Cs. Kádár Péter - XXI. századi Diszkónika, 329. A magnószalag boszorkánykonyhája - második főzet

A magnószalag alaprétege, hordozója a szalag mechanikai tulajdonságait határozza meg, az aktív, fej felőli réteg pedig a mágneses és ezen keresztül az elektromos-elektroakusztikai jellemzőit.

A fej felőli, aktív réteg tartalmazza a szalag mágnesezhető anyagait.

mbm02

A mágnesezhető anyag kétféle vas-oxid, króm-dioxid, vas-oxidra rétegezett króm-dioxid, kobalttal dúsított (elnyeletett) vas-oxid és tiszta fém lehet, más anyagok nem váltak be. Ezen anyagok egyik legfontosabb mágneses jellemzője a koercitivitás. Ez minél nagyobb, annál nagyobb a hangszalagra rögzített mágneses információ ellenállása a külső mágneses terekkel szemben, tehát annál nehezebb véletlenül módosítani. Az SI szerinti (lásd a sorozat 3. részét) mértékegysége amper/méter (A/m), de a magnószalagoknál a régebbi egységben, oerstedben (Oe) szokás megadni. 1 Oe kb. 80 A/m. A másik lényeges paraméter a remanencia, ami azt mutatja meg, hogy a mágneses térből kikerült réteg mennyire tartotta meg a mágnesességét. Az SI szerinti mértékegységa tesla (T), ám általában gaussban (G, Gs) adják meg. 1 T = 10 000 G.

mbm03

Létezik egy olyan paraméter is, amit semmilyen módon nem adnak meg, s ami a fenti, már jól ismert hiszterézis görbéhez kapcsolódik. Ez pedig a görbe négyszögletességi aránya, tehát, hogy milyen mértékben közelít a kockához a görbe pocakja. Az arány növelése lehetővé teszi a szalag vezérlési tartományának teljesebb kihasználását a remanencia határain belül. Ez az arány szalagfajtától függően 0,7-0,95.

Összesen 16-féle vasoxid létezik, számunkra ebből kétfajta lényeges. Az egyik a γ-Fe2O3 , amit a kémikusok a vas(III)-oxidok közé sorolnak, maghemitnek is nevezik, s amelynek többnyire vöröses színe van.

mbm04

A γ (gamma) jelet a téglatest alakú krisztály-rácsszerkezete miatt kapta. Hidd el nekem becsszóra, hogy jobb, ha ebbe nem megyünk bele, mert akkor soha a büdös életben nem jövünk ki belőle. Ráadásul a γ-Fe2O3 nem is ferromágneses (lásd a sorozat 326. részét), hanem ferrimágneses, ami ismét atomszerkezetbeli különbség, de a mi szempontunkból nem érdekes, a lényeg, hogy jól mágnesezhető. A vas(III)-oxid a természetben megtalálható hematit vagy vörös vasérc nevű ásványként, de még nem gamma kristályszerkezettel.

mbm05

A magnószalag boszorkánykonyhájában a γ-Fe2O3 -at nem feltétlenül vasércből állítják elő, mert nem biztos, hogy elég tiszta vegyület lesz a végeredmény, hanem különböző vasvegyületek izzításával, pörkölésével. Igen finom vas(III)-oxid keletkezik a vas(II)-oxalát (FeC2O4) hevítésekor, de ez már a metallurgia nevű alkalmazott tudomány területe. Az azonban valóban lényeges, hogy a mágnesezhető pigmentek minél kisebb szemcsékből álljanak, ezért az alapanyagot darálni szokták. A leginkább elterjedt örlőgép a golyós malom. A lényege, hogy egy forgó dob belsejében golyók ütköznek az örlendő anyaggal, és addig kólintják fejbe az őrlendő anyagot, amíg elég kicsi méretűre nem örlődnek a részei.

