Ζουμ στο μικρόκοσμο - Εφαρμογές

Οι σκληροί δίσκοι γενικά χρησιμοποιούν λεπτά υμένια κράματος Co–Pt alloy. Οι κεφαλές για μαγνητική εγγραφή σε μορφή λεπτών υμενίων χρησιμοποιούν συνήθως υμένια κραμάτων Fe-Ni ή Fe-Co στην κεφαλή εγγραφής και υμένια από κράματα Fe-Co και με βάση το Mn στην κεφαλή ανάγνωσης. Πρόκειται για μαλακά μαγνητικά υμένια με καλή απόκριση στις υψηλές συχνότητες, εκτός από το κράμα Mn που είναι αντισιδηρομαγνητικό. Στα φορητά μαγνητικά μέσα εγγραφής, όπως οι ταινίες και οι δισκέτες, συνήθως χρησιμοποιούνται βελονοειδή  διακριτά σωματίδια Fe ή γ -Fe₂O₃ εμπλουτισμένα με Co.

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey, Cambridge University Press, 2010.

Η κύρια περιοχή εφαρμογής για τα σιδηρορευστά είναι σε βαλβίδες κενού. Ένα ελαιώδες υγρό συγκρατείται στη θέση του από κατάλληλο μαγνήτη και εάν επιλεγεί υγρό με χαμηλή τάση ατμών, μπορεί να κατασκευαστεί μια περιστροφική βαλβίδα κενού. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν ρουλεμάν για στροβιλοκινητήρες και περιστροφικούς βραχίονες για συστήματα κενού. Βαλβίδες κενού με σιδηρορευστά γύρω από τα φωνητικά πηνία των μεγαφώνων παρέχουν απόσβεση και μια διαδρομή για τη διάχυση της θερμότητας. Άλλες χρήσεις είναι ως μαγνητικά μελάνια, στη μαγνητική αιώρηση ή τον μαγνητικό διαχωρισμό.

Μια διαφορετική χρήση γίνεται από συστήματα διασποράς σε έλαιο με σιδηρομαγνητικά σωματίδια δηλ. στα μαγνητορεολογικά ρευστά. Εδώ τα σωματίδια έχουν στην κλίμακα των μικρομέτρων και αποτελούνται από πολλαπλές μαγνητικές περιοχές, και η πλήρωση είναι πολύ υψηλότερη, f ∼ 70%. Οι διπολικές δυνάμεις γίνονται ισχυρές καθώς τα σωματίδια μαγνητίζονται. Συνεπώς, το ιξώδες του υγρού μπορεί να αυξηθεί κατά τάξεις μεγέθους όταν εφαρμοστεί ένα πεδίο. Αυτά τα μαγνητορεολογικά ρευστά χρησιμοποιούνται σε μηχανικούς συμπλέκτες και συστήματα ανάρτησης. Ειδικά σιδηρορευστά είναι κολλοειδή εναιωρήματα βελονοειδών ή πεπλατυσμένων σιδηρομαγνητικών σωματιδίων σε ένα υγρό κρύσταλλο. Στη συνέχεια, είναι δυνατό να επηρεαστούν οι μεταβάσεις μεταξύ διαφόρων διατεταγμένων φάσεων στον υγρό κρύσταλλο με ένα μέτριο μαγνητικό πεδίο.

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey, Cambridge University Press, 2010.

Μικροσκοπικοί μηχανικοί δίσκοι όπως μικροενεργοποιητές και μικροκινητήρες παρουσιάζουν νέες ευκαιρίες για μόνιμους μαγνήτες. Αυτό είναι το πεδίο των μαγνητικών MEMS (Microelectromechanical systems). Αυτές οι μικροσυσκευές ασκούν δυνάμεις σε κάποιο μικρό αντικείμενο όπως ένας βραχίονας πυριτίου, οπότε είναι σημαντικό να καταλάβουμε πώς κλιμακώνονται οι δυνάμεις καθώς μειώνονται οι διαστάσεις. Έχουμε ήδη δει ότι το διπολικό πεδίο είναι αμετάβλητο, καθώς όλες οι διαστάσεις κλιμακώνονται προς τα πάνω ή προς τα κάτω από έναν παράγοντα ξ.

Εάν υπάρχει αγωγός κοντά σε μαγνήτη, η δύναμη Lorentz που του ασκείται ανά μόνάδα όγκου εξαρτάται από το διανυσματικό του πεδίου B και της πυκνότητα ρεύματος j. Και αυτή, επίσης, είναι ανεξάρτητη από την κλίμακα, επειδή η j_c αποτελεί εγγενή ιδιότητα του αγωγού. Οι ιδιότητες των μικρομηχανών μόνιμων μαγνητών που βασίζονται σε δυνάμεις μαγνήτη/ρεύματος εξαρτώνται μόνο από τις ιδιότητες των υλικών B_r και j_c, όπου j_c είναι η μέγιστη πυκνότητα ρεύματος.

