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第5章 磁之声色

1.塑料带上的舞者——磁带

磁带是一种用于记录声音、图像、数字或其他信号的,载有磁层的带状材料,是产量最大和用途最广的一种磁记录材料。通常是在塑料薄膜带基(支持体)上,涂覆一层颗粒状磁性材料(如针状磁粉或金属磁粉),或蒸发沉积上一层磁性氧化物或合金薄膜而成。最早曾使用纸和赛璐珞等作为带基,现在主要用强度高、稳定性好和不易变形的聚酯薄膜。

磁带应用非常广泛,它可大致分成录音带、录像带、计算机带和仪表磁带四种。

从20世纪30年代开始出现,是用量最大的一种磁带。1963年,荷兰菲利浦公司研制成盒式录音带。这种录音带由于具有轻便、耐用、互换性强等优点,而得到迅速发展。1973年,日本成功研制了包钴磁粉带。1978年,美国生产出了金属磁粉带。而由日本日立玛克赛尔公司创造的特殊定向技术、超微粒子及其分散技术制成的微型及数码盒式录音带,又使录音带达到了一个新的水平,并使音频记录进入了一个数字化的时代。我国在20世纪60年代初开始生产录音带,1975年试制成盒式录音带,并已达较高水平。

自从1956年美国安佩克斯公司制成录像机以来,录像带已从电视广播逐渐进入到科学技术、文化教育、电影和家庭娱乐等领域。除了用二氧化铬包钴磁粉以及金属磁粉制成录像带外,近年来,日本还制成了微型镀膜录像带,并开发了钡铁氧体型垂直磁化录像带。最新研发的一种计算机带,作为数字信息的存贮,具有容量大、价格低的优点,主要用于计算机的外存贮器。

近代科学技术常需要把人们无法接近的测量数据,自动而连续地记录下来,也就是所谓的遥控遥测技术。如原子弹爆炸和卫星空间探测都要求准确无误地,同时记录上百、上千个数据。仪表磁带就是在上述需要下发展起来的,仪表磁带也称仪器磁带或精密磁带,它是自动化和磁记录技术相结合的产物。这种磁带在其制造和性能方面都有着严格的要求。飞机上的黑匣子就是仪表磁带的典型代表。此外,磁带还包括其他磁带和打字机用磁性染色带等。

2.声音拷贝——磁录音

磁录音是将声音通过声音、电流、磁场和物质磁性之间的转换,而把声音记录到由磁性材料制成的磁记录带(简称磁带)上,这也就是录音过程。如果需要把磁带上录制的声音再放出来,则只要通过与磁录音相反的过程。也就是说,通过磁带的磁性→磁场→电流→声音之间的转换,而把磁性再转换为声音,这叫做磁放音过程,或称磁放音。这种磁录音和磁放音的过程分别显示在下页图中(a)和(b)示意图中。

那么,磁为什么既能录音又能放音呢?原来,在录音的时候,声音通过话筒,将声波振动转换为电流信号的相应变化,再通过电流放大器将电流信号放大,然后传送到录音磁头的电流线圈中;线圈中带有很小空气隙的磁芯便会受电流线圈中的电流磁化,在磁芯的空气隙中产生与电流、声音相对应的磁场。这一磁场,使磁带上磁记录介质受到磁化而产生相对应的磁化强度。当这部分磁记录介质,离开录音磁头的空气隙磁场后,便保留一定的剩余磁化强度,称为剩磁。这种剩磁的大小同所要记录的声音强弱相对应。在放音时,其过程是磁带移动通过放音磁头的空气隙时,磁带上的剩磁变化在空气隙中产生同剩磁相对应的磁场变化,在放音磁头中产生相对应的磁化强度变化,因而在放音磁头的电流线圈中产生相对应的电流变化,该电流变化经放大器放大后再送入声喇叭,即将电流变化转变为声音了。其实,这一放音过程只是录音过程的逆过程。

磁录像机是同磁录音机相似的一种家用电器。磁录音机和磁录像机之间的主要差异是:磁录音机为声-电-磁之间的转换,而磁录像机为光-电-磁之间的转换。

3.超凡记忆——电脑存储器

随着科学的发展,磁学水平精益求精,电脑也已成为人们工作、学习中不可分割的一部分。磁性存储器更加成为电脑中不可或缺的“脑中之脑”。

存储器是计算机系统中的记忆设备,主要用来存放程序和数据。计算机中的全部信息,包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果,都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。

存储器是用来存储程序和数据的部件。有了存储器,计算机才算有了记忆功能,才能保证正常的工作。那么,构成存储器的存储介质是什么呢?目前主要采用的存储器存储介质为半导体器件和磁性材料。

