Если попробовать выбрать наиболее технологичный и, в то же время, интересный, а также существенно повлиявший на историю цивилизации способ сохранения информации, то, среди таковых, несомненно, особняком будет стоять магнитная запись на проволоку! 

Появившись достаточно давно, она положила начало целым направлениям в науке и технике и, любопытным следствиям из этого, которые сулят интересные перспективы! 

К сути вопроса, изложенной в заголовке статьи, мы придём постепенно, так как, на мой взгляд, будет любопытно знать и предысторию вопроса, чтобы вы убедились, что «люди делали вещи», даже на весьма примитивной аппаратной основе ;-) Итак…

«Это было недавно, это было давно…»

Современные люди, в большинстве своём даже не сталкивались с таким видом записи, исходя из чего, вы можете предположить, что способ этот, наверное, какой-то... экстравагантный? :-) 

И, это будет ошибкой: на самом деле, такой способ записи информации является пра-пра-пра дедушкой современных способов хранения (один из которых, кстати, до сих пор используется в механических жёстких дисках, стримерах и т.д.).

Говоря о самом начале появления этой технологии, логически, мы должны были бы отмотать историю, до момента появления первой письменности — как практической деятельности человека по сохранению мимолетных моментов. 

Однако, тогда нам нужно будет перебрать всю историю, а вам, соответственно — читать эту статью всю неделю, что, явным образом, не входит в наши общие планы. :-) 

Поэтому, ограничимся всего лишь более чем 100 годами, и отмотаем часы истории на знаменательную дату: 21 ноября 1877 года - именно тогда мистер Томас Эдисон изобрёл свой знаменитый аппарат для записи и воспроизведения звука — фонограф:

Это было устройство для записи и воспроизведения звука, для чего, игла деформировала фольгу. 

Однако, даже такой несовершенный аппарат, с некачественным звуком и быстрым износом компонентов, произвел фурор после демонстрации, а сам Эдисон стал знаменитым… 

К слову, вот эта запись, на записи говорит сам Эдисон, читая вслух, слова старинной детской песенки «Mary had a little lamb» («У Мэри был маленький ягнёнок»):

А вот тут можно увидеть, как работает современная реплика:

В дальнейшем, с целью уменьшения износа устройства, фольга была заменена на восковый барабан, а сам аппарат значительно доработан, с целью автоматического прокручивания на нужной скорости:

Понятно, что столь значительное изобретение не могло остаться без внимания других инженеров, и, далее, Эмиль Берлинер предлагает усовершенствовать аппарат, сделав носители записи плоскими — появляются пластинки, после чего технологию уже было не остановить и она начинает «взлетать», приобретая настоящую популярность...

Примерно в таком виде, большинство и знает эту историю, которая, затем, пройдя ряд значимых этапов, приведёт к настоящему триумфу патефонных, а потом и грампластинок...

Однако, нас интересует немножко другая ветка истории, так как примерно в те же годы, развивалось и другое направление, более прогрессивное, которое и является предметом нашего изучения — прослушав записи выше, вы могли убедиться, что качество достаточно низкое. 

Однако, не только качество было проблемой: подобные записи было сложно и тиражировать (например, для распространения той же самой музыки), кроме того, не была устранена и проблема износа. 

Казалось бы, и всё? Нет, на этом проблемы не заканчивались: у механических фонографов было слабое место — звук они воспроизводили не особенно громко, и, регулировать это было невозможно. 

Тем не менее, как вы могли убедиться выше, проблема в некоторой степени была решена, с помощью установки звукового раструба, который усиливал слабый звук, которого вполне могло быть достаточно для прослушивания в тихой комнате, однако, на этом его достоинства заканчивались, и, понятно, что людям хотелось большего...

Наверное, каждую эпоху в развитии человеческой цивилизации может охарактеризовать что-то наиболее яркое и, в 1800-х годах, таким ярким было... нет, не паровая машина, а множественные открытия в области электричества — достижения следовали одно за другим, подстёгивая все остальные сферы: открытия Ампера, Фарадея, Гельмгольца, Фуко и т.д. - да, этот век был богат на «электрических гениев».

Поэтому, думается, что и остальные учёные и инженеры, присматривались к новому веянию, прикидывая, как его можно применить в своих практических целях?