Τα πλεονεκτήματα των MEMS περιλαμβάνουν μικρότερη μάζα, αυξημένες συχνότητες συντονισμού, χαμηλότερες σταθερές δύναμης και ευκολία «κατασκευής» μεγάλου αριθμού συσκευών ταυτόχρονα με τη χρήση πλανητική επεξεργασία πυριτίου (Si). Τα MEMS εμφανίζονται πλέον εμπορικά σε εφαρμογές όπως κάτοπτρα για οπτικές επικοινωνίες.

Μια πιθανή εφαρμογή σκληρών μαγνητικών υμενίων είναι τα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MicroElectroMechanical Systems: MEMS), τα οποία παρασκευάζονται από σχετικά μεγάλου πάχους υμένια μερικών μικρομέτρων όπου το υψηλό (BH)_max των μαγνητών σπανίων γαιών διασφαλίζει μικρές πλευρικές διαστάσεις. Αρκετά εξαρτήματα MEMS, όπως ένας ηλεκτροκινητήρας υποχιλιοστού και ένας βηματικός κινητήρας, έχουν κατασκευαστεί με επιτυχία. Μια άλλη εφαρμογή είναι η δημιουργία ενός μαγνητικού πεδίου πόλωσης στα μονοκόμματα ολοκληρωμένα κυκλώματα μικροκυμάτων (Monolithic microwave integrated circuits MMICs).

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey, Cambridge University Press, 2010.

Πηγή κειμένου:  Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials,  H. Kronmuller and S. Parkin. Volume 1: Fundamentals and Theory, John Wiley & Sons, 2007.

Μια πολύ σημαντική εφαρμογή της μαγνητικής εγγραφής είναι η αποθήκευση δεδομένων. Η αποθήκευση δεδομένων με τη χρήση μαγνητικών ταινιών είναι φθηνή αλλά αργή και, ως εκ τούτου, δεν είναι κατάλληλη για εφαρμογές όπου η γρήγορη πρόσβαση είναι σημαντική. Οι πρώτες ταινίες αποθήκευσης δεδομένων, που χρησιμοποιήθηκαν στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1951, είχαν μήκη bit περίπου 200 μm και χωρικές πυκνότητες αποθήκευσης της τάξης των 0,002Mb in. ^-2. Τα συστήματα αποθήκευσης με ταινίες κυμαίνονται από συνηθισμένες κασέτες ήχου έως μεγάλα συστήματα κυλίνδρoυς ταινιών για μαζική αποθήκευση. Οι κασέτες ήχου ήταν μια δημοφιλής επιλογή για ορισμένους οικιακούς υπολογιστές στη δεκαετία του 1980, αλλά δεν χρησιμοποιούνται πλέον. Αντίθετα, τα συστήματα κυλίνδρου ταινιών και τα εξελιγμένα συστήματα κασετών εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται για σκοπούς όπως η δημιουργία αντιγράφων ασφαλείας δεδομένων. Για παράδειγμα, οι σημερινές ταινίες έχουν χωρητικότητα έως 320 GB.

Οι δισκέτες ή οι εύκαμπτες δισκέτες είναι ένα πολύ εύχρηστο μέσο αποθήκευσης με μέτρια χωρητικότητα. Οι πρώτες δισκέτες, που εισήχθησαν το 1971, είχαν διάμετρο 8 in. και χωρητικότητα αποθήκευσης 0,08 MB. Οι πρώτοι προσωπικοί υπολογιστές χρησιμοποιούσαν δισκέτες 51/4'', ενώ η μίας πλευράς δισκέτες τύπου 51/4'', που παρήχθησαν για πρώτη φορά το 1976, είχαν χωρητικότητα 0,18 MB. Η μορφή δίσκου 31/2'' εισήχθη από τη Sony το 1981. Οι ευρέως χρησιμοποιούμενοι δίσκοι DS/HD 31/2'' που εμφανίστηκαν το 1987, έχουν χωρητικότητα αποθήκευσης 1,44MB και χωρική πυκνότητα μεγαλύτερη των 2,4Mb. ⁻², σε σύγκριση με περίπου 0.3Mb in⁻² στους πρώτους δίσκους 51/4'' (1MB in. ⁻² = 0. 155GB cm⁻²). Ο παραδοσιακός τρόπος παραγωγής δισκετών ήταν από μαγνητικά λεπτά υμένια που ήταν ισοτροπικά στο επίπεδο, από τα οποία οι δισκέτες προέκυψαν με κοπή.

Πηγή κειμένου: Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, Helmut KronmÜller and Stuart Parkin. Volume 1: Fundamentals and Theory, John Wiley & Sons, 2007.

