التسجيل المغنطيسي
تسجيل مغنطيسي
-
التسجيل المغنطيسي
سمير كرمان
| جهاز التسجيل المغنطيسي | التسجيل المرئي المغنطيسي على الشريط |
| الشرائط المغنطيسية | التسجيل المغنطيسي للبيانات |
| الأقراص المغنطيسية | تطور التسجيل المغنطيسي |
| تسجيل الصوت مغنطيسياً على الشريط |
التسجيل المغنطيسي magnetic recording هو تطبيق لتآثر (لتفاعل) interaction تغيرات الحقل المغنطيسي مع اصطفاف جسيمات مغنطيسية magnetic particulates دقيقة؛ فعند تطبيق الحقل الناتج من مرور تيار في وشيعة يتغير الاصطفاف ويبقى محتفظاًً به وكأنه كتابة، لذلك تدعى هذه الأداة رأس الكتابة (الشكل 1). وعند استعمال الرأس بصورة عكسية يتحسس التغيرات في الاصطفاف وكأنه يقرأ المكتوب فيسمى الرأس القارئ. ويتطلب ذلك تحريك الوسط المغنطيسي.
 |
| الشكل (1) تآثر الحقل المغنطيسي مع اصطفاف الجسيمات المغنطيسية. |
وقد يُستعمل للكتابة والقراءة خواص أخرى تتأثر بمغنطيسية وسط مادة الجسيمات مثل تغير مقاومتها الكهربائية فيما يعرف بالمقاومة المغنطيسية magnetoresistance، أو تغير خواصها المغنطيسية الضوئية magneto-optical properties. وقد تطورت تقانة التسجيل المغنطيسي بعد أن كانت مقتصرة على التسجيل الصوتي مع تحسنها لتشمل تسجيل الفيديو (صوت وصورة). ومع توفر إمكان تحويل الإشارة التماثلية إلى إشارة رقمية وبالعكس وجدت هذه التقانة تطبيقات في مجال الحواسيب لتخزين المعلومات واستردادها.
لمحة تاريخية
اقترح فكرة التسجيل المغنطيسي للصوت لتحل محل التسجيل الميكانيكي له المهندس الأمريكي أوبرلين سميث Oberlin Smith عام 1888، وبعد عشر سنوات ابتكر العالم الدنماركي فالديمار بولسن Valdemar Poulsen أول آلة للتسجيل المغنطيسي للصوت البشري وهي التلغرافون telegraphone، ويطلق عليها أيضاً اسم المسجل السلكي، وكان التسجيل يجري على سلك حديدي المغنطة ferromagnetic كما هو مبيّن في الشكل (2)، لكن بسبب عوز التضخيم كانت جودة التسجيل رديئة جداً.
 |
|
الشكل (2) أول آلة للتسجيل المغنطيسي. |
وفي عشرينيات القرن العشرين ظهر نوع جديد من أوساط التسجيل هو شريط مغطى بمسحوق مغنطيسي مكان السلك المغنطيسي. وطوّر أول جهاز عملي للتسجيل على شريط مغنطيسي في ألمانيا منتصف ثلاثينيات القرن العشرين وسمي المغنيتوفون magnetophone. وشاع استخدام مثل تلك الأجهزة لاحقاً على نطاق واسع بعد أن تحسنت جودتها وصغرت أبعاد الأدوات المتممة لها لتصبح سهلة التداول تجارياً على شكل مسجلات صغيرة وأشرطة سمعية (كاسيت) cassette tape (الشكل 3) وذلك في ستينيات القرن العشرين عندما استثمرت شركة سوني اليابانية هذه التقانة. كما أدخلوا في عام 1979 مسجل الكاسيت المحمول المجسم stereo-headphone walkman باستعمال مسارات متعددة على الشريط الواحد.
 |
|
الشكل (3) الشريط المغنطيسي (الكاسيت). |
وعلى التوازي مع هذه التطورات بدأ تطوير أقراص صلبة وأسطوانات في خمسينيات القرن العشرين، وظهرت الأقراص الصلبة عام 1957 ثم الأقراص المرنة عام 1972 المغطاة بطبقة من مادة مغنطيسية وقسمت إلى مقاطع ومسارات. وكذلك بدأت تقنيات التخزين الحاسوبي في تطورها مختلفة عن تقنيات التسجيل الصوتي أو المجسم أو الصوتي المرئي (الفيديوي) نظراً لاختلاف متطلبات كل منها ولاسيما سرعة التسجيل والاسترداد وأمانة كل منها.
