяемый формулой

,

где I -- сила тока, А; S -- площадь, обтекаемая током, м2; поэтому вращающийся по орбите электрон обладает некоторым орбитальным магнитным моментом. Кроме того, при движении по орбите каждый электрон обладает свойством, близким к свойствам заряженного тела, вращающегося вокруг своей оси. Это свойство называют спином электрона. Модуль спина электрона

,

где h? постоянная Планка.

Проекция спина электрона на заданное направление Z может принимать только одно из двух значений

.

Спин электрона, эквивалентный круговому току, обусловливает спиновый магнитный момент. Протоны и нейтроны, входящие в ядро атома, тоже имеют некоторые магнитные моменты, но в сотни раз меньшие, чем электроны. Поэтому можно считать, что магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свойствами его электронов (Рис. 2, а). В случае нескольких электронов полный, или собственный, магнитный момент атома определяется векторной суммой орбитальных и спиновых моментов с учетом их направления.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты могут иметь лишь одно из двух возможных направлений (согласное или противоположное). В том случае, если они направлены в противоположные стороны, магнитные моменты пары электронов взаимно компенсируются. Это имеет место в любой полностью заполненной оболочке, например, у атома гелия (Рис. 2, б). Собственный магнитный момент такого атома в отсутствие внешнего поля равен нулю.

Рис.2. Магнитные моменты электрона в атоме.

Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью

,

где n - число атомов в объеме V вещества.

Намагниченность можно рассматривать как напряженность, создаваемую микротоками электронных оболочек вещества. Поэтому индукцию в веществе можно представить как

. (2)

Часто векторы и имеют одинаковое направление. При этом можно перейти к скалярному выражению и разделить обе части равенства (2) на Н:

(3)

Отношение J / H называют магнитной восприимчивостью x вещества, а из сравнения (1) и (3) следует, что

µ = 1 + x.

индукция ферромагнитный информация запись

Если на атом воздействует внешнее магнитное поле , то возникает прецессия орбит электронов вокруг вектора этого поля. Прецессия орбиты (Рис. 2, в), пунктиром, эквивалентна некоторому дополнительному вращению электрона, которое вследствие его заряда, создает дополнительный магнитный момент. По правилу Ленца этот магнитный момент всегда направлен против внешнего поля и стремится ослабить его. Это явление называют диамагнетизмом; оно присуще атомам всех веществ.

У диамагнитных веществ вектор намагниченности направлен навстречу вектору напряженности поля (Рис. 2, в), поэтому их магнитная восприимчивость отрицательна, а µ < 1. Магнитная индукция в таких веществах меньше, чем в вакууме, при одной и той же напряженности внешнего поля .

У парамагнитных веществ атомы обладают отличными от нуля собственными магнитными моментами, которые в отсутствие внешнего поля ориентированы равновероятно по всем направлениям; поэтому средний магнитный момент вещества равен нулю. При наложении внешнего поля возникают силы, которые преодолевают дезориентирующее действие теплового движения атомов и ориентируют магнитные моменты атомов по полю подобно магнитным стрелкам, помещенным во внешнее поле. Эта ориентация превышает диамагнитный эффект, создаваемый прецессией электронных орбит, в результате чего у парамагнетиков общая намагниченность совпадает с направлением внешнего поля. Магнитная восприимчивость парамагнетиков имеет положительное значение, а µ > 1

У диамагнетиков и парамагнетиков - слабомагнитных веществ - намагниченность невелика и является наведенной внешним полем намагниченностью, которая исчезает вместе с исчезновением этого поля.

Ферромагнетики -- это сильномагнитные вещества, у которых относительная магнитная проницаемость µ >>1 и может достигать десятков и даже сотен тысяч. Из химически чистых элементов ферромагнитными свойствами обладают только девять: железо, никель, кобальт, гадолиний и при температурах значительно ниже 0°С пять редкоземельных элементов (эрбий, диспрозий, тулий, гольмий и тербий).

Общим признаком для всех ферромагнетиков является наличие атомов с недостроенными d- или f-оболочками. Такие атомы имеют нескомпенсированный магнитный момент. Наличие спонтанной намагниченности свидетельствует о том, что магнитные моменты атомов в определенных областях ферромагнетика ориентированы не случайным образом, как в парамагнетике, а упорядоченно - параллельно друг другу.

