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Technical Documents - Documentos Técnicos: INTRODUCCION A LA GRABACIÓN MAGNÉTICA

Nociones de la grabación magnética

El magnetismo es una de las manifestaciones de energía presentes en la naturaleza, y su utilización se remonta a hace aproximadamente 1.000 años antes de la era cristiana, como afirman muchos historiadores. Tanto los chinos como los griegos fueron pueblos que utilizaron el magnetismo en la brújula.

Sin embargo, los fundamentos teóricos y las leyes físicas que rigen el magnetismo fueron comprendidos recién en épocas relativamente recientes. En el año 1600, William Gilbert publicó su libro "De magnete magnetisque corporibus et de magno magnete tellure" ("Sobre los imanes y los cuerpos magnéticos, y sobre el gran imán de la Tierra"). Este texto se basaba en 16 años de estudio de las interacciones magnéticas y en la investigación de esferas pequeñas conocidas como "terellas", que estaban hechas de magnetita.

La magnetita es un mineral que consiste en un óxido de hierro magnético con una formulación química de Fe₃0₄. Gilbert realizó numerosos experimentos con la magnetita y desarrolló una teoría que explicaba el comportamiento magnético de los cuerpos y su relación con la Tierra.

El trabajo de Gilbert sentó las bases para el estudio científico del magnetismo y fue un hito importante en la comprensión de sus principios. Desde entonces, se han realizado avances significativos en la comprensión del magnetismo, tanto en términos teóricos como aplicados, lo que ha llevado al desarrollo de numerosas tecnologías y aplicaciones en diversas áreas de la ciencia y la industria.

El magnetismo se manifiesta como campo magnético alrededor de un imán, de tal manera que entre el polo norte y el polo sud de un imán se extiende la energía magnética en forma de líneas de fuerza, como vemos en la figura 1.

Figura 1. Campo magnético de corriente continua.

El texto describe el funcionamiento de una figura que utiliza un electroimán en forma de herradura. Este electroimán recibe energía de una corriente eléctrica que circula por una bobina, generando un flujo magnético entre los polos del imán, conocido como "entrehierro" o "gap".

Existe una relación estrecha entre la energía magnetizante y la energía magnética producida. La fuerza magnetizante se llama coercividad o campo magnético, y se representa con la letra "H". La unidad de medida del campo magnético es el Oersted.

Por otro lado, la energía magnética se conoce como flujo magnético, inducción magnética o simplemente magnetismo, representado por la letra "B". La unidad de medición del flujo magnético es el Gauss, que indica la cantidad de líneas de fuerza magnética por centímetro cuadrado.

Un Oersted es la fuerza magnética que produce un campo magnético de un Gauss. En el contexto de cintas magnéticas de video, el valor típico de la coercividad es de 500 a 600 Oersted. Esto significa que se requiere una fuerza magnética de 500 a 600 Oersted para generar un campo magnético de un Gauss en las cintas magnéticas de video.

La relación entre el magnetismo B y la fuerza magnética H puede ser representada gráficamente. Se utiliza un sistema de ejes ortogonales donde la abscisa (eje horizontal) X representa la fuerza H y la ordenada (eje vertical) Y representa el magnetismo B. Esta representación gráfica permite visualizar la relación entre ambas magnitudes.

En la figura 2.A se muestra el sistema de ejes utilizado para graficar esta relación. La abscisa X representa la fuerza magnetizante H, que se mide en Oersted, mientras que la ordenada Y representa el magnetismo B, medido en Gauss. Esta representación gráfica permite observar cómo varía el magnetismo B en función de la fuerza magnetizante H.

En la figura 2.B, se ilustra cómo el magnetismo B aumenta a medida que aumenta la fuerza magnetizante H. Esto significa que a medida que se incrementa la fuerza magnetizante, el flujo magnético o la inducción magnética (representada por B) también aumenta. Esta relación directa entre la fuerza magnetizante y el magnetismo es fundamental para comprender el comportamiento de los sistemas magnéticos.

Estas representaciones gráficas son útiles para visualizar y analizar cómo se relacionan la fuerza magnetizante H y el magnetismo B en diferentes situaciones y materiales magnéticos.

Fig. 2 - Curva B-H

El incremento del magnetismo B no es lineal, ya que tanto en los primeros momentos de la magnetización como en su punto máximo de saturación, se observan curvaturas pronunciadas en la relación entre B y H. En la figura 3 se muestra cómo, al reducir la fuerza magnetizante H, el magnetismo no regresa a cero de la misma manera en que aumentó.