يتكون جهاز التسجيل عادة من جزء ميكانيكي يحرك الشريط بحسب الاتجاه المطلوب؛ وجزء إلكتروني مكوّن من رأس الكتابة ورأس القراءة ويضاف إليهما رأس المحي أو المسح لإعداد الشريط؛ إضافة إلى مضخمات ومعالجات. تسجل الذبذبات الصوتية بعد تحويلها إلى إشارات كهربائية على الشريط الذي يستقبلها، وعند الاستعادة تلتقط التغيرات المغنطيسية كإشارات كهربائية وتضخم بصورة مناسبة للوظيفة.
أ- الجزء الميكانيكي: يتكون من محرك ثابت السرعة. أما السرعات المعيارية التي تتحرك وفقها أجهزة التسجيل التماثلية فهي 30 إنش في الثانية أو15 إنش في الثانية أو 7.5 إنش في الثانية (والتي توافق 76 سم/ثا و38 سم/ثا و19 سم/ثا على الترتيب) للاستخدامات الاحترافية، و7.5 إنش في الثانية أو 3.75 إنش في الثانية أو 1.875 إنش في الثانية (والتي توافق 19 سم/ثا و9.5 سم/ثا و4.75 سم/ثا على الترتيب) في الاستخدامات المنزلية العادية؛ وذلك عبر التحكم بسرعة البكرات التي يلف عليها الشريط. ويمكن تسجيل قناة (أو مسار track) أو اثنتين أو أربع أو أكثر من المعلومات على شريط واحد.
ب- الجزء الإلكتروني: ويتكون من:
1- رأس التسجيل (الكتابة): يتكون رأس التسجيل من مجموعة من الصفائح الحديدية مثبتة بعضها مع بعض وتكون على شكل دائرة تقريباً ولكنها منفصلة عند نقطتين أ و ب (الشكل 1)؛ بحيث تشكل نصفين متساويين، ويحيط بكل نصف منهما ملف يوصل مع الدارة الخارجية للرأس، وتسمى الفتحة بين النصفين بالفجوة الهوائية air gap للتسجيل؛ وهي النقطة الحساسة في عملية التسجيل حيث يؤثر عبرها المجال المغنطيسي لرأس التسجيل في الطبقة المغنطيسية فيغير من اصطفاف الجسيمات المغنطيسية.
2- رأس القراءة (الاستماع): وهو يشبه رأس التسجيل؛ إذ تؤثر الجسيمات المغنطيسية في المجال (الحقل) المغنطيسي في الثغرة فتعدله، ومن ثمَّ تتحول الإشارات الكهربائية إلى ذبذبات صوتية بعد أن تكبَّر وترسل إلى السماعات.
3- رأس المسح: يزود هذا الرأس بإشارات كهربائية عشوائية كي يجعل اتجاه الجسيمات المغنطيسية عشوائياً قبل التسجيل (الشكل 4).
 |
|
الشكل (4) رأس المسح ورأس الكتابة مع الشريط. |
4- المضخمات: تتألف من مضخم أول للاقط الصوت microphone، ثم مكبر التسجيل الذي يأخذ الذبذبات الكهربية للصوت ثم يعدل الذبذبة الحيادية من المذبذب المحلي بالجهاز، ثم يوصلها إلى رأس التسجيل لتحويلها إلى مغنطيسية متغيرة تؤثر في الطبقة المغنطيسية. وعند الاستماع تجري العملية بصورة عكسية .
5- رأس رابع (إضافي): قد يستعمل لتسجيل ذبذبة خاصة بضبط التزامن بين الصوت والصورة، وتسمى النغمة الإرشادية pilot tone. ومن مميزات التسجيل المغنطيسي قابلية المحو وإعادة التسجيل والاستعمال عدة مرات.
