Koliko god to moglo iznenađujuće zvučati, induktivne glave, kao tehničko rješenje za zapisivanje i čitanje informacije na magnetskom mediju, počele su se primjenjivati u tehnologiji tvrdih diskova tek nekoliko godina nakon što su uspješno primijenjeni u audio tehnologiji. Krajem četrdesetih godina razvijena je tehnologija koja je omogućila komercijalnu izradu magnetofona. Početkom sedamdesetih razvoj je omogućio zapis audio informacije na znatno manje trake što je dovelo do pojave, i danas na tržištu prisutnog, kazetofona.
Sredinom pedesetih godina IBM-ovi inženjeri su riješili glavni problem koji je stajao na putu proizvodnje onog što danas nazivamo - tvrdi disk. Naime, uspjeli su konstruirati induktivnu glavu koja je omogućila čitanje magnetske informacije zapisane na disk tako da induktivna glava ne dodiruje površinu diska (kao što dodiruje traku u magnetofonu). To je omogućilo da se disk vrti dovoljno velikom brzinom, što će omogućiti pristup podacima u "razumnom vremenu".

Budućnost tvrdog diska bila je za neko vrijeme osigurana.

Kako pišemo?
Kao što je to već nebrojeno puta rečeno, glavna prednost binarnog zapisivanja informacije je u tome što je dovoljno imati samo dva karakteristična stanja medija na koji se informacija zapisuje, a koja će odgovarati binarnim brojevima "0" i "1". Tako u elektronskim komponentama koje rade s binarnom logikom broj "0" može značiti da je tranzistor zatvoren i da ne teče nikakva struja, dok jedinici može odgovarati stanje kada tranzistorom teče struja. Kod CD-a, naprimjer, "0" i "1" se upisuju pomoću udubina u ravnom reflektirajućem sloju. Već je lako naslutiti da će binarna informacija magnetskih medija biti zapisana tako da se sićušni dio trake ili diska magnetizira u različitim, najčešće međusobno suprotnim, smjerovima.

Zaboravimo na trenutak sve tehnološke pojedinosti i zamislimo da je na neku nemagnetičnu podlogu nanesen feromagnetski sloj (na slici označen kao - magnetski medij). Ako tom sloju približimo neki mali magnet, u magnetskom sloju će se inducirati magnetizacija obrnutog smjera (točka A). Ako se sada pomaknemo na neko drugo mjesto i učinimo to isto ponovno ćemo magnetizirati sloj (točka B). Ako smo pri tome okrenuli naš magnet onda će i inducirani magnet u sloju imati obrnuti smjer u odnosu na točku A. Prema tome, ako magnetizacija u točki A pridijelimo binarni broj "0" onda magnetizaciji u točki B možemo pridijeliti broj "1".

Već na ovom nivou suočavamo se s nekim od suštinskih problema zapisivanja informacije na magnetski medij. Naime, kada magnetiziramo područje oko točke A onda točka B mora biti dovoljno daleko od te točke da magnetsko polje koje je potrebno da se magnetizira medij oko točke B ne bi poništio magnetizaciju u točki A.

Problem demagnetizacije postoji i zbog međudjelovanja samih magnetiziranih područja. Kao što se na slici vidi, magnetska polja u točkama B i C se prekrivaju što znači da će polje iz točke B pokušati promijeniti magnetizaciju u točki C i obrnuto. Da bi izbjegli demagnetizaciju potrebno je magnetizirana područja udaljiti jedno od drugoga. Područje između magnetiziranih područja, čija je jedina uloga sprječavanje demagnetizacije, zove se prijelazno područje (slika gore).

Dakako da je magnetiziranje medija pomoću permanentnog magneta kao što smo mi to opisali, besmisleno. Elegantan način da se sićušni dijelovi magnetskog medija magnetiziraju u različitim smjerovima postiže se pomoću elektromagneta.


Znamo da je vodič kroz koji teče struja također izvor magnetskog polja. Njegov smjer jednostavno i brzo se mijenja promjenom smjera toka struje. Treba znati da se u procesu pisanja/čitanja informacija s magnetskih diskova struja u elektromagnetu promjeni i nekoliko miliona puta u jednoj jedinoj sekundi. Nove verzije čitača, o kojima će biti riječi u sljedećim poglavljima, brzina čitanja s diska je nevjerojatnih 15 miliona bita u jednoj sekundi.
No, vratimo se karakteristikama našeg elektromagneta. Oblik željezne jezgre omogućava nam da odredimo jačinu i oblik magnetskog polja kojim ćemo izazvati magnetiziranje u magnetskom mediju diska. Pokazalo se naime da je, iz razno raznih razloga, elektromagnet s kvadratnim okvirom s malim procjepom (vidi sliku dolje) idealan geometrijski oblik za magnetiziranje medija na diskovima. Uobičajen naziv za ovakav elektromagnet, koji se koristi za pisanje/čitanje podataka s diskova, je - INDUKTIVNA GLAVA.