En la figura 3, se puede apreciar que al aplicar la fuerza magnetizante H, el magnetismo aumenta desde el punto O hasta el punto C. Sin embargo, al reducir la fuerza magnetizante, el magnetismo disminuye de C al punto Br, que no alcanza el valor cero. Este nivel residual de intensidad magnética se conoce como magnetismo remanente. El magnetismo remanente se debe a la "resistencia" magnética del material a ser magnetizado o desmagnetizado.

Esta "resistencia" magnética se denomina histéresis, y la curva representada en la figura 3 se conoce como curva B/H o curva de histéresis. Para reducir el magnetismo remanente Br a cero, es necesario aplicar una fuerza coercitiva negativa Hc. Además, para invertir la polarización del magnetismo, es necesario invertir la fuerza magnetizante H aún más, repitiendo este proceso hasta volver al punto C.

La curva de histéresis es una línea cerrada en la cual se omite la parte O-C, ya que generalmente solo se presenta al iniciar el proceso de magnetización y no se repite posteriormente. En cambio, el resto de la curva está presente cada vez que se aplica una señal alterna a un imán eléctrico, como se muestra en la figura 4.

Estas características de la curva de histéresis y el magnetismo remanente son importantes para comprender el comportamiento magnético de los materiales y su aplicación en diferentes dispositivos y sistemas.

Fig. 3 - Curva de Histéresis

Esta intensidad magnética Br se denomina magnetismo remanente y se debe a la "resistencia" magnética del material a ser magnetizado o desmagnetizado. Esta "resistencia" magnética se denomina Histéresis y por lo tanto la curva de la figura . 3 se conoce con el nombre de curva B/H o curva de Histéresis. Para reducir el magnetismo remanente Br a cero es necesario aplicar una fuerza coercitiva negativa Hc y para invertir la polarización del magnetismo es necesario invertir también la fuerza magnetizante H aún más, repitiéndose al proceso hasta llegar de nuevo al punto C. La curva de histéresis es una línea cerrada en la cual se omite la parte O - C debido a que normalmente se presenta solo al iniciar el proceso de magnetización y después no se repite más. En cambio el resto de la curva está presente cada vez que aplicamos una señal alterna a un imán eléctrico, como vemos en la figura 4.

Fig. 4 - Campo magnético de corriente alterna .

El rango útil de la curva de histéresis es el que se observa en la figura 5.

Fig. 5 - Rango útil de la curva de Histéresis

En lo referente a la aplicación de estos conceptos en la grabación magnética, vemos en la figura 6 como una cinta magnética pasa delante de una cabeza magnética alimentada por señales de corriente alterna y recibe así alternadamente campos magnéticos de polaridad opuesta.

Fig. 6 - Grabacion magnética de señales .

Estos campos se mantienen latentes en la cinta magnética debido al magnetismo remanente del material magnético de la cinta.

Cintas magnéticas

Para poder retener en forma de magnetismo remanente la información eléctrica aplicada a la cabeza grabadora, es necesario que la cinta magnética posea las características magnéticas adecuadas. Para ello se recurre en la actualidad a cintas de material plástico, por ejemplo de P.V.C., Mylar y otros, recubiertos por una capa de óxidos férricos (Fe₂0₃ , Fe₃0₄ y otros) en forma de polvillos o partículas pequeñas con un diámetro de sólo 1 micrómetro o menos que se depositan sobre la cinta mediante un aglutinante especial. Cada partícula del óxido férrico u otro material magnético (Níquel, Cromo, Cobalto, etc.) forma así un elemento magnético unitario que puede ser imantado por su paso delante de un imán excitador que produce un campo magnético que sigue las variaciones de una señal eléctrica de audio o de video. El imán excitador se denomina “cabeza" y se puede usar para grabar o para reproducir las señales grabadas. En las cintas magnéticas es importante lograr diversas características, tales como respuesta de frecuencia, relación señal/ruido, baja distorsión, ruido de modulación, etc. En lo referente a la respuesta de frecuencia es importante el tamaño y la uniformidad de las partículas magnéticas depositadas y las características magnéticas de las mismas. Una remanencia magnética elevada mejora la respuesta en frecuencias altas, mientras que una fuerza coercitiva alta mejora la respuesta en frecuencias bajas. En las Figs. 7.A y 7.B vemos este efecto.