A legjobb minőségű mágneses pigmentet akkor kapnánk, ha sikerülne nanorészecskéket előállítani. Ezek onnan kapták a nevüket, hogy a méretük legfeljebb néhány tíz nanométer. Az ilyen anyagokat plazmatechnológiával lehetne előáálítani, néhány millió fokos hőmérsékleten. Az analóg hangszalagok fejlesztése azonban megállt, mielőtt a nanotechnikát kidolgozták, az igen nagy adatsűrűségű merevlemezek gyártásakor azonban már találkozhatsz nano- γ-Fe2O3-mal, amit valamilyen más fémmel ötvöznek.

A γ-Fe2O3-nak a magnószalaghoz használt alakja tűhöz hasonlít. Ha e kis részecskéket felmágnesezzük, ez a folyamat akkor megy végbe a legobban, ha a tűk a mágnesezés irányában állnak. Ez azt is jelenti, hogy a tűk nem mágnesezhetők jól minden irányból. Van ám ennek tudományos neve, úgy mondják, hogy anizotrópok.

mbm06

A finom mágnesezhető port úgy kell majd a hordozóra önteni, hogy a tűk ennek megfelelően, rendezetten, ugyanolyan irányba pottyanjanak a hordozóra. Ennek érdekében az öntéskor már kapnak egy kis mágneses térerő pofont a pigmentek.

A magnószalagok fejlődése során egyre kisebb méretű pigmenteket, „mikrovasakat” tudtak előállítani, s ezzel a mágneses paraméterek is javultak. A γ-Fe2O3 aktív rétegű szalagok koercivitása 24 000-32 000 A/m (300-400 oersted), a remanenciájuk 0,12-0,16 tesla. A négyszögletességi arány kezdetben 0,75 volt, a „mikrovasas” szalagok legjobbjai elérték a 0,9-et.

Két cég gyárt jelenleg γ-Fe2O3 aktív rétegű szalagot, az USA-beli ATR és a francia Recording TheMasters. Ez utóbbi BASF/Agfa licenc alapján készíti a termékeit, a Bretagne és Normandia határán fekvő Avranches-ben A profi és félprofi felhasználásra készített szalagok egy része – közel sem az összes – náunk is kapható, 12-31 ezer forintért.

mbm07

A másik vasoxid fajta a Fe3O4. A kémikusok vas(II,III) oxidnak is hívják, meg ferro-ferri-oxidnak, meg magnetitnek is. Fekete színe van.

mbm08

Noha mágneses tulajdonságai jobbak, mint a γ-Fe2O3-nak, nem elég stabil, ezért elég hamar kiment a divatból. A Scoth (3M) gyártott pédául olyan hangszalagot, amelynek a pigmentje Fe3O4 volt. Viszont Fe3O4-ből lehet és szokás is γ-Fe2O3-at gyártani; lássuk, hogyan csinálta ezt a TDK! Kapaszkodj, újabb fogalmakkal és anyagokkal fogsz megismerkedni! Azt, hogy mi az oxidáció, nyilván nem kell ragozni, azt jelenti, hogy a kémiai elemhez vagy vegyülethez oxigént adunk, a molekulákba oxigén kerül. A redukcióra pedig emlékezhetsz, mert tanították az iskolában. Mondjuk, én nem emlékeztem, hogy a redukció az oxidáció ellentéte, vagyis a molekulákból oxigént vonunk ki általában úgy, hogy az oxigén atomok más anyag atomjaihoz kötődnek.

Esetünkben a kiinduló anyag goethit. A nevét Johann Wolfgang von Goethe-ről kapta, aki nemcsak író, költő és politikus volt, hanem lelkes ásványgyűjtő is.

mbm09

A goethit (bársonyvasérc, tűzvasérc) azért remek alapanyag, mert rengeteg van belőle, olcsó.

mbm10

Az un. vas-hidroxid ásványok közé tartozik, a képlete α-FeOOH. Nem ferromágneses, de a kristályok alakja tűszerű, s már tudod, hogy ez fontos. E tűszerű kristályok alakját megtartva, oxidációs és redukciós lépésekkel α-Fe2O3-má varázsolják; ez még mindig nem mágnesezhető. Tehát továbbmasszírozzák, így lesz belőle Fe3O4. Ez az anyag már mágnesezhető, és a kristályai továbbra is tű alakúak. Az Fe3O4-et még egyszer oxidálják, és már készen is van régi ismerősünk, a tűkristályos, mágnesezhető γ-Fe2O3.

mbm11

Pihenésként bányásszunk kicsit!