Kao što slika ljevo pokazuje, induktivna glava se sastoji od feromagnetskog okvira i vodiča koji je omotan oko jednog dijela okvira. Feromagnetska jezgra ima dvostruku ulogu. Ona pojačava magnetsko polje inducirano strujom ali ga i prostorno ograničava. U potpuno zatvorenom okviru magnetsko polje je u cijelosti zatvoreno unutar okvira (nema magnetskog polja izvan okvira). U slučaju induktivne glave, magnetsko polje izvan okvira postojat će samo u malom prostoru oko procjepa. Na ovaj način se osigurava da nepoželjna polja ne utječu na magnetizaciju medija. Magnetski medij će biti magnetiziran poljem lokaliziranim oko procjepa - kao što to slika lijevo sugerira. Primijetite da će veličina magnetiziranog područja biti definirana veličinom procjepa induktivne glave. Smjer magnetiziranosti medija određen je magnetskim poljem induktivne glave koja se, kao što smo rekli, mijenja promjenom smjera struje u zavojnici.

Iz slike gore je vidljivo da će efekt magnetskog polja induktivne glave na magnetski medij diska biti veći što je glava bliže disku (kao i kod svih polja, tako i kod magnetskog njegova jačina opada s udaljenošću od izvora polja). Udaljenost induktivne glave od površine diska je reda veličine oko milijuntinke centimetra. Ako pretpostavimo da se disk vrti brzinom od skromnih 600 okretaja u sekundi (što odgovara linearnoj brzini i do 200 km/h) dakako da bi i najsitije trunčice prašine između diska i glave uzrokovale pravu katastrofu. Zbog toga se cijeli sistem magnetskog diska zatvara u posebnu kutiju iz koje je odstranjen i najmanji trag prašine ili neke druge nečistoće koji bi mogao biti koban za rad diska. Iz ovog razmatranja je također jasno da prenosivi mediji (diskovi i trake) koji moraju raditi u normalnom okruženju (u zraku s relativno mnogo prašine) moraju imati mnogo veće induktivne glave koje će na većoj udaljenosti između glave i diska moći izazvati potrebnu magnetizaciju. Veća udaljenost između glave i diska (trake) osigurava da tragovi prašine neće oštetiti površinu magnetskog medija. Dakako da svi ovi zahtjevi rezultiraju mnogo manjim kapacitetom prenosivih diskova u odnosu na fiksne.

Da ukratko ponovimo. Informacija na magnetskom disku zapisana je tako što su sićušni dijelovi diska magnetizirani u jednom od dva moguća smjera. Iako se čini da je najjednostavnije jednom smjeru magnetizacije pridijeliti broj "0", a drugom broj "1", u realnoj situaciji tome nije tako. Zbog mogućnosti gubitka podataka iz gore navedenih razloga (opasnost od demagnetizacije susjednih područja; veličina magnetske glave za pisanje), brojke "0" i "1" se moduliraju pomoću više sićušnih magnetiziranih dijelova. Danas se, u pravilu, koristi tzv. RLL (Run Length Limited) moduliranje, o kojem možete saznati više na stranicama PcGuide, te na ovim stranicama. Naša razmatranja ipak ne ovise o ovakvim detaljima, tako da u daljnjem tekstu možemo zamišljati da jednom smjeru magnetizacije odgovara brojka "0", a drugom "1".

Kako čitamo?
Čitanje tako zapisane informacije pomoću induktivne glave zasniva se na principu indukcije struje u vodiču koji se giba kroz magnetsko polje.

Kao što slika lijevo pokazuje, magnetsko polje koje izvire iz magnetiziranih područja širi se i u prostor iznad površine diska. Ako se induktivna glava kreće iznad površine diska kroz to magnetsko polje u vodiču induktivne glave inducirat će se struja. Smjer inducirane struje ovisi o smjeru magnetskog polja, što znači da će različite magnetizacije inducirati struju različitih smjerova što se naknadno, kroz logičke elemente, interpretira kao binarna jedinica ili nula. Struja u vodiču induktivne glave proporcionalna je, kao što jednadžba u slici lijevo kaže, brzini kojom glava prelazi kroz magnetsko polje. Drugim riječima, osjetljivost induktivne glave ovisi o brzini (v) kojom glava prelazi preko diska ili preciznije, brzini kojom se disk vrti ispod induktivne glave. Magnetski diskovi s induktivnim glavama okreću se brzinom do 4.000 okretaja u minuti, za razliku od npr. CD-a koji se vrti između 200 i 500 o/min. Napomenimo da se suvremeni diskovi vrte brzinom i do 15,000 o/min).