Как уже отмечалось, собственный магнитный момент атома является суммой орбитальных и спиновых моментов электронов. Физические эксперименты показали, что ферромагнитные свойства определяются именно нескомпенсированными спинами электронов.

В атомах с достаточно большими порядковыми номерами электроны сгруппированы в электронные оболочки (слои). Максимальное число электронов в слое равно 2 n 2. В слоях имеются подслои: первый s, второй р, третий d, четвертый f, пятый g. Для каждого подслоя существует свое предельное число электронов, полностью заполняющих подслой, причем у заполненных слоев и подслоев как орбитальные, так и спиновые магнитные моменты взаимно скомпенсированы. По мере увеличения числа электронов в атоме происходит последовательное заполнение слоев и подслоев и лишь у ферромагнетиков эта последовательность нарушается.

На рисунке 3, а изображены электронные слои (их номер обозначают цифрой) и подслои (s, р, d) в атоме железа. В скобках около каждого подслоя указано число электронов, необходимое для полного его заполнения. Например, подслой 3d еще не заполнен (в нем шесть электронов, а для заполнения нужно десять) и в то же время началось заполнение следующего подслоя 4s, который имеет два электрона. В незаполненном подслое пять электронов обладают положительным (правым) спином и лишь один - отрицательным (левым). Следовательно, атом железа имеет четыре нескомпенсированных спина. Подобное отсутствие компенсации спиновых моментов в одном из внутренних слоев электронной оболочки атома является необходимым условием ферромагнетизма.

Рис. 3 - Условия ферромагнетизма:

a - электронные слои и подслои атома железа б - график зависимости интеграла обмена от отношения расстояния между атомами a к диаметру незаполненного слоя d.

Электроны внешнего (наружного) слоя являются валентными и при химических взаимодействиях различных элементов их магнитные моменты взаимно компенсируются даже в том случае, когда у отдельно рассматриваемого атома во внешнем слое имеются электроны с нескомпенсированными спинами.

Наличие нескомпенсированных спинов во внутренних слоях является необходимым, но недостаточным условием ферромагнетизма. Кроме того, изолированные друг от друга атомы таких веществ не проявляют ферромагнитных свойств. Эти свойства наблюдаются только в кристаллическом состоянии при обменном взаимодействии атомов в кристалле (Рис. 4), когда электроны внутренних незаполненных слоев принадлежат одновременно и своим и соседним атомам.

Рис. 4. Ферромагнитная (коллинеарная) атомная структура гранецентрированной кубической решётки ниже точки Кюри Q; стрелками обозначены направления атомных магнитных моментов; Js -- вектор суммарной намагниченности.

Такое взаимодействие характеризуется интегралом обмена, величина и знак которого в значительной степени зависят от относительного расстояния между атомами в кристаллической решетке.

При положительном значении этого интеграла обменное взаимодействие атомов приводит к параллельной ориентации нескомпенсированных спинов, обусловливающей спонтанную (то есть самопроизвольную) намагниченность вещества JS, которая характеризует его ферромагнитные свойства. Слово «спонтанная» подчеркивает, что эта намагниченность является следствием сил межатомного взаимодействия, а не появляется, как наведенная намагниченность у диамагнетиков и парамагнетиков, лишь в результате воздействия на вещество внешнего магнитного поля.

Опытами Эйнштейна - де Газа и Барнетта было доказано, что ферромагнетизм связан с упорядочением спиновых магнитных моментов атомов. В ферромагнетике межатомное взаимодействие приводит к появлению сил, выстраивающих спиновые магнитные моменты электронов параллельно друг другу. В результате этого в ферромагнетике образуются области спонтанной намагничеснности, называемые доменами.

Домен - микроскопическая область ферромагнетика размером 10-3-10-2 см, которая спонтанно намагничена до насыщения и обладает определенным магнитным моментом.

Направления магнитных моментов у различных доменов различны. Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля суммарный магнитный момент всего объема ферромагнетика равен нулю. Представление о доменах позволяет объяснить закономерности намагничивания ферромагнетиков.