Наверняка (хотя, история об этом в явном виде умалчивает), примерно подобной мыслью задавался и американец Оберлин Смит, думавший над идеей улучшения звукозаписи:

Для этого им была выдвинута концепция, что можно попробовать записывать электромагнитные колебания (соленоид (1820-1823) к тем годам уже был изобретён), используя в качестве носителя записи шёлковую нить, со стальными включениями.

В качестве небольшого отвлечения: это концепция была предложена в 1888 году, буквально через год после изобретения (1877) фонографа Эдисоном. Так что, наше «небольшое расследование» :-) — явственно указывает, как сильно повлияло изобретение Эдисона, на умы многих...

Тем не менее, Оберлин Смит потерпел неудачу в своих разработках, так как предложил использовать шёлковую нить, в которую были бы вплетены небольшие отрезки проволоки, или вклеены мелкие стальные частицы (например, стружка) — думается, что причина заключалась именно в этом, так как из-за хаотичного расположения этих частиц, не получилось бы создать чётко ориентированного магнитного поля; к тому же, ненадёжное крепление, ещё больше ухудшало всё, повреждаясь при перемотке. 

Также, отсутствие фундаментального понимания о глубинной физике процесса, тоже не способствовало успеху... 

В любом случае, он рассказал о своей попытке, в журнале Electrical World. 

А далее, происходит история, которую некоторые воспринимают как «воровство идеи», но, на самом деле вряд ли: буквально через 10 лет, датчанин Вальдемар Поульсен, независимо от американца, изобретает свою версию приспособления для записи:

История техники изобилует подобными сюжетами, когда несколько людей, разделённых большими расстояниями, приходят примерно к одной и той же мысли, и, здесь, похоже, случилось то же самое.

По крайней мере, разорванность из-за расстояния (европеец и американец), не позволяла рассчитывать на то, что европеец будет в обязательном порядке читать всю прессу из Америки. 

В любом случае, как бы там ни было, Поульсен никогда не ссылался на публикацию Смита, а после того, как изобретение Поульсена стало знаменитым (1900 год), сам Смит проявил этичность и признал изобретение, отметив только, что сама возможность заставить эту идею работать и что можно было это увидеть в виде конкретного устройства, произвело на него впечатление! Новое устройство получило название «телеграфон».

Технические возможности нового способа записи

Итак, что же было разработано Поульсеном? 

Его первый аппарат был крайне примитивным и прорывным одновременно: несмотря на новые возможности, его было нельзя назвать компактным — для реализации записи в нём была использована стальная проволока для рояля, имевшая диаметр около 1 мм, а для записи звука, продолжительностью в 40 минут, потребовалось бы порядка 5 километров проволоки, в среднем, общим весом около 31 кг! :-) 

Проволока наматывалась на цилиндр, по внешнему виду становившемуся похожим на массивный реостат — такой принцип применялся в самых первых аппаратах, до введения в конструкцию катушек. Намотка в них велась в один слой и вмещала около 100 метров проволоки:

Частенько прорывные технологии бывают тяжелыми (в понимании) для современников, а в этом же случае, технология была тяжёлой буквально — «для поднимания»: такой «трек» с собой не поносишь…:-)

Именно этот факт, несмотря на оригинальность затеи в целом, и не позволил ей на первых порах, получить широкое распространение (впрочем, были и другие сложности, о них ниже). 

Что же касается остальных компонентов, то аппарат представлял собой устройство, где запись звука осуществлялась с помощью электромагнитной головки, которая была подключена к микрофону, в результате чего, колебания электрического тока приводили к соответствующим колебаниям и электромагнитного поля головки, мимо которой, со скоростью в 2,2 м/с протягивалась проволока. 

В дальнейшем, когда требовалось воспроизведение, проволоку снова протягивали мимо головки, только на этот раз, она была намагниченной и возбуждала колебания электрического тока в ней, что вызывало колебания мембраны микрофона — который теперь работал в роли громкоговорителя (но звук всё равно был тихим). 

Качество получавшегося звука было довольно низким, так как, на тот момент, электронные усилители ещё не применялись, а сам звук изобиловал шумами. 

Сохранилась самая первая запись, которая была продемонстрирована на выставке в Париже, которая прошла в 1900 году — на ней можно слышать голос императора Франца Иосифа:

Несмотря на минусы, прогрессивность технологии была очевидна: она позволяла создавать записи весьма большой продолжительности, существенно превосходящие фонограф: до 45 минут звука, против 4 минут у фонографа Эдисона (4,5 минуты у лучших образцов, «концертного» типа).