Induktivna glava ima jednu, naizgled značajnu karakteristiku a to je da se njom može informacija upisivati na disk i čitati s diska. Međutim, za pisanje podataka (magnetiziranje medija) potrebna je mnogo snažnija induktivna glava nego za čitanje tako da modernije verzije magnetskih diskova koje se zasnivaju na induktivnom načinu čitanja podataka imaju dvije glave, jednu za pisanje drugu za čitanje.

Induktivne glave koje se koriste za pisanje i čitanje podataka s magnetskih diskova nisu veće od nekoliko milimetara, a procjep u okviru (koji bitno određuje veličinu magnetiziranog područja) tek nekoliko mikrometara. Slika lijevo nam pomaže da steknemo bolji osjećaj o veličini induktivne glave. Crni kvadratić na slici uokviruje vrh nosača u kojem je integrirana induktivna glava za pisanje, a pored nje znatno manja induktivna glava za čitanje.

Bez obzira na trenutačni kapacitet magnetskih diskova postoji permanentna želja i kod korisnika i proizvođača da se on poveća. Vidjeli smo da se magnetizirana područja na disku moraju razdvajati tzv. prijelaznim područjima koja sprečavaju demagnetizaciju. Jasno je da ta područja zauzimaju određeni prostor na disku i da bi njihovo smanjenje omogućilo povećanje kapaciteta diska. Smanjenjem veličine prijelaznog područja izlažemo se riziku da se tijekom vremena magnetizirana područja spontano demagnetiziraju. Iz ovog direktno proizlazi zahtjev za veliku koercitivnost magnetskog medija. Podsjetimo se, koercitivnost nam kaže koliko treba biti vanjsko polje da poništi magnetizaciju u nekom materijalu. Što je koercitivnost veća to će teže doći do spontane demagnetizacije. Zato traženi materijal mora imati široku histerezu (više o materijalima u nastavku).
Način kako da povećamo kapacitet diska je i da smanjimo sama magnetizirana područja. Međutim, smanjenjem veličine magnetiziranog područja smanjujemo i magnetsko polje. Evidentno je da postoji neka donja granica jačine magnetskog polja koja se može bez značajnijih problema korektno očitati. Ako se magnetizirano područje previše smanji, njegovo magnetsko polje neće biti dovoljno jako da se pročita pomoću induktivne glave. Međutim, različiti materijali će za istu veličinu magnetiziranog područja proizvoditi različito jaka magnetska polja. Veličina koja nam kaže koliko je jako magnetsko polje pojedinog materijala zove se - remanentni magnetizam. Jasno je iz ovoga da je dobro odabrati magnetski medij tako da ima što veći remanentni magnetizam što znači da je poželjno da histereza bude što viša. Prema tome, kada uzmemo u obzir zahtjeve na koercitivnost i remanentni magnetizam, potrebno je izabrati takav materijal koji će imati što višu i što širu histerezu.
PROJEKT
ODREĐIVANJE STRUKTURE MAGNETSKOG ZAPISA NA 3,5" DISKETI

Ovaj projekt će vas uputiti kako da s vrlo malo opreme "pročitate" informaciju s 3,5" diskete koristeći induktivnu glavu nekog rashodovanog kazetofona!

TREBATE : jednu 3,5" disketa, magnetsku glavu od "bivšeg" kazetofona, vijak s maticom M4, akumulatorsku bušilica ili bilo kakav motor prikladnog oblika, odvijač, kliješta, računalo sa zvučnom karticom i - to je to!
O svim detaljima vezanim uz realizaciju ovog projektnog zadatka pogledajte OVDJE


Izbor materijala
Prethodno razmatranje je jasno ukazalo na to kakve karakteristike bi trebali imati materijali koji se koriste za magnetski medij diska. Čestice željezo-oksida su za dugo bile najrasprostranjeniji medij od kojeg se gradio magnetski sloj na diskovima. Slika dolje pokazuje mikro strukturu čestica željezo-oksida i krom-dioksida, dva najčešće korištena magnetska medija osamdesetih godina. Oba materijala imaju relativno veliku koercitivnost i remanentni magnetizam. Međutim, problem ovih medija je, kao što slika dolje jasno sugerira, relativno loša homogenost. Značajan napredak u povećanju koercitivnosti i remanentnog magnetizma magnetskog medija postignut je primjenom tehnologije tankih slojeva.


