¿Qué son las cintas magnéticas y cómo funcionan?

Las cintas magnéticas utilizan ferromagnetismo e inducción electromagnética para leer, escribir y reproducir audio.

Cuando uno tiene que crear videos y música, vienen a la mente videocámaras y teléfonos inteligentes. Lo que no me viene a la mente es utilizar el magnetismo para crear y compartir datos. Pero no hace mucho tiempo, las cintas magnéticas eran el medio dominante para crear y almacenar datos audiovisuales y han existido durante más de un siglo.

Antes de evocar una imagen estereotipada de cintas magnéticas con dispositivos antiguos como casetes, sepa que las cintas magnéticas siguen siendo un medio conveniente y duradero para el almacenamiento a largo plazo, ¡que sigue mejorando cada año que pasa!

Rebobinemos la cinta hasta el siglo XX.

Una revolución en la grabación y el almacenamiento de audio

En 1900, Valdemaar Poulsen, un ingeniero danés, presentó la grabación magnética en alambre para su exhibición en la Feria Mundial de París. En 1928, se introdujo la cinta magnética en Alemania para grabar y almacenar audio.

Muy pronto, ingenieros de todo el mundo se dieron cuenta de la invención y siguieron mejorando los diseños con cada iteración sucesiva.

El principio básico detrás del mecanismo de trabajo sigue siendo el mismo para todas las cintas magnéticas, independientemente del año de fabricación. A medida que avanzaba la ciencia de los materiales, en la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron cintas con propiedades físicas y químicas adecuadas, como ancho delgado, alta flexibilidad, alta densidad de datos y resistencia a la humedad.

A pesar de que mejoraron, el principio de funcionamiento sigue siendo el mismo hasta la fecha. Su construcción y funcionamiento se analiza a continuación.

Magnético se utiliza incluso hoy

El magnético se utiliza incluso hoy en día (Crédito de la foto: pxhere)

Construcción de cintas magnéticas

La cinta magnética consta de las siguientes partes:

1) cinta

La cinta consta de tres capas: una capa superior, un sustrato en el medio y una capa inferior.

  • La capa superior consiste en un pigmento magnético que se mantiene unido por un aglutinante para formar una emulsión. El pigmento magnético consiste en una sustancia ferromagnética como óxido ferroso, dióxido de cromo o hierro puro. El pigmento proporciona pequeños dominios magnéticos que pueden manipularse para crear y almacenar señales. El aglutinante es un polímero termoplástico como el acetato de celulosa o el poliuretano que tiene los pigmentos de pigmento magnético incrustados en él. La capa superior es bastante delgada y varía de 2 um a 13 um en la longitud de la sección transversal.
  • El sustrato consiste en un polímero termoplástico como el tereftalato de polietileno o el cloruro de polivinilo que proporcionan estructura a la cinta. Esta capa es la más gruesa y varía de 6um-30um en sección transversal.

Ingeniero joven serio de la fábrica de producción química que toma el control del proceso de fabricación de la película de polietileno

Películas de PVC como estas se utilizan para formar el sustrato (Crédito de la foto: envato)

  • La capa inferior es opcional. Si está presente, se usa un tapete negro para evitar la acumulación de cargas electrostáticas debido al movimiento relativo constante entre la cinta y el cabezal de la cinta. Esta capa es la más delgada de todas y no tiene más de 7 um de sección transversal.

2) Cabezal de cinta

El cabezal de cinta consta de tres subtítulos: un cabezal de lectura, un cabezal de escritura y un cabezal de borrado, dispuestos linealmente. Las tres cabezas están formadas por un anillo ferromagnético con una hendidura en la parte inferior donde la cabeza se encuentra con la cinta de abajo (no hace contacto físico). Las bobinas de alambre se enrollan alrededor de las tres cabezas.

https://www.shutterstock.com/image-photo/details-vintage-tape-magnetophon-broadcasting-professional-1988719628 (Leyenda: La cinta se mueve a través de los cabezales de la cinta)

3) Guía de cinta

Hay un par de guías de cinta a ambos lados del cabezal de la cinta que tocan la cinta, lo que proporciona tensión mecánica a la cinta. Las guías giran sincronizadas a velocidades angulares idénticas. Una guía alimenta la cinta al cabezal de la cinta mientras que la otra guía recupera la cinta del cabezal de la cinta. La rotación está sincronizada para permitir la manipulación requerida del pigmento magnético.

Imanes de anillo de ferrita

Los núcleos ferromagnéticos como estos se utilizan para hacer cabezales de cinta (Crédito de la foto: Magnequench / Wikimedia commons)

Trabajo de cintas magnéticas

Se deben introducir algunos conceptos de electromagnetismo y física del estado sólido como requisito previo para comprender el funcionamiento de las cintas magnéticas.

1) Principio de funcionamiento

  • Primera ley de inducción electromagnética de Faraday: Un cambio en el flujo magnético que pasa a través de una bobina induce un voltaje en la bobina. En términos sencillos, si se coloca una bobina de alambre dentro de un campo magnético (el campo de un imán de barra, por ejemplo), entonces un cambio en la fuerza del campo magnético que pasa a través de la bobina induce un voltaje (y por lo tanto una corriente) en el bobina.