استُخدمت الشرائط المعنطيسية magnetic tapes بكثافة في تسجيل الإشارات الصوتية والفيديوية؛ بيد أن تقانة الأقراص الفيديوية الرقمية Digital Video Discs (DVDs) قد حلت تدريجياً مكانها.
وتتضمن الطبقة المغنطيسية التي تلتصق أو ترسب على الشريط (أو القرص) جسيمات مغنطيسية ناعمة جداً (الشكل 5)؛ وتتفاوت نعومتها لتقابل ميْز resolution الرؤوس. وكانت الطبقة تحوي جسيمات أبعادها من مرتبة المِكرومتر وأصبحت الآن من مرتبة النانومتر، كما تغيرت مادتها من أكسيد الحديد المغنطيسي إلى مواد مغنطيسية أخرى تتميز بسهولة المغنطة وإزالتها، وهي مبيّنة في الجدول (1).
| الجدول (1) الخصائص التقريبية لبعض الجسيمات المغنطيسية المستخدمة في وسائط التسجيل | ||||||||||||||||||||||||||||||
|
معدل Co
 |
|
الشكل (5) توضع الجسيمات المغنطيسية على ركازة لدائنية. |
أصبحت بعض الأشرطة المستخدمة ذات تــــــسعة مسارات، وبلغت كثافة المسار 1600 بت لكل إنش، وفي عــــام 1982 جرت زيادة الكثافة إلى 6250 بت لكل إنش لتستوعب 225 ميغابت. وفي عام 1964 ظهرت أشرطة كاسيت ذات ثمانية مسارات وشاعت لخفة وزنها بعد أن كانت المسجلات ثقيلة يصعب تناولها.
أنواع الشرائط
ثمة أربعة أنواع من الشرائط الشائعة الاستخدام:
1- شريط الأكسيد الحديدي الأصلي، وهو نادر جداً في هذه الأيام.
2- شريط أكسيد حديدي قياسي.
3- شريط معدن كروم، وفيه جزيئات الأكسيد الحديدية مختلطة بثاني أكسيد معدن الكروم.
4- شريط معدني مكسو بجزيئات الأكسيد المستعملة في الشريط.
ظهرت الأقراص المغنطيسية Magnetic Disks لتحل محل الشرائط المغنطيسية مع بداية عام 1952، وبعد سنتين جرى إطلاق أقراص أبعادها كبيرة تصل إلى 20 إنشاً (1 إنش يساوي 2.54 سم)، وهي تختلف عن الشرائط المغنطيسية؛ إذ تحتاج إلى رؤوس خاصة للكتابة والقراءة وكذلك في حركتها الدائرية وحركة الرؤوس، وتبعاً لذلك ظهرت سواقات خاصة لكل نوع من الأقراص منها سواقة القرص الصلب hard disc drive (الشكل 6).
 |
| الشكل (6) رسم تخطيطي لسواقة الأقراص المغنطيسية الصلبة. |
وطرحت شركة أي بي إم IBM عام 1957 أول سواقة من هذا النوع أسمتها: طريقة الوصول (النفاذ) العشوائي للمحاسبة والتحكم Random Access Method of Accounting and Control (RAMAC) سعتها التخزينية 2000 بت في الإنش المربع، وتحسنت السعة التخزينية لتصل عام 2000 إلى 10 غيغابت في الإنش المربع. وتختلف الأقراص في تحضيرها للكتابة -أي ما يقابل الرأس الماسح في الأشرطة- والتي تعرف بعملية الإصاغة (التهيئة) formatting.
أ- القرص المرن floppy disk: شاع استخدامه لتخزين المعطيات، وهو قرص لدن مطلي بمادة قابلة للتمغنط، ويكون قطره في النوع الأكثر استخداماً 3.5 إنش (8.9 سم). ويجري التسجيل على القرص بمسارات دائرية متحدة المركز، كما هو مبيّن في الشكل (7). ويُقسم كل مسار إلى قطاعات يمكن أن تستوعب كل منها 512 بت. وتخزن المعطيات وفق عناقيد clustersبحيث يضم كل عنقود عدة قطاعات من أحد المسارات.
 |
|
الشكل (7) قرص مغنطيسي مرن. |
ب- القرص الصلب hard disk: سمي صلباً لأنه مصنوع من مواد صلبة وليست لدنة، ويكون مثبتاً داخل الحاسوب عادة. وقد يكون ثمة قرص واحد أو بضعة أقراص ممغنطة داخله.
