Omówione w poprzednich odcinkach nośniki dźwięku wykorzystywały zapis/odtwarzanie mechaniczne: dźwięk był na nich rejestrowany jako seria wgłębień w tworzywie, najpierw wytwarzanych przez igłę drgającą pod wpływem fal dźwiękowych, a potem odczytywanych przez inną igłę. W pewnym momencie zamiast mechanicznego przenoszenia tych drgań na źródło dźwięku wprowadzono przetwarzanie sygnału mechanicznego na elektryczny, co umożliwiło jego skuteczniejsze wzmacnianie, nadal jednak u podstaw rejestracji i odtwarzania znajdował się proces mechaniczny.
Dość szybko, bo już na przełomie XIX i XX wieku (czyli około 20 lat po Edisonowskim fonografie z wałkiem i około 10 lat po wynalezieniu płyty gramofonowej) pojawił się pomysł, by zapisywać dźwięk w formie sygnału magnetycznego. Początkowo próbowano wykorzystać wahania pola magnetycznego wywoływane przez namagnesowaną igłę drgającą pod wpływem dźwięku, był jednak one zbyt małe jak na ówczesne możliwości rejestracji. Z pomocą przyszło urządzenie używane w innej dziedzinie techniki: mikrofon.
Pierwsze udane próby zbudowania mikrofonu miały miejsce około połowy XIX, ale sprzęt o większym znaczeniu praktycznym został wynaleziony 25 lat później przez Edisona na potrzeby telefonu. Był to mikrofon węglowy, przetwarzający drgania powietrza (dźwięk) na sygnał elektryczny. Pozostawało już tylko opracować sposób przetworzenia ulotnego sygnału elektrycznego na o wiele trwalszy magnetyczny.
Pierwszym praktycznym urządzeniem, które tego dokonywało, był telegrafon duńskiego inżyniera Valdemara Poulsena, zbudowany w 1898 roku. Jako nośnik dźwięku był w nim stosowany drut stalowy – stal, jako stop żelaza, czyli metalu ferromagnetycznego, jest w stanie „zapamiętywać” sygnały magnetyczne. Na jakiej zasadzie się to odbywa? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy przypomnieć sobie, jak zbudowane są kryształy substancji magnetycznych. Opisuje to teoria domenowa, którą w uproszczeniu przedstawię poniżej.
W kryształach niektórych substancji występują niesparowane elektrony. Są one źródłem momentu magnetycznego, który jako wielkość wektorowa ma kierunek i zwrot. Może się zdarzyć, że w jakimś obszarze kryształu wektory momentu magnetycznego wielu atomów będą uporządkowane, tzn. będą mieć jednakowy kierunek (czasem także zwrot). Taki obszar nazywa się domeną magnetyczną. Jeśli pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego dojdzie do uporządkowania wielu domen – czyli sumaryczne wektory momentu magnetycznego całych domen uzyskają jednakowy kierunek i zwrot, dojdzie do namagnesowania w skali makroskopowej. Substancja, w której jest to możliwe, nazywa się ferromagnetykiem. Jest to raczej rzadka cecha – z pierwiastków wykazują ją przede wszystkim kobalt, żelazo, nikiel; w mniejszym stopniu gadolin, dysproz, holm i erb; ponadto chrom jest antyferromagnetykiem. Ferromagnetykami (lub ferrimagnetykami – to inny typ substancji z uporządkowanymi domenami, aczkolwiek w inny sposób) są też niektóre stopy i związki tych metali, np. stal, tlenek żelaza(III), ditlenek chromu.
Proces porządkowania domen magnetycznych zachodzi w przyrodzie w sposób naturalny, gdyż we Wszechświecie jest pełno pól magnetycznych. Sami żyjemy na wielkim magnesie: Ziemia ma wewnątrz wirujące jądro żelazowo-niklowe. Oba te metale są ferromagnetykami, a ich ruch wytwarza pole magnetyczne otaczające całą planetę, które tak przy okazji chroni nas przed niekorzystnym wpływem wiatru słonecznego. A ponieważ magnesy mogą magnetyzować inne substancje, dlatego pole magnetyczne Ziemi wytwarza naturalne magnesy. Możemy też sami wytwarzać magnesy na tej zasadzie albo korzystając z przepływu prądu elektrycznego (elektromagnesy).
Zatem przy zapisywaniu dźwięku na nośniku magnetycznym dochodzi po prostu do trwałego uporządkowania domen magnetycznych, czyli wytworzenia stanu namagnesowania. Ten stan jest następnie odczytywany przy odtwarzaniu dźwięku. (Przy czym nie jest absolutnie trwały – taśmy magnetyczne rozmagnesowują się najpóźniej po kilkudziesięciu latach, a jeśli nie są przewijane, to szybciej).
Na tej zasadzie dźwięk był rejestrowany na stalowym drucie telegrafonu. Urządzenie to jednak nieprędko zdobyło sobie miejsce na rynku. Przez wiele lat dominował fonograf Edisona lub jego modyfikacje, wciąż wykorzystujące wałki jako nośnik. Problem z drutem polegał na tym, że mógł się on obracać względem głowicy zapisującej lub rejestrującej, a to prowadziło do nierównomierności zapisu lub odczytu. Ten kłopot został wyeliminowany, pozostała natomiast kwestia bezpieczeństwa – drut telegrafonu miał ostre krawędzie, o które można było się skaleczyć.