За давностью лет, прошедших с рассматриваемых событий, мне не удалось найти сколь-нибудь убедительных визуальных свидетельств, о конструкции первой записывающей головки Поульсена (кроме словесных описаний), так как мне самому было бы весьма интересно узнать, «как оно было». :-) 

Однако, в данный момент мы (как цивилизация) имеем весьма богатый опыт насчёт того, «как оно должно быть, по уму». И это показано на картинке ниже:

Что мы здесь видим: мы видим одну из реализаций стандартного «подковообразного» магнитопровода, с обмоткой на нём. Магнитопровод содержит разрыв в передней части, заполненный немагнитным материалом (латунная фольга и т.д.) 

Зачем нужен разрыв: это позволяет силовым линиям магнитного поля выходить наружу из магнитопровода.  

Так как они выходят/входят не напрямую «из торца разреза-в другой торец», а несколько изгибаясь, наподобие формы яйца, это позволяет им, входить в толщу протягиваемого мимо головки материала!

При этом, ширина этого зазора должна быть довольно маленькой — к примеру, несколько нанометров у современных механических жёстких дисков, или до 100 мкм (толщина стандартного листа А4), как было раньше у звукозаписывающих магнитофонов.

Ширина зазора критически влияет на качество звука (подробнее, тут), то есть, для получения максимально качественного звука, который содержит высокие частоты, зазор должен быть минимально возможным, а скорость протяжки носителя — максимально возможной.

Тут надо отметить такой ещё любопытный момент: казалось бы, кому нужны все эти «перформансы» с разрывом магнитопровода — бери железную «палку», мотай на неё катушку, вот тебе соленоид, «живи и радуйся»! :-))

Но нет: штука тут в том, что это больше чем «магнитопровод», это, концентратор магнитного потока: если в соленоиде происходит рассредоточение поля с обоих его концов (магнитятся оба конца «палки»), то тут, всё поле сконцентрировано на маленьком участке и весьма эффективно будет намагничивать носитель… 

Но вернёмся к нашей проволоке… Она была тяжела по весу и с этим что-то нужно было делать…Дальнейшие работы были сконцентрированы именно на этом направлении, что потребовало достаточного времени, но увенчалось успехом: толщина проволоки была доведена до 0,15 мм, теперь она помещалась на маленькой бобине, которая была не больше ладони, вмещавшую около 2,5 км проволоки, что позволяло записать на неё до 120 минут звука. 

И первое широкое распространение проволочных магнитофонов началось в 1940-е годы, с выпуском серии для армии США. 

Но, параллельно развивалась и другая история: немецкий инженер Фритц Пфлеумер, экспериментируя еще в 1927 году с различными магнитными материалами, открыл, что можно покрыть бумагу оксидом железа

(это важно, запомним это! Мы к этому вернёмся дальше ;-) ),

используя клей, как связующее, наклеил его на бумагу, которая после этого уже могла быть намагничена! О_о 

Он не стал изобретателем магнитофона, в таком виде, в каком многие его знают, но он стал открывателем принципа: что не обязательно нечто (например, проволока) должно выступать как монолитный носитель магнитной записи — вместо этого, магнитный слой может быть нанесён отдельно! 

В 1932 году он передал права на это изобретение компании AEG, которая и выпустила первую в мире магнитную ленту, для первого в мире устройства воспроизведения звука, записанного магнитным способом, на полимерной ленте — Magnetophon.

В дальнейшем, обе технологии развивались какое-то время параллельно, и, думается, сначала плёночная технология не взяла вверх, в виду вполне прозаических причин — мировая война приостановила развитие технологии.

Но, уже после войны, хотя обе технологии, как было уже сказано, и шли некоторое время, «рука об руку», более прогрессивная, с записью на лёгкую, недорогую и дешёвую ленту — вышла в итоге вперёд.

Дальше была долгая и интересная история, которая, безусловно, тоже заслуживает своего рассмотрения. Однако, мы не случайно дошли только до этого места, так как на этом историческая часть заканчивается, потому что было необходимо, чтобы вы обзорно увидели некоторые ключевые факты.

При этом, нельзя не сказать и о ключевой технологии, которая сделала возможным широкое распространение магнитной записи — высокочастотное подмагничивание. 

Суть вопроса заключается в том, что, если пытаться писать звук напрямую, то уровень, получаемый намагниченности, из-за инертности* магнитного материала будет весьма низким — если представить его в виде синусоиды, то, она будет почти слита с осью X, незначительно отклоняясь от неё.