وتختلف الأقراص الصلبة باختلاف تقانة تصنيعها؛ والأقراص الصلبة عادةً على نوعين أساسيين: أقراص صلبة داخلية internal hard disks وأقراص صلبة خارجية external hard disks.
ويجزأ القرص الصلب كما القرص المرن إلى مسارات وقطاعات ويمكن التحكم في تسجيل البيانات (المعطيات) data باستعمال ذراع مع معالج يتحكم في حركته وفي التيارات المارة في كل منها (الشكل 8). وتُعدّ موجة الكتابة موجة جهد مربعة ذات مستوى جهد موجب ومستوى جهد سالب، حيث تقوم هذه الموجة بتغيير قطبية مغنطة الوسط للقرص بحسب تغير مستوى موجة جهد إشارة الكتابة؛ التي هي صورة تمثل البيانات التي تجري كتابتها.
 |
|
الشكل (8) كتابة البيانات على القرص الصلب. |
يقوم الرأس في عملية القراءة بالكشف عن انعكاسات التدفق المغنطيسي المسجلة على القرص (الشكل 9)؛ حيث تتولد نبضة من التيار في ملف الرأس عند مرور الرأس بأي نقطة بوسط القرص يكون مسجلاً عليها انعكاس تدفق، وعادة ما تكون هذه النبضات ضعيفة جداً ومصاحبة لبعض الضجيج noise؛ أي تشوهات النبضة، لذلك يحتوي حاكم المسجل على دارات إلكترونية تقوم باستخلاص هذه النبضات من الضجيج وتكبيرها؛ ثم فك الشيفرة لإعادتها إلى بيانات مطابقة للبيانات السابق تسجيلها.
 |
|
الشكل (9) قراءة القرص كهربائياً. |
تسجيل الصوت مغنطيسياً على الشريط
تُعدّ طريقة تسجيل الصوت على الشرائط الممغنطة أو الأسطوانات المغنطيسية من أهم أنواع التسجيلات الصوتية في العصر الحديث سواء كان التسجيل من النوع التماثلي analog أم الرقمي digital؛ إذ نجم عن استعمال المبدل التماثلي الرقمي Analog-to-Digital Converter (ADC) الإلكتروني تحسيناً عالياً في جودة تسجيل الصوت واستعادته. ويحتاج الشريط المغنطيسي إلى عناية خاصة لحفظه من المؤثرات المغنطيسية الخارجية.
التسجيل المرئي المغنطيسي على الشريط
يمتد طيف الإشارة المرئية أو إشارة الصورة التلفزيونية حتى نحو 5 ميغا هرتز، ولكي يكون بالإمكان تسجيلها بطريقة تسجيل الإشارة الصوتية ينبغي أن تكون سرعة الشريط أكثر من 5 م/ثا، وبدلاً من تحريك الشريط بمثل هذه السرعة يكتفى عملياً بتحريكه بسرعة منخفضة مع استخدام رؤوس تسجيل دوّارة مسجلة الفيديو من نوع المنظومة الفيديوية المنزلية Video Home System (VHS). كأن يحرك الشريط بسرعة 2.34 سم/ثا، ويُستخدم رأسا تسجيل يُرمز إليهما بـ (أ) و(ب)، ويركبان على محيط أسطوانة دوّارة قطرها6.2 سم، وتدور هذه الأسطوانة بسرعة 25 دورة/ثا. ويكون عرض الشريط 0.5 إنش (12.7مم)، وهو يلتف حول الأسطوانة التفافاً مائلاً كما هو مبيّن في الشكل (10).
 |
|
الشكل (10) التسجيل المغنطيسي. |
يقوم الرأسان المسميان رأسا الفيديو بتسجيل الإشارة المرئية بالتناوب على خطوط مائلة (الشكل 11)، في حين يقوم رأس ثابت بتسجيل الإشارة السمعية على أحد هامشي الشريط، ويقوم رأس ثابت آخر بتسجيل إشارة إرشادية على الهامش الآخر. وتكون سرعة حركة رأسي الفيديو بالنسبة إلى الشريط 4.85 م/ثا، وهي تلبي متطلبات تسجيل الإشارة المرئية بجودة مقبولة، وكلما كانت السرعة أعلى تكون الجودة أفضل.
