Magnetismo e registrazione magnetica Scritto da David Guanciarossa Venerdì 10 Luglio 2009 13:27 - Ultimo aggiornamento Venerdì 10 Luglio 2009 14:02
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Magnetismo e registrazione magnetica
Il magnetismo, quella proprietà per la quale alcune sostanze attraggono piccole particelle di certi metalli, era noto fin dall'antichità (Talete di Mileto intorno al 600 a.C.), tant'ée che il nome stesso deriva dalla città di Magnesia dove erano noti giacimenti di ferro dalle evidenti proprietò magnetiche. Dobbiamo però attendere il tardo medio evo per trovare in occidente la prima applicazione pratica del magnetismo con l'invenzione della bussola, la cui capacità direzionale era stata già da tempo scoperta nell'Asia orientale. Innumerevoli sono oggi i campi di utilizzazione del magnetismo. Nella registrazione magnetica, per esempio, si fa uso di impulsi magnetici incorporati in successione in uno speciale supporto (generalmente un nastro) per conservare e riprodurre segnali elettrici che, a loro volta, vengono elaborati per la riproduzione e l'utilizzazione delle informazioni in essi contenuti.
L'analisi sistematica dei fenomeni magnetici é iniziata verso la fine del '700 con Coulomb, il quale scoprì che l'azione reciproca di due sostanze magnetiche é proporzionale al quadrato delle loro distanze. I magneti, o calamite, possono assumere diverse forme, ma la forza di attrazione e di repulsione sembra emanata da zone determinate dette «poli» per analogia con l'ago della bussola che volge le sue estremità rispettivamente sempre verso il polo nord e verso il polo sud terrestri.
Poiché due magneti liberi di muoversi tendono a disporsi sempre in modo che i poli di segno opposto siano più vicini possibile, avremo un'attrazione fra poli diversi e una repulsione fra poli di uguale segno. Lo spazio nel quale si esercita l'influenza di una calamita si chiama «campo magnetico». Su ogni particella immersa in questo campo si esercita una forza. Il campo magnetico può essere reso facilmente visibile se spargiamo della limatura di ferro su un foglio di carta sotto il quale si porta un magnete. Le partcelle ferrose si allineeranno secondo uno schema caratteristico che é la rappresentazione visiva di quel campo magnetico (Fig. 1).
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Le linee secondo le quali agisce il campo magnetico sono dette «linne di forza»; il campo é tanto forte quanto più(F) sono fitte le induzione linee di forza. Il numero di lineemagnetico. di forza ( ) per più unità di superficie si chiama o densità del flusso
INDUZIONE MAGNETICA = LINEE DI FORZA / SUPERFICIE; B = /F ; B viene in Tesla, in Weber (inespresso precedenza le dueeunità erano rispettivamente il Gauss = 10 -4 Tesla e il Maxwell = -8 Weber). 10
Una scoperta fondamentale fu fatta nel 1820 da Oersted, il quale osservò che anche nelle vicinanze di un conduttore percorso da corrente continua si genera una forza (proporzionale all'intensità della corrente) che devia un leggero ago magnetico in direzione legata al verso di scorrimento della corrente. Il campo magnetico generato dalla corrente elettrica può essere messo in evidenza facendo attraversare perpendicolarmente dal filo conduttore un foglio di carta cosparso di limatura di ferro. Questa si disporra secondo anelli concentrici intorno al conduttore e il verso del campo sarà quello orario se il senso della corrente e diretto dall'alto in basso (Fig. 2).
Questa forza esercitata da una corrente elettrica, oppure anche da una sostanza magnetica su un altro polo magnetico viene detta «intensità del campo magnetico» (H) e si misura in Ampere/metro per i campi elettromagnetici (generati da un conduttore) e in Oersted per le sostanze magnetiche (1 Oe = 80 A/m). Piegando il conduttore elettrico a forma di anello aperto le linee di forza che avvolgono il conduttoreavranno all'interno del cappio la medesima direzione (Fig. 3)
L'effetto risulta più evidente disponendo più anelli affiancati o anche un unico filo avvolto a bobina sullo stesso asse e facendo passare la corrente nello stesso senso di rotazione. Si otterrà tutto un fascio di lenee di forza uscenti dalla bobina simile a quello di una calamita a sbarra (fig. 4)
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Questo campo dipenderà oltre che dalla intensità della corrente anche dalla «concentrazione» delle spire della bobica, cioé maggiore é il numero (n) degli avvolgimenti in rapporto alla lunghezza del filo, tanto maggiore sarà la densità delle linee di forza e quindi dell'intensità del campo, secondo la formula: H = i • n/l.