Οι κεφαλές εγγραφής είναι μικροί ηλεκτρομαγνήτες με τη μορφή σιδηρομαγνητικού πυρήνα με πολύ μικρό διάκενο μεταξύ των πόλων τυπικού πλάτους 0,3μm. Το υλικό της κεφαλής εγγραφής πρέπει να έχει υψηλή μαγνήτιση κόρου για να μπορεί να αφήνει μεγάλο αποτύπωμα (υψηλή μαγνήτιση) στη ταινία, αλλά πρέπει επίσης να έχει χαμηλή παραμένουσα μαγνήτιση για να εξασφαλίσει ότι δεν υπάρχει διαδικασία εγγραφής όταν μηδενίζεται το ρεύμα στο πηνίο. Επιπλέον, είναι επίσης σαφές ότι το χαμηλό συνεκτικό πεδίο είναι επιθυμητό. Οι κεφαλές εγγραφής κατασκευάζονται από μαλακό μαγνητικό υλικό. Πολλά από τα μαλακά μαγνητικά υλικά είναι κατάλληλα για τους πυρήνες των κεφαλών εγγραφής. Αυτά περιλαμβάνουν μαλακούς φερρίτες, AI-Fe, AI-Fe-Si, Permalloy και άμορφο κοβάλτιο-ζιρκόνιο.

Η μαγνητική ταινία ή ο δίσκος περνά από τη θέση της κεφαλής όπου το πεδίο προκαλεί αναδιάταξη εντός των μαγνητικών περιοχών. Η μαγνήτιση στην ταινία είναι λοιπόν μια καταγραφή της δύναμης του πεδίου στο διακενό της κεφαλής καταγραφής τη χρονική στιγμή που η ταινία πέρασε. Στη λειτουργία ανάγνωσης το πέρασμα της ταινίας προκαλεί μια διακύμανση της πυκνότητας ροής στην κεφαλή ανάγνωσης, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε τάση στην περιέλιξη του πηνίου της κεφαλή ανάγνωσης. Στη συνέχεια, το σήμα ενισχύεται και, στην περίπτωση εγγραφής ήχου, χρησιμοποιείται για την ενεργοποίηση μεγαφώνου.

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetism and Magnetic Materials (1nd edition), David Jiles, Chapman & Hall/CRC, 1991.

Τα μέσα μαγνητικής αποθήκευσης πληροφορίας  έχουν ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά με τους μόνιμους μαγνήτες στο ότι για να λειτουργούν σωστά πρέπει να έχουν μια σχετικά υψηλή παραμένουσα μαγνήτιση και ένα αρκετά υψηλό συνεκτικό πεδίο για να αποτρέψουν την απρόβλεπτη απομαγνήτιση με αποτέλεσμα την απώλεια πληροφοριών που είναι αποθηκευμένες στη μαγνητική ταινία ή το δίσκο. Η μαγνητική εγγραφή μπορεί να είναι αναλογική, όπως στην ηχητική καταγραφή σημάτων σε μαγνητική ταινία ή ψηφιακή εγγραφή, όπως χρησιμοποιείται στην αποθήκευση πληροφοριών δεδομένων σε μαγνητικούς δίσκους και ταινίες για εφαρμογές υπολογιστών.

Το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο μαγνητικό υλικό καταγραφής είναι το γ-Fe₂Ο₃ (οξείδιο του σιδήρου) αν και χρησιμοποιούνται επίσης τόσο το διοξείδιο του χρωμίου όσο και εμπλουτισμένο σε Co γ-Fe₂Ο₃. Το οξείδιο του σιδήρου χρησιμοποιείται τόσο σε συμμετρική όσο και σε βελονοειδή μορφή. Τα συμμετρικά σωματίδια οξειδίου του σιδήρου που χρησιμοποιούνται για μαγνητική καταγραφή έχουν διάμετρο 0,05-0,3 μm. Οι μαγνητικές ταινίες καταγραφής περιέχουν μικρά σωματίδια σε σχήμα βελόνας ενός από αυτά τα οξείδια. Τα σωματίδια είναι ενσωματωμένα σε εύκαμπτο συνδετικό υλικό και επί του παρόντος οι βελόνες βρίσκονται στο επίπεδο της ταινίας. Τα σωματίδια σε σχήμα βελόνας ευθυγραμμίζονται με μαγνητικό πεδίο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατασκευής. Οι τελικές ταινίες του y-Fe₂Ο₃ έχουν συνεκτικά πεδία συνήθως 20- 24 kA/ m, και τα βελονοειδή σωματίδια έχουν μήκη που κυμαίνονται από 0,1-0,7μm, με αναλογίες μήκους προς διάμετρο από 3:1 έως 10:1. Οι ταινίες από CrΟ₂ έχουν συνεκτικά πεδία 36-44kA/m. Τα σωματίδια διοξειδίου του χρωμίου έχουν διαστάσεις που κυμαίνονται από 0,5 x 0,03μm έως 0,2 x 0,02μm οι οποίες είναι σημαντικά μικρότερες από τα τυπικά μεγέθη σωματιδίων οξειδίου του σιδήρου που χρησιμοποιούνται συνήθως. Σε όλες τις περιπτώσεις τα σιδηρομαγνητικά σωματίδια που χρησιμοποιούνται στη μαγνητική καταγραφή είναι πολύ μικρά για να περιέχουν ένα τοίχωμα περιοχής και επομένως έχουμε σωματίδια μίας μαγνητικής περιοχής.

