Магнитная память

Рассмотрение магнитной памяти начнем с рассмотрения теории магнетизма. Все магнитные явления определяются электрическими токами, которые могут протекать в каких-либо телах. Электрические явления от магнитных с точки зрения описания отличаются очень мало. Принципиальное отличие в теориях электричества и магнетизма тем не менее существует. Если теория электричества основывается том, что существует заряд – элементарная частица, то в магнетизме нет подобного аналога. Рассмотрим диполь.

Диполь представляет собой два заряда, равных по величине и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Для описания электрического поля от заряда q необходимо рассмотреть пробный заряд, равный +1, поместить его в некоторую точку пространства на расстоянии r и вычислить силу, действующую на данный пробный заряд в рассматриваемом электрическом поле. Данная сила носит название напряженности электрического поля. Математическое выражение для данной силы получается с помощью закона Кулона:

В рассматриваемом случае один из зарядов единичный, поэтому напряженность электрического поля выразится формулой:

Аналогичным образом можно поступить и с системой зарядов, то есть с диполем.

Тогда по принципу суперпозиции, напряженность электрического поля диполя есть сумма напряженностей для каждого заряда диполя:

Данная сумма обратится в нуль, если заряды диполя будут расположены в одной точке. Если диполь является свободным, то, при помещении на некотором расстоянии от него пробного единичного заряда, он начнет либо вращаться, либо растягиваться, то есть взаимодействовать.

Принципиальным с точки зрения магнетизма является движение заряда. Если заряд неподвижен, магнитного поля нет, и пронаблюдать магнитное поле можно только в том случае, если электрические заряды движутся. Рассмотрим модель атома. Первым научным представлением об атоме стала модель Томпсона

Атом в соответствии с этой моделью представлял из себя нечто студенистое, которое положительно заряжено и в него вкраплены отрицательные заряды. В целом атом электронейтрален. Появление дипольного момента принципиально. В результате взаимодействия возможно изменение центра тяжести распределения положительных и отрицательных зарядов и возможно появление дипольного момента. Модель Томпсона была первой моделью, которая разумно объясняла явления поляризации, существование диэлектрика, но не смогла объяснить некоторые другие физические явления, и поэтому появились другие модели атома.

Опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атоме показали, что атом не может быть студенистым. Отклонение a-частиц на большие углы объяснялось наличием положительного заряда, который хорошо локализован и взаимодействие с которым происходит в том случае, если a-частица движется так, что практически попадает в этот заряд. Отсюда можно сделать вывод, что атом представляет собой ядро и электроны, вращающееся по орбитам вокруг ядра.

По модели Резерфорда электроны вращаются в одной плоскости. Данная модель представляла собой неустойчивую систему. Квантовая механика объявила, что орбиты электронов не могут лежать в одной плоскости. Самые простейшие орбиты выглядят как сферы и носят название s-орбиталей, и s-электроны как бы «размазываются» по этой сфере. Атомы, полностью построенные из s-электронов, не могут участвовать в магнитных явлениях. Принципиально другими видами орбиталей являются p, d и f-орбитали. С точки зрения магнетизма важны частично незаполненные d-орбитали, которая, хотя и образует замкнутый ток, является несимметричной.

Одними из первых экспериментов по изучению магнитных явлений стали эксперименты Ампера. Закон Ампера дает выражение для силы взаимодействия двух элементов тока – проводников конечной длины:

.

На основе закона Ампера было введено понятие, аналогичное понятию напряженности электрического поля, магнитной индукции:

.

Тогда сила взаимодействия проводников с током запишется в виде:

.

Это и есть та базовая, созданная Ампером система законов в дифференциальной записи.

Огромное значение в теории магнетизма имеет закон Фарадея. Рассмотрим замкнутый контур, по которому может течь ток. Магнитное поле способно индуцировать ток в контуре. Закон Фарадея дает ЭДС индукции в контуре:

,

где F - магнитный поток, равный

,

где - площадь рассматриваемого контура.

Далее необходимо увязать эти макроскопические законы, которые необходимы для понимания физических явлений в магнитном поле, с микроскопической теорией атома. Микроскопическая теория включает в себя планетарную модель атома (модель Резерфорда) и современное ее понимание. В атоме могут быть токи, образованные движущимися зарядами – электронами. Речи о тех магнитных моментах, которые образованы движением протонов – положительно заряженных частиц в ядре, никогда не идет. Масса протона примерно в 1800 раз превышает массу электрона (можно сказать, что протон тяжелая частица в сравнении с электроном), и токи, образованные протонами, являются слабыми. Для того, что бы пояснить выражение для тока, необходимо перейти к микроскопическому описанию. Получим следующее выражение для тока:

,

где – заряд частицы, n – концентрация, v – скорость движения частицы.