Lepszym nośnikiem okazała się wynaleziona w Niemczech w 1928 roku taśma magnetyczna, początkowo również wykonywana z metalu. Później zastosowano taśmę papierową pokrytą lakierem z substancją ferromagnetyczną, a ostatecznie – pas tworzywa sztucznego pokryty takim materiałem. Standardem dość szybko stała się taśma o szerokości ¼ cala, przechowywana na szpulach. Ostatecznie wprowadzono zapis czterościeżkowy, który umożliwiał zarejestrowanie na taśmie dwóch nagrań stereo (każde po dwie ścieżki) lub, przynajmniej teoretycznie, czterech mono. W bardziej profesjonalnych zastosowaniach, np. w muzycznych studiach nagraniowych, używano szerszej taśmy, umożliwiającej rejestrację większej liczby ścieżek. Szerszą taśmę zaczęto też stosować do zapisu obrazu; np. w niezwykle popularnym niegdyś standardzie VHS używana była półcalowa taśma umieszczona w kasecie.
W zapisie dźwięku występowała też tendencja do miniaturyzacji – i tak pojawiła się kaseta kompaktowa o rozmiarach mniej więcej paczki papierosów, zawierająca taśmę o szerokości 0,15 cala.
A jakie materiały magnetyczne były używane w przypadku taśm? Wytwarzano cztery typy taśmy magnetycznej. Przez długi czas materiałem był przede wszystkim Fe₂O₃ (taśma „żelazowa” miała kolor jasnobrązowy), później z dodatkiem kobaltu (kolor ciemnobrązowy). Były to taśmy i kasety Type I. Od pewnego momentu zaczęto korzystać także z ditlenku chromu, który był co prawda droższy i wymagał lepszej jakości magnesów do zapisywania i odtwarzania, ale dawał lepszą jakość dźwięku. Taśmy „chromowe”, określane jako Type II, miały barwę czarną. CrO₂ używano też w przypadku taśm i kaset do zapisu wideo, np. w kasetach VHS.
Type III był taśmą dwuwarstwową, która miała dawać taką jakość dźwięku, jak taśma chromowa, przy łatwości zapisu taśmy kobaltowo-żelazowej. W istocie była to taśma otrzymana przez połączenie obu wcześniejszych nośników – pięciomikrometrowa warstwa żelazowa była pokryta jednomikrometrową warstwą chromową. Ten typ kaset nie zyskał jednak dużej popularności. Ostatnim rodzajem taśmy była taśma „metalowa” (Type IV), w której jako materiał magnetyczny stosowano cząstki odpowiedniego metalu. Początkowe próby otrzymania takiego nośnika datują się jeszcze z lat 40. XX wieku, a pierwsza stabilnie działająca taśma (napylana cząstkami żelaza, kobaltu i niklu) powstała w 1962 roku. Komercyjne zastosowanie tego materiału w kasetach rozpoczęło się w latach 70., jednak mimo bardzo wysokiej jakości dźwięku nie rozpowszechniły się one z uwagi na wysoki koszt.
Najnowocześniejszą odmianą tej techniki jest taśma pokrywana materiałem magnetycznym przez odparowanie metalu (metal evaporated, ME). Otrzymuje się ją z kobaltu lub mieszanki kobaltu i niklu, a także z ferrytu barowego. Tego typu nośniki są również kosztowne, ale zapewniają największą gęstość upakowania informacji. Dlatego wytwarza się z nich – prócz raczej audiofilskich kaset magnetofonowych – nośniki do rejestracji danych w formacie cyfrowym, np. taśmy do streamerów, czyli komputerowych napędów taśmowych przeznaczonych do backupowania dużych ilości danych.
Trzeba zauważyć, że w zastosowaniach domowych dźwięk i obraz na nośnikach magnetycznych był zwykle zapisywany w postaci analogowej. Era popularności cyfrowego zapisu dźwięku i obrazu rozpoczęła się tak naprawdę wraz ze wprowadzeniem dysków optycznych. Ale o tym już w następnym odcinku.
Post pierwotnie opublikowany na facebookowej grupie „Chemia dla nauczycieli” wydawnictwa Nowa Era.
[źródła: https://en.wikipedia.org/wiki/Microphone; https://en.wikipedia.org/wiki/Wire_recording; https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_tape; https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_domain; https://en.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetism; https://en.wikipedia.org/wiki/Ferrimagnetism; https://en.wikipedia.org/wiki/Audiotape; https://en.wikipedia.org/wiki/VHS; https://en.wikipedia.org/wiki/Cassette_tape; https://en.wikipedia.org/wiki/Compact_Cassette_tape_types_and_formulations; https://en.wikipedia.org/wiki/Barium_ferrite]
[źródła ilustracji: Gregory F. Maxwell <[email protected]> PGP:0xB0413BFA – own work by the first uploader, GFDL 1.2, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=193240; Julius Weinberger – Retrieved 2016-08-04 from Weinberger, Julius (June 1922) „The recording of high speed signals in radio telegraphy” in Proc. of the Institute of Radio Engineers, The Institute of Radio Engineers, New York, NY, Vol. 10, No. 3, p. 181, fig. 2 on Google BooksRetouched by combining with a version found in https://worldradiohistory.com/Archive-IRE/20s/IRE-1922-06.pdf retrieved from https://worldradiohistory.com/IRE_Proceedings.htm, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50481082; Webster-Chicago Corporation (costruttore) – Catalogo collezioni (Italian). Museoscienza.org. Museo nazionale della scienza e della tecnologia Leonardo da Vinci, Milano., CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48926258; https://byjus.com/physics/ferromagnetism/; https://www.etsy.com/pl/listing/789623911/orwo-vintage-german-reel-tape-recorder; https://allegrolokalnie.pl/oferty/q/kasety%20audio%20%2F%20stilon; https://redro.pl/obraz-vhs-video-tape-cassette-isolated-on-white,199600320; https://oldcomputer.info/media/qic/index.htm]