Магнитная проницаемость µ ферромагнетика является нелинейной функцией напряженности H внешнего магнитного поля.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Максимальное значение проницаемости µ достигается несколько раньше, чем намагниченность насыщения. При увеличении величины напряженности магнитного поля Н > Hm магнитная проницаемость µ 1 (Рис. 5б).

Ферромагнетик характеризуется начальным µн и максимальным µmax значениями магнитной проницаемости.

Специфические свойства ферромагнетиков проявляются лишь в определенном интервале температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры Тк происходит разрушение доменной структуры ферромагнетика.

Температура Тк, при которой разрушается доменная структура ферромагнетика, называется температурой Кюри. Точка Кюри Тк - это температура фазового перехода вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние. При Т > Тк = 1043К железо ведет себя как обычный парамагнетик, магнитная восприимчивость ч которого подчиняется закону Кюри ? Вейсса:

,

где С - константа.

В точке Кюри спонтанная намагниченность исчезает, а магнитная проницаемость µ достигает своего максимального значения (Рис. 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникает доменная структура. Фазовый переход ферромагнетик-парамагнетик является обратимым фазовым переходом.

При намагничивании ферромагнетиков наблюдается явление магнитострикции. Магнитострикцией называется изменение линейных размеров ферромагнетиков при намагничивании во внешнем магнитном поле.

Для ферромагнетиков характерно явление магнитного гистерезиса. Магнитным гистерезисом (запаздыванием) называется явление отставания изменения индукции магнитного поля в ферромагнетике от изменения напряженности H внешнего поля. Причиной магнитного гистерезиса является необратимость процессов смещения доменных границ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

При циклических изменениях напряженности внешнего магнитного поля зависимость магнитной индукции В от поля Н определяется предшествующим состоянием намагниченности ферромагнетика. Петлей гистерезиса (Рис. 7) называется кривая изменения индукции магнитного поля B в ферромагнетике в зависимости от изменения напряженности внешнего магнитного поля Н.

Физическое объяснение петли гистерезиса может быть дано на основе доменной структуры ферромагнетика. При первоначальном увеличении поля нарастание индукции В описывается кривой 1 (Рис. 7). При этом происходит смещение границ доменов, у которых магнитные моменты имеют менее выгодную ориентацию по отношению к полю (Рис. 8, б). В результате индукция магнитного поля в ферромагнетике начинает возрастать. В области высоких полей индукция магнитного поля возрастает за счет поворота магнитных моментов доменов в направлении поля(Рис. 8, в). При некотором значении напряженности поля большинство магнитных моментов доменов будет ориентировано в направлении поля (Рис. 8, г). В этом состоянии намагниченность ферромагнетика достигает насыщения, и индукция магнитного поля В при дальнейшем увеличении внешнего поля Н растет незначительно (Рис. 7).

При уменьшении напряженности внешнего поля происходит постепенная разориентация магнитных моментов доменов. Из-за необратимости процесса образования границ доменов уменьшение индукции магнитного поля В происходит по ветви 2. При значении поля Н = 0 магнитные моменты некоторых доменов ферромагнетика остаются ориентированными в направлении поля, вызвавшего намагниченность. В данном случае говорят, что ферромагнетик при Н = 0 обладает остаточной индукцией магнитного поля Вr.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коэрцитивной силой называется напряженность Нс внешнего магнитного поля, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание ферромагнетика, при которой обращается в ноль остаточная индукция магнитного поля.

При дальнейшем изменении величины напряженности поля Н индукция магнитного поля В изменяется по ветвям 3 ? 4 петли гистерезиса (Рис. 7).

2. Принцип записи, хранения и считывания информации

С помощью показанных выше принципов на жесткие диски записывается информация.

Зависимость намагниченности ферромагнитных материалов от внешнего магнитного поля имеет нелинейный характер и описывается петлей гистерезиса.