Καταβάλλονται προσπάθειες για την ανάπτυξη μέσων «κάθετης καταγραφής» στα οποία οι βελόνες βρίσκονται κάθετα προς το επίπεδο. Τα πλεονεκτήματα αυτού είναι ότι η αύξηση της πυκνότητας αποθήκευσης πληροφοριών. Η έρευνα για τα κάθετα μέσα καταγραφής συνεχίζεται, ιδίως μεγάλη προσοχή στρέφεται προς στρώματα CoCr. Ωστόσο, μέχρι στιγμής η ανάπτυξη αυτών των μέσων ενημέρωσης έχει αντιμετωπίσει δυσκολίες, μεταξύ των οποίων και το γεγονός ότι το υλικό δεν αποδίδει τόσο καλά όσο προβλέπεται.

Οι βρόχοι υστέρησης που είναι επιθυμητοί για μαγνητικά υλικά καταγραφής είναι γενικά τετράγωνοι βρόχοι, με υψηλή παραμένουσα μαγνήτιση, μέτρια υψηλό συνεκτικό πεδίο και ταχεία μετάβαση από τη μία κατάσταση στην άλλη, όπως φαίνεται στην εικόνα, η οποία είναι ο βρόχος υστέρησης ενός μεταλλικού μαγνητικού μέσου καταγραφής. Στην περίπτωση αυτή, το συνεκτικό πεδίο είναι 56 kA/m και η παραμένουσα μαγνήτιση 0,9 x 10⁶ A/m που είναι σημαντικά υψηλότερες από ό,τι για τα σωματίδια y-Fe₂Ο₃ .

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetism and Magnetic Materials (1nd edition), David Jiles, Chapman & Hall/CRC, 1991.

Ένας κρίσιμος παράγοντας της απόδοσης των μαγνητικών μέσων εγγραφής είναι η χωρική πυκνότητα αποθήκευσης, μετρούμενη σε bits ανά τετραγωνικό εκατοστό (b cm⁻²) ή bits ανά τετραγωνική ίντσα (1 b in. ⁻² = 6. 452 b cm^.−2). To σχήμα δείχνει την εξέλιξη της χωρικής πυκνότητας αποθήκευσης τις τελευταίες δεκαετίες. Από την εφεύρεσή της, η μαγνητική καταγραφή έχει αναπτυχθεί γρήγορα, ανταγωνιζόμενη και συχνά ξεπερνώντας άλλα μέσα αποθήκευσης, από αρχεία βινυλίου και κάρτες διάτρησης έως προηγμένα ηλεκτρονικά και οπτικά μέσα αποθήκευσης, όπως CD-ROM και μνήμες flash. Τα κύρια πλεονεκτήματα της μαγνητικής αποθήκευσης είναι η δυνητική πυκνότητα και το κόστος. Το μέγεθος bit των οπτικών και μαγνητο-οπτικών μέσων περιορίζεται από το μήκος κύματος του χρησιμοποιημένου φωτός, ενώ οι συσκευές ημιαγωγών μπορεί να είναι αργές ή/και προσωρινές.

Καθορίζοντας ένα αποτελεσματικό μέγεθος bit ως την τετραγωνική ρίζα της αντίστροφης χωρικής πυκνότητας, η πρόοδος που παρουσιάζεται στο σχήμα αντιστοιχεί σε μείωση του μεγέθους bit από 250 μm το 1960 σε 250 nm το 2000. Η πρόσφατη τάση είναι πιθανό να συνεχιστεί τα επόμενα χρόνια, με το terabit να διαφαίνεται στον ορίζοντα. Ένα ανώτερο όριο στην πυκνότητα καταγραφής καθορίζεται  από τη θερμική σταθερότητα των αποθηκευμένων πληροφοριών, γεγονός που καθιστά δύσκολη την πραγματοποίηση μαγνητικής καταγραφής σε θερμοκρασία δωματίου χρησιμοποιώντας μεγέθη bit μικρότερα από μερικά νανόμετρα.

Πηγή κειμένου:  Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials,  H. Kronmuller and S. Parkin. Volume 1: Fundamentals and Theory, John Wiley & Sons, 2007.