Ripiegando ancora la bobina a forma di anello le linee di forza vi rimarranno rinchiuse senza ricollegarsi esternamente intorno alle spire e formeranno un campo magnetico circolare detto toroide (Fig. 5).
Il fenomeno del campo magnetico puó pertanto essere descritto mediante la densità del flusso magnetico (B) e l'intensità del campo (H). Il rapporto tra tali grandezze é costante per ogni sostanza nella quale si diffonde il campo magnetico considerato e viene chiamato o«permeabilità magnetica» di una sostanza (µ = B/H). Se in una bobina attraversata dalla corrente si introduce un pezzo di ferro dolce, il campo uscente dalla bobina aumenta notevolmente e, a parità di condizioni, é molto maggiore che nell'aria. La densità del flusso magnetico é di parecchie volte superiore all'intensità del campo magnetico (B = µ • H); vi é cioé un numero maggiore di linee di forza.
Se prendiamo come valore di riferimento il vuoto e gli assegniamo µ = 1 possiamo stabilire il valore µ della permeabilità per tutte le altre sostanze misurando semplicemente la variazione del valore del flusso magnetico. Salvo poche sostanze il valore di µ é quasi sempre < 1, ossia il valore del flusso risulta generalmente più basso rispetto a quello generato nel vuoto. Tra le poche sostanze ohe hanno invece µ > 1 vi sono il ferro, il cobalto, il nichelio, la magnetite, la ferrite etc. Il valore della permeabilità é per esse anche molto maggiore di 1 fino all'ordine delle centinaia di migliaia.
Abbiamo osservato che nei magneti naturali o elettrici, si crea una «circolazione magnetica»
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con andamento da nord a sud all'esterno e da sud a nord all'interno. Nel toroide invece, il flusso é continuo e si svolge sempre all'interno delle spire del conduttore. Se introduciamo nelle spire un materiale ad alta permeabilità magnetica, il flusso aumenta notevolmente senza alcuna manifestazione di campo magnetico nello spazio circostante. Avremo un circuito magnetico chiuso. Se ora il materiale del nucleo viene interrotto in un punto con una sottile fenditura (Fig. 6)
le linee di forza del campo attraversano questa interruzione passando per l'aria o per qualsiasi altro materiale che si trovi nella fessura e il flusso sarà quasi uguale a quello che percorre il nucleo stesso (molto superiore a quello di una bobina col nucleo d'aria). In tal modo l'intensità del campo magnetico che in base all'equazione H = i•n/l raggiunge un valore determinato a parità di corrente che scorre nella bobina, può essere rinforzata con l'aiuto di un materiale di maggiore permeabilità. Un circuito magnetico aperto di questo genere serve, in linea di principio, come testina magnetica, in quanto piccole correnti elettriche applicate forniscono intensità di campo magnetico sufficienti per la registrazione magnetica.
Induzione elettromagnetica
Se si crea un campo magnetico con una grossa bobina e se all'interno di esso si inserisce una bobina piu piccola (Fig. 7)
le linee di forza attraversano naturalmente anche la bobina piccola. Se mentre la corrente passa già attraverso la bobina esterna, colleghiamo un galvanometro ai capi della bobina interna, non si nota alcuno scorrimento di corrente in essa; se invece si apre l'interruttore, interrompendo la corrente (e facendo di conseguenza scomparire il flusso magnetico), si osserva che per un momento il galvanometro segna una deviazione. Lo stesso fenomeno (con la lancetta che si sposta per un attimo in senso contrario) avviene quando si ristabilisce il 4 / 10
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campo magnetico chiudendo l'interruttore. É quindi evidente che quando si fa variare il campo magnetico si «induce» una tensione nella bobina immersa nel flusso senza che vi sia alcun collegamento elettrico con quella esterna generatrice del campo magnetico. Lo stesso effetto si nota se invece di disinnestare totalmente il campo magnetico lo si fa variare entro un tempo determinato. Si può variare il campo magnetico nella bobina «primaria» con l'impiego della corrente alternata, nella quale il verso della corrente cambia con successione determinata, ossia la corrente viene automaticamente disinserita ed invertita di polarità piu volte nell'unità di tempo, in modo che con l'alternanza del campo magnetico viene indotta una tensione alternata nella «bobina» e quindi viene indotta una tensione alternata nella bobina «secondaria». Questo fenomeno é noto anche come principio del trasformatore.