Kb. fél évszázaddal ezelőtt az USA-beli Du Pont cég szabadalmaztatta a króm-dioxid pigmentet magnószalagok készítéséhez, amit Európában elsőként a BASF licencelt.

mbm12

A Sony Japánban kapott kizárólagos jogot a króm-dioxid aktív rétegű pigmentek gyártására.

mbm13

Ne tévesszen meg, hogy sok cég hozott forgalomba króm-dioxid kazettákat, a pigment gyártója csak ez a két vállalat volt.

A króm-dioxid kristályszerkezetét mutatja a következő ábra.

mbm14

A króm-dioxid vagy más néven króm(IV) oxid szintetikus vegyület, képlete CrO2. A kristály üvegszerű rúd, egyenletes és sűrű aktív réteg állítható elő vele. Ezt a tulajdonságát a kazetták igényelték, hiszen mind a szalag szélessége, mind a szalagtovábbítási sebesség kisebb volt, mint az orsós magnóké. A króm-dioxid koercitivitása magasabb, mint a γ-Fe2O3-é, 44 500-54 000 A/m (560-680 oersted), a remanencia 0,16-0,18 tesla, a négyszögletességi arány 0,9. A króm-dioxid elég kemény anyag, koptatja a magnófejeket. A kezdeti időkben a króm-dioxid réteg töredezett, a későbbiekben például iridium hozzáadásával javították a tulajdonságait. Az is kiderült, hogy a CrO2 károsíthatja az alapréteget, mert képes a polimert oxidálni. A króm-dioxid gyártásakor keletkező króm-hulladék ráadásul mérgező, nem mintha a többi technológia egészséges lenne. A króm-dioxid aktív rétegű kazettákat főként gyári műsoros kazikat gyártó cégek szerették, hogy miért, arra még visszatérek. A Du Pont néhány évvel az ezredforduló előtt abbahagyta a króm-dioxid pigmentek gyártását. Azt már tudod, hogy a BASF mindenféle hangszalag gyártását befejezte, de ha szépen kéred a céget, igaz, hogy baromi drágán, de készít neked egy zacskónyi króm-dioxid pigmentet, sőt, olyat is, amihez kobaltot adalékol.

A króm-dioxid fejkoptató hatását néhány cég úgy próbálta csökkenteni, hogy a króm-dioxid rétegre vékony γ-Fe2O3 réteget öntött. A "vaskróm" szalagok és kazetták azonban igen gyorsan megbuktak, mert a króm-dioxid jó tulajdonságait részben elfedte a γ-Fe2O3, és a gyártás sem volt egyszerű. Azonban ne hidd, hogy ezek a próbálkozások tök feleslegesek voltak, hiszen a kudarcokból is lehet tanulni, egyszersmind bizonyos technológiai lépéseket más esetekben jól lehet alkalmazni.

mbm15

Az imént már szóba került a kobalttal történő dúsítás, elnyeletés, külföldiül abszorbeálás. Csodaszer volna a kobalt? Hiszen a digitális technikában most is használják. Lássuk hát, mi is ez a kémiai elem, és miért szeretjük? A kobalt vegyjele Co. Az un. átmeneti fémek közé tartozik, a vas és a nikkel között foglal helyet. A 19. századi magyar neve kékleny volt, részeként a reformkori nemzeti önérzetnek, amely a kémiai szaknyelvet is a német nyelvhasználattal szemben fogalmazta meg, Kazinczy Ferenc példáját követve: "A magyar szó, ha rossz is, jobb mint az idegen. A korcs szavak csak addig látszanak rosszaknak, míg meg nem szokja őket az ember". A kobalt mostani neve mégis a német Koboldból származik, ami hegyi manót jelent, mert egykor azt hitték, hogy a kobaltot tartalmazó ásványból ezüstöt, rezet, ónt lehet készíteni, csak a germán mitológia szerint a bányászokat gyakran bosszantó manók belerondítottak a próbálkozásokba.