При включении внешнего магнитного поля H домены, направление спонтанной намагниченности которых совпадает с направлением поля, начинают увеличиваться в размерах, что приводит к отличной от нуля результирующей намагниченности J. При увеличении поля ферромагнетик переходит в состояние насыщения, при котором дальнейшее возрастание поля уже не приводит к изменениям в его доменной структуре и росту его намагниченности. В этом состоянии, которое характеризуется намагниченностью насыщения Js, магнитные моменты всех доменов ориентированы одинаково, вдоль направления внешнего магнитного поля. Если намагниченный до насыщения образец начать размагничивать, уменьшая внешнее поле, то из-за необратимого смещения границ доменов даже в его отсутствие сохраняется некоторая намагниченность Jr, называемая остаточной.

В основе процесса записи информации на магнитные носители лежит использование зависимости остаточного намагничивания ферромагнитных материалов от величины внешнего намагничивающего поля. Запись информации осуществляется путем последовательного воздействия внешнего магнитного поля, изменяющегося по закону информационного сигнала, на различные участки носителя, а ее считывание -- путем последовательной регистрации остаточного намагничивания этих участков.

При пропускании тока через обмотку записывающей головки вокруг нее возникает магнитное поле рассеяния, которое воздействует на прилегающую к ней область ферромагнитного рабочего слоя движущегося магнитного носителя. Под воздействием этого поля происходит переориентация элементарных магнитных полей доменов. Домены, намагниченность которых ориентирована вдоль направления внешнего поля, начинают расти, поглощая соседние, состояние которых менее энергетически выгодно. После прекращения воздействия поля записи изменения в размерах и ориентации магнитных доменов частично сохраняются. При периодическом изменении поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка чередующихся участков с противоположными направлениями намагниченности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами (Рис. 9, в)

Рис. 9. Эпюры сигналов записи, считывания и зоны смены знака намагниченности в носителе: а) ток записи; б) изменение намагниченности; в) распределение намагниченности; г) напряжение считывания

Таким образом, формируется магнитная сигналограмма -- последовательность намагниченных участков на рабочей поверхности носителя, однозначно соответствующая временному распределению амплитуд информативного сигнала. Именно это пространственное распределение зон остаточной намагниченности регистрирует затем головка считывания. Следует отметить, что в цифровой магнитной записи при считывании детектируются не сами зоны остаточной намагниченности той или иной полярности, а переходы между ними (Рис. 9, г).

Заключение

Носители магнитной записи с продольным намагничиванием - магнитные ленты, жесткие и гибкие магнитные диски - составляют основную массу используемых в мире накопителей информации. Они играют важнейшую роль в современной науке, технике и промышленности, являясь одним из функциональных элементов вычислительной техники.

В последнее время вычислительная техника необычайно широко внедряется в различные сферы жизни общества. Достаточно сказать, что электронно-вычислительные машины используются при автоматизации различных производственных процессов, решении социально-экономических задач, в науке, образовании, медицине и т.д.

Жесткий диск записывает и выдает информацию на скоростях, которую трудно представить. Используя законы магнетизма, тонкая ферромагнитная пленка может запомнить множество разных энциклопедий или сотни тысяч фотографий легко. Жесткий диск на самом деле изумительно миниатюрный прибор, записывающий любую информацию в маленьких битах. Этот шедевр инженерной мысли расширяет рамки разумной физики бит за битом.

Разнообразное применение вычислительной техники стимулирует ее быстрое развитие и дальнейшее совершенствование запоминающих устройств, на которых осуществляются запись и хранение информации. Улучшение качества запоминающих устройств непосредственно связано с повышением плотности записи информации, увеличением их информационной емкости.

Из сказанного следует, что магнитные пленки являются перспективным материалом и обладают достоинствами, ценными при их использовании в технике магнитной записи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Казаков В.Г. Тонкие магнитные пленки // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 1. С. 107-114.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики. Электричество и магнетизм/ И.В. Савельев. - М., 2003

3. Статья «LaserDisk // Disc-Formats» http://disc-formats.guidechart.com/laserdisc.html. - Дата доступа: 21.05.2011.

4. Статья «Принципы записи и считывания информации на магнитных носителях. Часть 1». - http://compblog.ilc.edu.ru/blog/99.html

5. Статья «Жёсткий диск» - http://ru.wikipedia.org/wiki/?%F1%F2%EA%E8%E9_%E4%E8%F1%EA

6. Тишин А.М. Память современных компьютеров // Соросовский образовательный журнал, 2001, №11, с. 116-121.

Размещено на Allbest.ru