Il magnete permanente
Il differente comportamento magnetico delle varie sostanze si può misurare eseguendo l'esperimento per determinare l'induzione elettromagnetica. Si usa la bobina piccola col galvanometro inserendo la corrente e misurando la tensione indotta. Nella stessa bobina si introduce successivamente un nucleo composto da un pezzo di rame, quindi un pezzo di ferro ed infine di acciaio, misurando di volta in volta la tensione indotta. I risultati confrontati con quello della bobina senza nucleo daranno per il rame un valore quasi uguale, mentre per il ferro e l'acciaio si riscontreranno valori molto più alti. Tolta la corrente, si esaminino ora i tre provini con un ago magnetico, si constaterà con sorpresa che il pezzo di acciaio si comporta a sua volta come un ago magnetico: esso ha conservato il magnetismo, ossia é diventato un magnete permanente.
La magnetizzazione
Un magnete permanente ha verso l'esterno lo stesso campo di linee di forza come una bobina attraversata dalla corrente. Ponendo la permeabilità dell'aria uguale a 1, le equazioni descritte in precedenza forniscono informazioni sulla densità del flusso magnetico all'interno della bobina. L'intensità del flusso di un materiale magnetico dev'essere invece accertata per mezzo di una misurazione. Ciò é possibile cercando di determinare l'eccesso di flusso magnetico che si crea con il materiale magnetico nella bobina attraversata dalla corrente. A questo scopo si parte nuovamente dal principio dell'induzione elettromagnetica. Ora si prendono però due bobine interne uguali ma con senso opposto di avvolgimento, di modo che le due tensioni indotte si compensino. La densità del flusso magnetico nelle due bobine vuote e uguale. Se in una delle due bobine si introduce il materiale can una densità di flusso magnetico ignota, solo questa può ancora creare la tensione indotta aggiuntiva, che, agendo soltanto in una bobina, puó venir misurata nonostante le due bobine di induzione siano affiancate. Questa é la misura
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della densità del flusso del materiale magnetico chiamata «magnetizzazione» di una determinata sostanza.
Ferromagnetismo
La sede dei fenomeni magnetici é negli atomi: più precisamente i movimenti di rotazione degli elettroni generano dei momenti magnetici. Nella maggior parte delle sostanze i vari atomi sono disposti secondo la legge del caso in modo che i loro effetti magnetici si distribuiscono su tutte le direzioni, tanto da annullarsi a vicenda. Soltanto in determinati casi. per effetto della disposizione cristallina o per gioco della disposizione elettronica nell'atomo, i momenti magnetici si possono ordinare in modo regolare. Se i momenti si dispongono tutti in un determinato verso si ha il fenomeno del «ferromagnetismo>> (p.es. nel ferro, cobalto, nichel, leghe di Heusler, etc.), se invece si alternano nei due versi, ma sempre nella stessa direzione, si ha l' «antiferromagnetismo» (p.es. ossido di cobalto) e se quest'ultima disposizione ha valori disuguali nei due sensi si ha il «ferrimagnetismo» (p.es.: ferriti; come il gammasesquiossido di ferro usato nei nastri magnetici).
Abbiamo osservato che le sostanze ferromagnetiche hanno i vari momenti orientati in modo regolare e, tenendo presente che si magnetizzano spontaneamente, desta sorpresa il fatto che alcuni pezzi di ferro si comportano alla superficie del tutto amagneticamente. La soluzione venne trovata nel 1907 da Pierre Weiss con la supposizione che la magnetizzazione spontanea unidirezionale si verifichi non omogeneamente in una massa di ferro ma sia raccolta in zone particolari (zone di Weiss) nelle quali i magneti elementari nel reticolo cristallino sono gie orientati senza l'azione del campo esterno, alternate con zone di non orientamento.
Vi é quindi l'eventualità (anzi é il caso statisticamente più probabile) che i momenti magnetici, considerati macroscopicamente in una barra di ferro, si compensino e si annullino verso l'esterno. Allora é chiara la ragione per cui un oggetto di ferro sotto l'azione del campo magnetico di una bobina si magnetizzi come unità macroscopica: il campo generato della bobina volge tutte le zone di Weiss in un'unica direzione.