*Под инертностью понимается, что материал начинает намагничиваться не сразу, а за некоторое время, а, так как звуковой сигнал колеблется с большой частотой, то материал просто не успевает «раскачаться» — магнитные домены в нём поворачиваются, но недостаточно.

Из этого проистекают две проблемы:

• там же, почти слитые с осью X находятся и многочисленные шумы;

• сигнал тихий сам по себе, и, вдобавок, он смешивается до степени неразличения — с этими шумами.

Для решения этой проблемы было придумано гениальное решение: а что, если, высокочастотным, относительно высоким током (достаточно высоким, чтобы уверенно раскачивать домены, но недостаточно высоким, чтобы вызывать перегрев материала или головки), с частотой в 60-150 кГц, постоянно раскачивать домены в материале, при этом форма сигнала должна быть синусоидой, после чего, прямо на этот сигнал накладывать ещё и звуковой сигнал!

Что это даст: если сигнал раньше колебался около оси X, незначительно отклоняясь от неё, то, теперь, по оси Y вырастает «огромная гора», с плоской вершиной, параллельной оси X, где, на этой плоскости, звуковой сигнал и создаёт рябь. 

Таким образом, все шумы остаются у подножия «горы», а полезный сигнал начинает выглядеть как трава на её вершине! :-) 

То есть, автоматически получается усиление громкости и отстройка от шумов! 

При этом, этот способ с подмагничиванием касается только аналоговой записи!

В цифровой записи всё совершенно иначе: там подмагничивание не используется, вместо этого следуют короткие мощные импульсы, достаточно мощные для данного материала, чтобы полностью развернуть домены в новое положение (0 или 1).

Для стирания, в аналоговом варианте, можно применить то же самое высокочастотное подмагничивание, с затуханием амплитуды, что, в итоге создаст хаотичность ориентации доменов. 

В цифровом варианте, просто данные перезаписываются, устанавливаясь в другое положение — ну или в то же самое, но для всех, что, в том или ином случае будет означать стирание (например, положение какого-то конкретного участка не трогаем, а, вместо этого все остальные участки записываем в то же самое значение).

Суперпроект?

А теперь, когда вы узнали многие ключевые факты, поговорим, наконец, о действительно серьёзных вещах! ;-)

Наверное, каждый инженер мечтает сделать что-то такое, из ряда вон выходящее, и, если вас периодически терзают такие мысли, то сейчас у вас будет такая возможность! :-)

Вы помните, что, чуть выше, я просил вас запомнить, что немецкий инженер использовал оксид железа — для создания намагничиваемой бумаги? 

Приходило ли вам в голову, что подобный оксид невероятно распространён вокруг нас и широко применяется? Догадались, где? :-)

В тонере лазерных принтеров, копиров!!!

И, причём, именно с магнитными целями — чтобы тонер примагничивался к особому валу, с магнитом внутри («магнитная кисть»), с которого, насколько мне известно, происходит перенос на заряженные части фотобарабана, откуда уже изображение и переносится на бумагу, в дальнейшем запекаясь на ней.

То есть, мы имеем потенциально намагничиваемую поверхность, крепко сцеплённую с бумагой!!!

Ну и, наверное, вы начинаете догадываться: хотите, по-настоящему гиковский проект, безо всяких скидок и (скорее всего), без аналогов в мире?

Сделайте бумажный жёсткий диск, даже просто «по фану»!!! О_о 

Или, например, как вам понравится грампластинка (с mp3-треком), записанная прямо на бумагу?!

Каким путём это всё можно попробовать провернуть:

• Печатаем на бумаге чёрный диск;

• Как сделать головку с концентратором потока (разрез магнитопровода) вы знаете;

• Знаете, что нужно подмагничивание (если будете использовать аналоговую запись);

• (Скорее всего) умеете работать с микроконтроллерами;

• Ну и немного удачи;-)

P.S.  

На мой взгляд, это был бы невероятно красивый, с инженерной точки зрения, проект, можно даже сказать элегантный: сочетание старинных технологий и современного подхода! 

Можно, по идее, создавать подобные, распечатанные на бумаге и записанные магнитным образом: грампластинки, «жёсткие диски» (бумажки с данными) — например, в сувенирных целях! 

В любом случае, если кто-то решится проделать этот эксперимент, то это будет, однозначно, самый эпичный проект года! :-) 

Мне больше нечего добавить. Я всё.

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.