Fig. 7 - Relación entre magnetismo remanente, fuerza coercitiva y frecuencia.

La no-linealidad de la curva de histéresis en las cintas magnéticas puede ocasionar distorsión en las señales grabadas o reproducidas. Esta distorsión se manifiesta como una alteración de la forma de onda original, lo que afecta la fidelidad y la calidad del sonido o la imagen.

Para mitigar esta distorsión, es importante aplicar una polarización previa a la cinta magnética. La polarización previa implica magnetizar la cinta con una corriente continua constante antes de la grabación de las señales. Esta polarización ayuda a evitar que las señales alternas cercanas al eje cero se distorsionen y mantengan su forma original.

La figura 8 ilustra este tipo de distorsión que puede ocurrir en las señales grabadas en una cinta magnética. La forma de onda original se ve afectada debido a la no-linealidad de la curva de histéresis, lo que resulta en una deformación de la señal.

La aplicación adecuada de la polarización previa y el control de los niveles de magnetización son aspectos clave para minimizar la distorsión en las grabaciones magnéticas. Estas técnicas ayudan a garantizar una reproducción más precisa y una mayor fidelidad de las señales grabadas.

Es importante tener en cuenta la distorsión y aplicar las técnicas de polarización previa adecuadas al utilizar cintas magnéticas para asegurar una calidad óptima en las grabaciones y reproducciones.

Fig. 8 - Distorsión de la señal grabada sin polarización .

En el contexto de las cintas magnéticas, se ha observado que la aplicación de una polarización de tensión continua puede tener un efecto negativo en la relación señal/ruido, reduciéndola en aproximadamente 10 dB. Por esta razón, la polarización continua se considera obsoleta en la actualidad.

En su lugar, se ha adoptado la polarización con señal alterna de alta frecuencia, que ofrece ventajas significativas al eliminar la distorsión de la señal grabada sin afectar la relación señal/ruido. En el ámbito del audio, se utiliza una señal de polarización con una frecuencia de entre 30 y 100 kilohercios, lo cual es superior a la frecuencia de la señal a grabar, que normalmente abarca de 20 hertz a 20 kilohercios.

En los grabadores de video, se emplea una señal de crominancia con una frecuencia de entre 629 y 688 kilohercios, mientras que para la polarización de alta frecuencia se utiliza la señal de luminancia, la cual tiene una frecuencia de aproximadamente 3,4 megahercios. Es importante destacar que la corriente de polarización debe ser mayor que la corriente de grabación. En los videograbadores, se genera una corriente de crominancia de alrededor de 3 miliamperios y una corriente de luminancia de 12 miliamperios para lograr esta diferencia.

Además de su uso durante la grabación, la polarización de alta frecuencia también se utiliza para borrar las señales previamente grabadas en una cinta magnética. Para este propósito, se aplica una señal de gran intensidad que va disminuyendo gradualmente, como se muestra en la figura 9.

En resumen, la polarización continua de tensión en las cintas magnéticas ha sido reemplazada por la polarización con señal alterna de alta frecuencia, que ofrece una mejora significativa en la relación señal/ruido y elimina la distorsión de la señal grabada. Esta técnica se utiliza tanto durante la grabación como para el borrado de las señales previas.

Fig. 9 - Borrado de la señal grabada

Se observa que los primeros ciclos de la corriente de borrado deben saturar la cinta magnética y bajar después lentamente en intensidad. El campo magnético producido por la corriente de borrado neutraliza los cristales del óxido, borrando la información grabada. Una cinta borrada con corriente insuficiente puede desmejorar la relación señal/ruido, motivo por el cual es importante lograr un borrado total de las grabaciones anteriores. En caso de ser necesario es factible someter una cinta dos o más veces al proceso de borrado para lograr un borrado total. Por otra parte, la exposición accidental de una cinta grabada a campos magnéticos extraños puede producir el borrado parcial o total de la grabación.

El proceso de grabación magnética en videograbadores

El proceso de grabación magnética en los videograbadores presenta características adicionales en comparación con la grabación de señales de audio. Esto se debe a la necesidad de abordar la extensión de la frecuencia máxima a grabar, la reducción de interferencias entre señales grabadas en pistas adyacentes y la mejora de la relación señal/ruido. Estos aspectos requieren un replanteo en términos de la velocidad de la cinta, la construcción de las cabezas grabadoras, las técnicas de grabación y otros parámetros relevantes.