Si é misurato che questo orientamento non avviene simultaneamente ma via via che l'intensita del campo elettromagnetico non raggiunge determinati valori e che ciò é legato ad una magnetizzazione progressive non lineare. Si deduce che per l'orientamento delle zone Weiss sono necessarie forze differenti e anche il numero di zone che si ordinano varia secondo il campo induttore. Se descriviamo graficamente il fenomeno mediante due assi cartesiani,
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otteniamo una figura caratteristica (Fig. 8).
Sull'asse orizzontale riportiamo l'intensità del campo induttore (H) e su quello verticale i valori della magnetizzazione (J) ottenuta. Partendo da una sostanza con magnetizzazione zero applichiamo una debole corrente per un'intensità di campo H 1 , una parte delle zone di Weiss assai mobili si orienterà secondo la direzione del campo e la magnetizzazione corrisponriente sara B 1 . Se si disinnesta nuovamente il campo dette zone ritornano allo stato originario (punto 0), ossia l'azione del campo magnetico é reversibile. Dopo una magnetizzazione con il campo magnetico al di sopra di H1, per esempio H 2 , si raggiunge una magnetizzazione J 1
che, al disinserimento del campo, diminuisce soltanto fino al valore Jr 1
: rimane dunque una certa magnetizzazione che si chiama magnetizzazione residua. In questo caso é avvenuto un fenomeno irreversibile. La spiegazione é che sotto l'azione del campo magnetico, certe zone di Weiss non orientate nel senso del campo, sono cresciute a danno di altre trovantisi in quel senso. Come abbiamo detto sopra, la magnetizzazione nelle zone di Weiss si ingenera spontaneamente, per cui il riorientamento si può verificare soltanto nel caso che l'ordinamento nel cristallo sia tale da consentire un tale riorientamento.
Una volta che quest'ultimo ha avuto luogo, esso e esattamente stabile e si mantiene anche senza campo magnetico. Mediante la tecnica di misurazione si può constatare come questo fenomeno non si svolge continuativamente, ma a scatti. Una volta che tutti questi scatti si sono compiuti, corrispondentemente all'energia occorrente, l'ulteriore aumento del campo magnetico può provocare soltanto un avvicinamento asintotico della magnetizzazione al valore massimo Js.
Come abbiamo già ricordato, la magnetizzazione spontanea é legate ad un particolare ordinamento cristallino: se tutte le zone di Weiss si sono orientate in larga misura nel senso del campo, può verificarsi ancora soltanto una torsione flessibile, come ad esempio una flessione elastica di un bastone. Ciò avviene nella zona dal punto B 3 al punto D, dove si raggiunge l'orientazione massima (saturazione). Disinnestando il campo si avrà la magnetizzazione residua Jr, ossia la rimanenza di saturazione. Il materiale si trova ora nello stato al quale esso
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segna una magnetizzazione anche quando il campo esterno é a zero. Se si vuole tornare a un livello di magnetizzazione zero si deve applicare una forza contraria, il campo antagonista Hc, chiamata «forza coercitiva». La forza coercitiva é quindi un criterio per misurare l'opposizione di un materiale alla propria smagnetizzazione e, unitamente alla rimanenza, indica le principali caratteristiche di un materiale magnetico.
Se si porta il campo oltre il valore —Hc, si raggiungere analogamente il valore negativo di saturazione —Js e di rimanenza di saturazione —Jr. Invertendo nuovamente i poli del campo magnetico, si raggiungere simmetricamente tramite it valore +Hc con magnetizzazione zero e quindi nuovamente al valore Hs, il valore +Js. Questo fenomeno che, del resto, non si verifica soltanto nel magnetismo, viene chiamato isteresi (dal greco «hystereo» = restare indietro). Sulla scorta del risultato dell'esperimento illustrato sembrerebbe che la magnetizzazione zero non sia più ottenibile con campo zero. É tuttavia possibile effettuando un certo numero di cicli di magnetizzazione iniziando con intensità di campo Hs e facendola calare lentamente ad ogni ciclo. Si ottengono così cicli d'isteresi sempre piccoli con rimanenza sempre minore, finché con un campo quasi zero si raggiunge una magnetizzazione rimanente uguale a zero, cioé praticamente uno stato di smagnetizzazione. Con questo procedimento chiamato «cancellazione» man mano che l'intensità di campo diminuisce, si inverte la magnetizzazione di un numero sempre minore di zone di Weiss. Invece di adottare un proprio ciclo d'isteresi per molti campi lentamente calanti, si possono usare anche correnti alternate e lasciar andare lentamente verso lo zero l'intensità di corrente.