Классификация существующих магнитных материалов без периодической системы Менделеева невозможна, поскольку для магнитной теории принципиальным является заполнение орбиталей при изменении порядкового номера элемента. Если порядковый номер элемента увеличить на единицу, то может оказаться, что электрону выгоднее занять следующую орбиталь, оставив какую-то предыдущую незаполненной. Когда речь идет о магнитных материалах, имеются в виду те материалы, в атоме которых одна из орбиталей является незаполненной. Как правило, это d-орбиталь. Все магнитные вещества подразделяются на:

· диамагнетики [μ < 0 (~ -10^-3)]

· парамагнетики [μ > 0 (~ 10^-3)]

· ферромагнетики [μ > 0 (~10³ ÷ 10⁵)]

· антиферромагнетики

Если вспомнить о магнитной проницаемости m, присутствующей в макроскопических законах, то значение этой величины для разных видов магнитных веществ различно.

Для диамагнетиков m немногим меньше нуля, это означает, что прикладывание внешнего магнитного поля на атом диамагнетика приведет к наведению в нем магнитного момента, направленного всегда против внешнего магнитного поля. При приложении внешнего магнитного поля происходит изменение формы орбиталей, возникает компенсирующее собственное поле, и полное магнитное поле внутри уменьшается. Запомнить бит информации с помощью диамагнетика невозможно, так как при исчезновении внешнего поля орбитали в атоме диамагнетика вернутся в исходное состояние. Примером диамагнетика могут служить инертные газы. Характерным свойством инертных газов является заполненность оболочек, инертный газ практически ни с чем не взаимодействует.

Для парамагнетиков m немногим больше нуля, что означает, при внесении парамагнетика во внешнее поле в нем наводится внутреннее поле, совпадающее по направлению с внешним. При воздействии на парамагнетик внешним полем атомы вещества изменяют конфигурацию орбиталей так, чтобы поле оказалось еще больше. Примером парамагнетиков могут служить газы ( , и др.) и щелочные металлы ( , K и др.)

У атомов ферромагнетика незаполненной является d-орбиталь. Ферромагнитные материалы позволяют запоминать бит информации и используются в изготовлении памяти для ЭВМ. Величина магнитной проницаемости для ферромагнетиков много больше нуля, а в некоторых материалах поле может усиливаться в тысячи раз. Каждый атом ферромагнитного вещества уже имеет магнитный момент, то есть сам по себе представляет магнит. Под воздействием внешнего поля моменты «выстраиваются» по направлению внешнего поля. Если атомы в веществе выстраиваются так, чтобы магнитные моменты компенсируют друг друга, то данное вещество носит название антиферромагнетика. Если же атомы выстаиваются так, чтобы их магнитные моменты были одинаково ориентированны, то такое вещество называется ферримагнетиками. Правильная и неправильная ориентация может быть изменена с помощью нагревания вещества, то есть тепловые возмущения способны нарушить ориентацию моментов. После достижения некоторой определенной температуры и антиферромагнетики, и ферримагнетики переходят в парамагнетики. Данная температура для ферромагнетиков носит название точки Кюри и составляет порядка 600 – 800 К. Для антиферромагнетиков данная температура фазового перехода носит название точки Нееля и находится в том же диапазоне, что и точка Кюри.

Отличительной особенность ферромагнетиков является наличие внутри них объединенных групп атомов, называемых доменами.

Число атомов в домене ограничено, так как суммарный магнитный момент не может превышать некоторого определенного значения. При увеличении числа атомов образуются не связанные друг с другом группы. Линейный размер домена для разных веществ отличается, но в среднем составляет см, то есть 1 микрон. В ферромагнетике можно заставить магнитные моменты выстроиться одинаково, для этого необходимо приложить внешнее поле, и основной функцией магнитного поля будет не деформация орбиталей (хотя и это имеет место), а переориентация моментов соседних доменов.

Если рассмотреть кусок ферромагнитного вещества, изначально поле которого равно нулю, и начать прикладывать к нему внешнее магнитное поле. Магнитное поле внутри куска материала начнет увеличиваться до определенного момента, пока не наступит насыщение, когда все магнитные домены будут определенным образом ориентированы. Теперь, если мы начнем уменьшать внешнее поле, то обнаружим, что домены, сориентировав свои магнитные поля, не полностью перешли в разупорядоченное состояние. Данное явление носит название магнитного гистерезиса.

Полученная замкнутая кривая носит название петли гистерезиса. Размагничивание некоторого устройства и есть борьба с явлением гистерезиса.