Uno de los factores importantes es el método utilizado para la grabación magnética. En la figura 10.A se muestra un método conocido como "magnetización transversal". Este método implica que las cabezas grabadoras aplican un campo magnético perpendicular al sentido de desplazamiento de la cinta magnética. A medida que la cinta se mueve frente a las cabezas grabadoras, se magnetiza en una dirección perpendicular a su superficie. Este enfoque es comúnmente utilizado en los videograbadores para lograr una grabación eficiente y de alta calidad.

El método de magnetización transversal ayuda a abordar los desafíos mencionados anteriormente, como la extensión de la frecuencia máxima a grabar y la mejora de la relación señal/ruido. Además, también contribuye a reducir las interferencias entre señales grabadas en pistas adyacentes, lo que es especialmente importante en las grabaciones de video donde múltiples pistas están ubicadas en estrecha proximidad en la cinta magnética.

Es importante destacar que el método de magnetización transversal es solo uno de los enfoques utilizados en la grabación magnética de video. Dependiendo del sistema y las especificaciones técnicas, pueden emplearse otros métodos, como la magnetización longitudinal.

En resumen, en la grabación magnética de video se emplean métodos específicos para abordar los desafíos particulares de este medio. El método de magnetización transversal es uno de los enfoques utilizados, permitiendo una grabación eficiente y de alta calidad al aplicar un campo magnético perpendicular al sentido de desplazamiento de la cinta magnética.

Fig. 10 - Grabación transversal y longitudinal .

En este método encontramos la cabeza grabadora de ambos lados de la cinta y en consecuencia se produce un campo magnético transversal al pasar la cinta por la cabeza grabadora. Este método posee como inconveniente mayor, el problema mecánico de pasar la cinta a través del entrehierro lo que resulta sumamente difícil en la práctica. En la figura 10.B vemos el método de la magnetización longitudinal que es actualmente el único usado en la grabación de audio. Para la grabación de video existe, sin embargo, un límite en este método, que es la relación entre la longitud de onda grabada y las dimensiones del entrehierro. En la figura 11 vemos como el ancho del entrehierro de la cabeza grabadora limita la longitud de onda de la señal que se puede grabar.

Fig. 11 - Relación entre longitud de onda y entrehierro.

En la figura 11.A vemos que la longitud de onda igual a la dimensión del entrehierro produce un campo magnético Norte y Sud que se cancela y que produce una salida cero. En las figuras 11.B y 11.C vemos que la reducción del tamaño del entrehierro permite lograr una lectura máxima de la corriente cuando esta dimensión es solo la mitad de la longitud de onda. Esto demuestra que a mayor frecuencia debe existir un entrehierro mas reducido. Las dimensiones típicas del entrehierro de cabezas grabadoras de video son del orden de 0,3 a 1 micrómetro (1 µm= 10^-3 mm = 10^-6 m ). En comparación con esta dimensión debemos recordar que el entrehierro en grabadores de audio es de 1,25 a 2,5 micrómetros. Otro factor importante es la velocidad de la cinta con respecto a la cabeza grabadora. Si la cinta avanza muy lentamente, no es posible grabar frecuencias altas. Para lograr una mayor frecuencia de grabación es necesario obtener una velocidad relativa muy alta entre cabeza y cinta. Un valor típico sería entre 5 y 10 metros por segundo. Esto no es práctico con la simple grabación en el método longitudinal. Se recurre entonces a una rotación de la cabeza colocada sobre un tambor que gira simultáneamente con el avance de la cinta.

Fig. 12 - Grabación helicoidal .

En la figura 12 vemos que este método da lugar a una grabación helicoidal donde existe una velocidad relativa alta con una velocidad longitudinal baja. Este método economiza también la extensión de la cinta magnética al describir pistas de grabación inclinadas y paralelas, como surge de la figura 12. La relación entre longitud de onda grabada (λ), velocidad relativa (V) y entrehierro (EH) surgen de las siguientes expresiones. El entrehierro EH < λ/2, siendo la longitud de onda λ una función de la velocidad relativa (V) y la frecuencia de la señal (f), λ = V/f. Por lo tanto el entrehierro es EH < V/2f. Con un entrehierro de 1 micrómetro y una frecuencia máxima f = 5 Megahertz, la velocidad relativa entre cabeza y cinta debe ser V = 10 metros por segundo. Con un entrehierro menor, de sólo 0,3 micrómetros, puede reducirse la velocidad relativa y aumentarse la frecuencia máxima a grabar.