Ilustración vectorial de la ley de inducción de Faraday.  Esquema educativo etiquetado con explicación.

Cambiar las posiciones del alambre y el imán entre sí cambia la cantidad de campo magnético que penetra en la bobina. Esto induce una corriente en la bobina (Crédito de la foto: VectorMine / Shutterstock)

  • Un cable portador de corriente produce un campo magnético a su alrededor, siendo las líneas de campo círculos cerrados.
  • Ferromagnetismo: Algunos elementos son fuertemente atraídos por campos magnéticos externos y quedan magnetizados permanentemente cuando se exponen a campos magnéticos externos. Estos elementos se denominan ferromagnetos y este fenómeno se denomina ferromagnetismo. Los ferroimanes consisten en miles de regiones microscópicas de campos magnéticos uniformes llamados dominios. El campo de cada dominio tiene una magnitud neta y una dirección. Si se aplica un campo magnético externo suficientemente fuerte, todos los dominios se alinean a lo largo de la dirección del campo magnético externo para alcanzar el estado de energía más bajo.

Dominios magnetizados con flechas de dirección sobre material magnetizado y no magnetizado

Los dominios magnéticos en un ferromagnético se alinean en presencia de un campo magnético externo para alcanzar un estado energéticamente estable. Una vez que se elimina el campo externo, se conserva la orientación de los dominios, magnetizando así permanentemente el material (Crédito de la foto: OSweetNature / Shutterstock)

Trabajo de cintas magnéticas

1) Grabación de audio

  • La capa superior (emulsión magnética) de la cinta se alimenta al cabezal de escritura. El cable enrollado alrededor del cabezal de escritura lleva la firma eléctrica (corriente) del sonido que se va a grabar. El cable portador de corriente induce un campo magnético proporcional M.
  • El anillo ferromagnético asegura que el campo M impregne la región sin atenuación. La hendidura en la parte inferior del anillo (frente a la cinta) asegura que las líneas del campo magnético se adentren en la cinta y magneticen completamente la cinta debajo de ella.
  • A medida que la cinta sigue moviéndose, la guía de cinta en el lado izquierdo alimenta la cinta no magnetizada en el cabezal de escritura y la parte magnetizada es recibida por la guía de cinta en el lado derecho.

La cinta ahora está magnetizada. La magnetización de los pigmentos es proporcional al campo externo M, que en sí mismo es una firma de la corriente de entrada, que es una firma del audio de entrada original.

Audio -> Señal eléctrica (corriente) -> Campo magnético inducido M -> Magnetización de cinta Representación simple del dispositivo de grabación magnética longitudinal de lectura y escritura

Ilustración del mecanismo de trabajo de la cinta magnética (Crédito de la foto: Fouad A. Saad / Shutterstock)

2) Reproducción de audio

La reproducción es el proceso inverso al de grabación.

  • La cinta magnetizada se introduce en el cabezal de lectura. El campo magnético de los pigmentos de la cinta impregna la región y el anillo ferromagnético con hendidura ayuda a impregnar el campo sin atenuación.
  • Se induce una corriente en el alambre enrollado alrededor del anillo, que es proporcional a la magnetización de la cinta.
  • El cable se alimenta a un transductor, que convierte la señal eléctrica en una señal de audio.
  • La cinta sigue moviéndose y los sucesivos patrones de magnetización producen una salida de audio correspondiente.

Cinta magnetizada -> Corriente inducida en el cabezal de lectura -> Salida de audio

3) Eliminación de audio

La cinta magnetizada se introduce en el cabezal de borrado que aplica una alta frecuencia cambiante y una corriente de gran amplitud, lo que induce un campo magnético proporcional en el cabezal. Este campo penetra el anillo ferromagnético en la cinta, borrando la magnetización previa de los pigmentos.

La palabra clave está cambiando. Una corriente cambiante produce un campo magnético cambiante que aleatoriza la magnetización previa de la cinta.

Corriente cambiante fuerte -> Campo magnético inducido -> Magnetismo de cinta aleatorio

Todas las grabadoras siguen este mismo principio básico. Tener tres cabezales es opcional, el cabezal de escritura también puede funcionar como cabezal de borrado, pero esto elimina la funcionalidad de borrar y escribir simultáneamente (introduzca la cinta en el cabezal de borrado y luego en el cabezal de escritura)

Nota final

Aunque las unidades flash han reemplazado a las cintas magnéticas en la mayoría de las aplicaciones multimedia, las cintas magnéticas brindan una opción de respaldo barata y duradera. Incluso hoy en día, las cintas magnéticas se mejoran constantemente debido a la conveniencia de almacenar miles de gigabytes de datos en un pequeño rincón durante décadas, sin una pérdida apreciable de calidad. Por lo tanto, esta tecnología, que ha existido durante más de cien años, está preparada para continuar su racha.