Ферромагнетики можно разделить на жесткие и мягкие. Жесткие ферромагнетики имеют очень широкую петлю гистерезиса, то есть после намагничивания данного материала магнитное поле внутри останется большим. Соответственно, мягкие ферромагнетики имеют узкую петлю гистерезиса. Для изготовления элементов памяти, считывающих и записывающих головок используются как жесткие, так и мягкие ферромагнитные материалы.

Минимальный размер бита информации определяется размером домена (если попробовать записать уменьшить размер бита, то мы потеряем устойчивость элемента памяти). Одной из важнейших характеристик памяти является количество бит на один квадратный дюйм площади. Первые элементы магнитной памяти были устроены следующим образом:

Элемент магнитной памяти представлял собой матрицу, в которой ячейка представлялась ферромагнитным колечком, диаметр которого составлял примерно 10 мм. По строкам и столбцам эти колечки были соединены проводом, который обвивался вокруг каждого из колец и далее шел к следующему. Данная система проводов предназначалась для адресации. Если необходимо записать бит информации в определенную ячейку, то по проводам соответствующих стоке и столбцу пускался ток. Если магнитные поля, создаваемые данными токами, складывались, то происходило намагничивание колечка, то есть оно имело вполне определенную ориентацию магнитных доменов. Если же токи пускались так, что магнитные поля этих токов действовали в противоположные стороны, то колечко не намагничивалось. Существовало четыре различных варианта пропускания тока по проволоке:

1. по вертикальной и горизонтальной проволокам ток пропускался в одну сторону;

2. по вертикальной и горизонтальной проволокам ток пропускался в обратную строну;

3. по вертикальной проволоке ток пропускался в одну сторону, а по горизонтальной – в обратную;

4. по горизонтальной проволоке ток пропускался в одну сторону, а по вертикальной – в обратную;

Хотя третья и четвертая возможность являлись равнозначными. Для записи ток пропускался в одну сторону (прямую или обратную) так, чтобы магнитные поля складывались. Для чтения по одной из проволочек пускался ток, а с другой считывалось ЭДС индукции. Следовательно, в данной памяти на ферромагнитных колечках один бит информации представлялся одним колечком. С развитием технологии изготовления памяти данного вида диаметр колечка уменьшался и, в конце концов, достиг 2 мм. Данные платы памяти позволяли запомнить 196 машинных кодов.

Магнитная память в нынешнем ее понимании была изобретена и запатентована Эдисоном. Первым ее видом была магнитная лента. Считывающие головки производились тогда из мягкого ферромагнитного материала. Сейчас данная память носит название stream memory и является самой дешевой ( $ за 1 Мбайт). Если говорить о недостатках данного вида памяти, то главным из них является последовательный доступ в биту информации.

Считывающая головка для магнитной ленты и сейчас производится из материалов, которые обладают свойствами мягких ферромагнетиков. Такая головка представляла собой катушку, по проводам которой пропускается ток для записи и считывается ЭДС при чтении (хотя возможно разделение головок на предназначенные только для чтения и только для записи). Причем сердечник катушки имел форму тора с зазором

, так как тор без зазора замыкал бы магнитное поле в себе. В идеале для хорошей локализации создаваемого поля данный зазор должен иметь размер домена. Чем меньше размер зазора, тем ближе к ленте должна располагаться головка. Фактически, головка должна лежать на магнитном слое. Магнитный слой, как правило, представляет из себя порошок, нанесенный на подложку. Материалом для подложки служит либо стекло, либо твердые сплавы алюминия. Магнитный слой ленты, нанесенный на подложку, представляет собой «шкурку» для головки. Кроме того, скорость протягивания ленты должна быть не меньше некоторого определенного значения, так как ЭДС наводимой индукции зависит от этой скорости (вспомним закон Фарадея), а ЭДС должна быть выше некоторого заданного значения, чтобы отличать информацию от возможных шумов. Поэтому основной проблемой магнитных головок является их стирание и, соответственно, недолговечность. Одним из решений данной проблемы было применение покрытий (например, тефлонового), которые не стачивают головку. Сами головки стали производиться с защитным слоем, например алмазным или ферритовым, которые практически не стираются. Естественно, что за не стирание головки приходится платить стиранием защитного слоя на ленте. Для увеличения объема записи на магнитную ленту снижалась скорость протягивания.

Следующим шагом в развитии магнитофонов стало создание видеомагнитофона, где зачет увеличения ширины ленты был увеличен объем хранимой информации. Точнее говоря, был совершен переход от линейной записи информации к двумерной.