 |
|
الشكل (11) تسجيل الإشارة المركّبة على شريط (صوت وصورة). |
نظراً للمتطلبات الخاصة في حالة تخزين البيانات الحاسوبية، ومع أنها تستعمل طرائق تسجيل مماثلة للتسجيل الصوتي ولاسيما الرقمية منها على أشرطة أو أقراص أو أسطوانات مغنطيسية، فإن هذه المتطلبات تعالج مع تقانات التخزين الحاسوبي.
دخل التسجيل المغنطيسي سواء للصوت أم للصوت والصورة أم للتخزين الحاسوبي مرحلة جديدة منذ أن أصبح رقمياً، فبعد أن كان تخزين البت (الرقم الاثناني) bit يحتاج إلى أبعاد من مرتبة المِكرومتر أصبح يحتاج إلى أبعاد من مرتبة النانومتر (الشكل 12)، فتغير تبعاً لذلك الوسط المغنطيسي وطريقة الكتابة والقراءة.
 |
| الشكل (12) تغير المساحة اللازمة لتخزين البت مع الزمن |
وقد أمكن الاستفادة من البنية الحبيبية للمادة والتحكم بها بوساطة جعل الحبيبة مغنطيسية عند قلبها، وجعل الحدود بين الحبيبات ذات المغنطيسية الحديدية المضادة antiferromagnetic؛ فكوَّنت كل حبيبة ما يشبه الخلية. وأمكن التحكم في صفها جنباً إلى جنب. ويعدّ هذا الرأس من تجهيزات الحالة الصلبة Solid State Devices (SSD)والتي تستفيد من خواص الأجسام الصلبة.
وقد ظهر نوع أحدث من رؤوس القراءة يعتمد على تغير مقاومة مجموعة حبيبات مغنطيسية لدى مرورها بحقل مغنطيسي -وتعرف بالمقاومة المغنطيسية العملاقة Giant Magneto Resistance (GMR)- لتلبية الحاجة إلى مادة تغير مقاومتها كبير. وقد يحتاج التطوير إلى ترسيب عدة طبقات من المادة الصلبة (الشكل 13)؛ ويحتاج مثل هذا الرأس إلى حماية من التغيرات المغنطيسية الخارجية ليستقبل فقط التغيرات الناجمة عن الحبيبات نظراً لصغر هذه التغيرات وضعفها.
 |
|
الشكل (13) تركيبة من رأس للكتابة ورأس للقراءة. |
وطورت أيضاً أقراص ورؤوس مناسبة للاستفادة من تغير استقطابية ضوء ليزري نتيجة تأثره لدى مروره بحقل مغنطيسي فيما يعرف بالأثر المغنطيسي الضوئي. ويضاف إلى التركيبة مقطب ضوئي ومحلل ضوئي (الشكل 14). ولا تمثل هذه الإضافات عبئاً كبيراً سواء من الناحية التقنية أم من ناحية التكلفة إذا أمكن الوصول بهذه الأدوات إلى سعات تخزين عالية وسرعة الكتابة والاسترداد؛ مثل الاستفادة من سرعة انتشار الضوء العالية.
 |
|
الشكل (14) منظومة ضوئية مغنطيسية مع محسّاتها. |
|
مراجع للاستزادة: - E. D. Daniel et al., Magnetic Recording, Wiley, 1999. - J. J. M. Ruigrok, Short-Wavelength Magnetic Recording: New Methods and Analyses, Elsevier Science 2016. - G. Varvaro, F. Casoli, Ultra-High-Density Magnetic Recording, Jenny Stanford Publishing, 2016. - D. Wei, Micromagnetics and Recording Materials, Springer Science & Business Media, 2012. - R. J. Yeo, Ultrathin Carbon-Based Overcoats for Extremely High Density Magnetic Recording, Springer; 2017.
|
- التصنيف : كهرباء وحاسوب - النوع : كهرباء وحاسوب - المجلد : المجلد الثامن مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