按用途,存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存)。内存指主板上的存储部件,主要用来存放当前正在执行的数据和程序,但仅用于暂时存放程序和数据,如果关闭电源或断电,那么,数据就会丢失。这种主存储器最突出的特点是存取速度快,但是容量小,且价格贵。

辅助存储器(外存)通常是指磁性介质或光盘等。外存能长期保存信息,它的主要特点是容量大、价格低,但是存取速度慢。外存储器主要有磁盘存储器、磁带存储器和光盘存储器等。其中,磁盘存储器是最常用的一种,它通常分为硬磁盘和软磁盘。

软盘是电脑中最早使用的可移介质,它的读写是通过软盘驱动器来完成的。软盘驱动器设计能接收可移动式软盘,目前常用的就是容量为1.44兆(容量单位)的3.5英寸软盘。软盘存取速度慢,容量也小,但可装可卸、携带方便。作为一种可移贮存方法,它是那些需要被物理移动的小文件的理想选择。根据大小,软盘有8英寸、5.41英寸、3.5英寸之分。

硬盘是电脑主要的存储媒介之一,由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。由于这些碟片只是在外覆盖有一层铁磁性材料,因此,绝大多数硬盘都是固定硬盘,被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。

硬盘的内部结构主要由磁头、磁道、扇面、柱面组成。在硬盘中,磁头是硬盘中最昂贵的部件,也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头,但是,硬盘的读、写却是两种截然不同的操作。为此,这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读与写两种特性,因此这一要求就造成了硬盘设计上的局限性。而MR磁头即磁阻磁头,采用的是分离式的磁头结构:写入磁头仍采用传统的磁感应磁头(MR磁头不能进行写的操作),读取磁头则采用新型的MR磁头。这样,在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化,以得到最好的读/写性能。采用了这样设计的MR磁头,由于兼顾了读和写两种特性,因而得到了广泛的应用。目前,MR磁头中应用最广泛的是MR磁头。另外,采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头,也逐渐得到普及。

当磁盘旋转时,如果磁头保持在同一个位置上,那么每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹,这些圆形轨迹就叫做磁道。这些磁道用肉眼是根本看不到的。它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区,磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。而且,相邻磁道之间并不是紧挨着的。这是因为磁化单元相隔太近时,磁性会相互产生影响,同时也为磁头的读写带来困难。一张1.44兆的3.5英寸软盘,一面有80个磁道,而硬盘上的磁道密度则远远大于这个数值,通常一面有成千上万个磁道。

磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段。这些弧段便是磁盘的扇区,每个扇区可以存放512个字节的信息。另外,磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时,是以扇区为单位的。1.44兆3.5英寸的软盘,每个磁道分为18个扇区。

硬盘通常由重叠的一组盘片构成,每个盘面都被划分为数目相等的磁道,并从外缘的“0”开始编号。具有相同编号的磁道形成一个圆柱,称为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头,因此,盘面数也等于总的磁头数。

4.音像成真——磁与电视机

电视机是我们生活中离不开的好伙伴,磁在电视机中的应用也相当多。电视机不但能听到声音,而且能看到活动的图像。在彩色电视机中,我们看到的图像更是鲜艳逼真。因此电视机应用了更多的数量更多、种类更多和功能更多的磁性材料和磁性电器元件。具体说来,电视机除了使用多种磁变压器和永磁电声喇叭外,还要使用磁聚焦器、磁扫描器和磁偏转器。

电视机的结构和工作原理是很复杂的,磁的应用又在其中起了非常关键的作用。电视机中的活动图像的放映,是在显像电子管中进行的。电视台将活动图像转换成电信号,之后,通过无线或有线传送到电视接收机(简称电视机)中,经过一定的电信号变换和处理后,再传送到显像管中。

在显像管中,反映活动图像的电子束经过磁聚焦器、磁扫描顺和磁偏转器的磁场聚集、扫描和偏转作用后,投射到显像管的荧光屏上转换为光的活动图像。在电视机显像管应用的磁聚集器和磁偏转器的示意图中,虚线表示的是偏转的电子束。由此可以看出磁在电视机中的应用是很多的。

彩色电视机的彩色活动图像由红、绿、蓝三个基色信号组成。显像管中含有三组电子束及它们的磁聚焦、磁扫描和磁偏转等磁器件,这三种磁器件再将三种基色活动图像合成为彩色图像。因此,彩色电视的设备和成像过程等都更为复杂,但都是通过采用一定的磁场来控制电子束的运动来完成成像的。

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