Umjesto premazivanja diska nekom substancom (obično se naziva - matrica) u kojoj su otopljene mikročestice magnetskog materijala, magnetski sloj se može napariti na disk na isti način kao što se naparava ultra tanki aluminijski sloj na plastičnom disku CD-a. Naime, u posebne komore, iz kojih je ispumpan zrak, upusti se argon koji se ionizira i zatim sistemom elektroda, ubrzava prema materijalu koji se želi napariti. Atomi argona, zbog svoje brzine, izbijaju atome magnetskog medija koji padaju na disk. Tako napareni tanki filmovi slojevi nikla i kobalta pokazali su se superiornim u odnosu na sve prethodne magnetske medije. Kao što slika dolje pokazuje i koercitivnost i remanentni magnetizam tankih
slojeva je za nekoliko puta veći nego kod čestica željezo-oksida ili krom-dioksida. Dakako da je tehnologija tankih slojeva zahtjevnija i skuplja od tehnologije premazivanja diskova. Međutim, usprkos svemu tanki slojevi postaju sve prisutniji i nezaobilazni u raznim tehnološkim primjenama.
Tehnologija tankih slojeva koristi se u Hrvatskoj jedino u laboratorijskim uvjetima , i to u laboratoriju za tanke slojeve Instituta Ruđer Bošković.
Ako mikroskopom pogledamo tvrdi disk čija je magnetska struktura kreirana tehnologijom tankih filmova nećemo vidjeti gotovo nikakvu strukturu kao što to pokazuje slika 2.8a.
Međutim, ako se ista površina snimi mikroskopom koji je osjetljiv na magnetsko polje pokazat će se pravilne strukture kao što se može vidjeti na slici 2.8b. Kao što možete i naslutiti, pravokutne strukture veličine oko 4 µm x 5 µm su zapravo magnetizirana područja a ravnine među njima, prijelazna područja.
Induktivne glave - koje su granice?
Kao što smo već napomenuli, povećanje gustoće informacija na magnetskom mediju nužno dovodi do smanjenja magnetiziranog područja, što neminovno izaziva smanjenje polja koje induktivna glava treba očitati. Inducirana struja u induktivnoj glavi čitača ovisi o broju navoja (n), brzini kojom induktivna glava prolazi kroz magnetsko polje (v) te gradijentu polja dH/dx (vidi jednadžbu u slici 2.4). Pogledajmo na koje parametre induktivne glave možemo utjecati da bi nadoknadili smanjenje polja magnetiziranog područja.
  • broj navoja - povećanje broja navoja oko magnetske jezgre će povećati struju u induktivnoj glavi. Naizgled, povećanjem broja navoja možemo jednostavno nadoknaditi smanjenje magnetiziranog područja. Ali, kao i uvijek, tako i u ovom slučaju, postoji "cijena" koju treba platiti. Povećanje broja navoja povećava induktivitet L. Veliki induktivitet znači malu frekvenciju nekog elektroničkog elementa. Drugim riječima, povećanjem broja navoja smanjit ćemo brzinu kojom će induktivna glava moći čitati zapisanu informaciju.

  • brzina - pod brzinom podrazumijevamo linearnu brzinu kojom magnetizirana područja prolaze ispod induktivne glave. Ova brzina je, naravno, direktno vezana uz broj okretaja diska.
    Povećanjem brzine povećat će se osjetljivost induktivne glave. Međutim, kao što smo napomenuli, induktivna glava zbog konačnog induktiviteta i otpornosti ima i neku maksimalnu frekvenciju na kojoj može raditi. Broj okretaja diska mora biti usklađen s maksimalnom frekvencijom induktivnog elementa glave.

  • razmak između glave i diska - Zbog potrebe za velikim brojem okretaja kod tvrdih diskova nema direktnog kontakta između glave diska i površine diska. Smanjenje udaljenosti između glave i diska ima za rezultat povećanje rizika od sudara (head crash). Zato smanjenje razmaka nužno traži i značajno poboljšanje kvalitete površine diska, bolju kontrolu visine glave itd. Sve su to zahtjevi koje nije uvijek lako ispuniti.
| Sadržaj | Uvod | | Induktivne glave | MR tehnologija | GMR tehnologija | Projekt |