La registrazione magnetica
Il principio della registrazione magnetica venne enunciato per la prima volta nel 1888 da Oberlin Smith e messo in pratica net 1898 da Poulsen. Ambedue partirono dal principio che i fenomeni acustici (vibrazioni sonore) possono venir trasformati in impulsi elettrici per mezzo di un microfono. Fornendo ad un circuito magnetico aperto questi impulsi elettrici si provocano corrispondenti oscillazioni magnetiche periodiche. Questo circuito aperto (che costituisce la testina magnetica) utilizza come nucleo un materiale ad elevata permeabilità (per ottenere una forte induzione) e dotato anche di bassissima forza coercitiva per poter invertire la magnetizzazione con correnti minime.
Nel traferro (interruzione del nucleo della testina) si genera un campo magnetico variabile e in tal modo é possibile magnetizzare una sostanza che scorra in prossimità di esso. Per poter registrare le oscillazioni acustiche e rispettivamente elettriche attraverso il traferro della testina magnetica deve passare materiale magnetizzabile sempre nuovo: il nastro magnetico viene fatto scorrere davanti alla testina (Fig. 9).
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L'intensita del campo magnetico che è proporzionale alla corrente elettrica passante lungo gli avvolgimenti della testina, provoca nel supporto magnetico, in base al processo d'isteresi, una magnetizzazione, parte della quale rimane come residua quando il materiale magnetizzabile si fa correre via dal campo del traferro della testina . In questo modo sul nastro si ottiene una successtone di diverse zone magnetizzate, come uno schieramento di aghi della bussola con polarità di volta in volta opposta (Fig. 10).
Il senso della magnetizzazione corrisponde di volta in volta alla semionda del suono; la dilatazione lineare della zona é proporzionale alla velocità di scorrimento del supporto magnetico ed inversamente proporzionale alla frequenza del suono. Per riprodurre il suono basta far scorrere il supporto magnetico con le diverse rimanenze registrate davanti ad una testina magnetica. Le linee di campo provenienti dalla serie di zone magnetiche scorrono attraverso il materiale assai permeabile della testina nel momento in cui arrivano davanti al traferro del circuito magnetico aperto. Al passaggio del nastro registrato, il variare della densità del flusso magnetico nella bobina del circuito aperto provoca una tensione alternata che viene poi ritrasformata in un processo acustico.
Dobbiamo ricordare però che gli impulsi magnetici registrati nel nastro non rispecchiano fedelmente la forma delle oscillazioni elettriche iniziali che li hanno provocati data la non linearità della curva di rimanenza (infatti la magnetizzazione residua o «rimanenza» non é in funzione lineare rispetto all'intensità di campo applicata). Un'intensità doppia di corrente, per esempio, non provocherà una magnetizzazione di valore doppio e nella riproduzione, quindi, non si avrà una risposta corrispondente. In altre parole la registrazione effettuata direttamente non sarà correlate da una riproduzione identica, ma distorta.
Per superare questo inconveniente, dopo molte e insoddisfacenti modifiche alla tecnica della registrazione, nel 1940 Braunmühi e Weber realizzarono un sistema di linearizzazione delle
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caratteristiche della registrazione sovrapponendo una corrente di alta frequenza (50 -- 100.000 Hz) alla corrente di balsa frequenza dei suoni. Come già descritto, la distorsione deriva dal fatto che, cessata l'influenza del campo elettrico, la curve di magnetizzazione residua non è lineare. Quando si applica la corrente di polarizzazione ad alta frequenza con intensità Hs pari al valore di saturazione di magnetizzazione, le particelle magnetiche in un punto del nastro sono soggette a moltissimi cicli quando attraversano il traferro della testina; in effetti esse vengono agitate in modo tale che rispondono molto prontamente alla magnetizzazione del segnale a frequenze audio. Con queste frequenze si otterrà di fatto uno stato di magnetizzazione prossimo a zero rispetto a quello ottenuto con la corrente di premagnetizzazione, quindi la curve di rimanenza per le frequenze sonore sarà praticamente lineare. L'ampia correlazione lineare tra l'intensità del campo di registrazione e lo stato di magnetizzazione residua sul supporto magnetico, consente una fedele riproduzione dei segnati registrati. Per ottenere la massima linearità possibile si interviene anche attraverso curve di equalizzazione del segnale registrato e riprodotto tendenti ad attenuare o esaltare determinate frequenze.
(da un documento BASF)
SUONO STEREO HIFI ottobre 1972 Inizio pagina | Indietro
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