mbm16

A kobalt elemi állapotában szürkés-ezüstös színű, azonban a természetben csak vegyületekben fordul elő, főként kobalt-oxid, Co3O4 formájában. Ahhoz tehát, hogy a magnószalag aktív rétegébe bekerülhessen, először ki kell nyerni a vegyületekből. A legtöbb kobalt Kongóban található, ahol embertelen körülmények között, kisgyerekeket is foglalkoztatva bányásszák, illetve előfeldolgozzák – darabokra törik – a kőzetet. Sok gyerek halt már meg munka közben vagy bénult meg véglegesen.

mbm17

Szállítás után a vegyi üzemekben megtisztítják az anyagot, majd a kobalt-oxidhoz aluminiumot adva, redukálják, kivonják belőle az oxigént. Tehát ez a folyamat zajlik le: 3 Co3O4 + 8 Al = 9 Co + 4 Al2O3. A kobalt már vegyületként is bazierős mágnes, tisztán pedig még inkább. A következő ábra azt mutatja, hogyan változik a γ-Fe2O3 mágnesezettsége a mágneses térerő függvényében, ha kobaltot nyeletnek el.

mbm18

A sárgával jelzett görbék azt mutatják, hogy a γ-Fe2O3 szinte megtáltosodik, ha kismértékű kobalt kokit kap, és lényegében egyenértékűvé válhat a kobalttal dúsított γ-Fe2O3 szalag a króm-dioxidossal. Viszont a lefelé mutató fekete háromszöggel kikövezett görbe szerint alig lesz jobb a helyzet, ha a dúsítás mértéke 10%. Ez utóbbinak az az oka, hogy ilyen mennyiségű kobaltba már nem tud beépülni a γ-Fe2O3 rácsszerkezete, hanem a kobalt kicsapódik.

A Du Ponttal üzletelni nem kívánó cégek- pl. a TDK és a Maxell - a króm-dioxid aktív réteg kiváltása érdekében kezdték fejleszteni az un. ferrikobalt szalagokat, noha voltak már korábbi kísérletek is.

mbm19

A ferrikobalt aktív réteg készítését a nevesebb cégek egymástól eltérő módon valósították meg. A fő gondot a kobalt abszorpciója, elnyeletése okozta, mert már igen kis elnyeletést sem tudtak megoldani a kezdetekkor. Számos versengő kobalt-elnyeletési technológia közül a legelterjedtebb a vas-oxid alacsony hőmérsékletű molekuláris tokozása kobaltsók vizes oldatába. Hű, be szép mondat volt ez, akkor hát vegyük sorra! A molekuláris tokozás azt jelenti, hogy van valamilyen gazdamolekula, börtön, esetünkben a vízben oldott kobaltsó, és ebbe belezárjuk a vendégmolekulát, a γ-Fe2O3-at.

mbm20

Kobaltsó például a kobalt-klorid; ennek több változata is van, mindegyik szép színes, de ennél fontosabb, hogy vízben jól oldódik.

mbm21

A börtön a feloldott kobalt-klorid, a fogoly a γ-Fe2O3. Ha már sikerült rabul ejteni a gyanútlan γ-Fe2O3 at (belelökték a lébe, pedig biztos nem tud úszni), akkor jól meg is kínozzák, mert a vízre már nincs szükség; 100-150°C-on megszárítják a cuccot. De nemcsak a víz távozik el, hanem a klór is szabadulni akar; a vegyészekre jellemző melegbüdös, erősen mérgező folyamat játszódik le. A végén a kobalt és a γ-Fe2O3 egymáséi lesznek, stabil kristályszerkezetet alkotva. Ha mégis maradna némi klór a cuccban, akkor az évek során szépen rohasztja az alapréteget és a kötőanyagot. A tokozott γ-Fe2O3 részecskék megőrzik tűszerű alakjukat, és szorosan egymás mellé téve, egységes rétegekbe csomagolhatók. Először csak egy réteget csináltak, aztán kettőt, végül volt egy háromrétegű ferrikobalt kazi is, a TDK SA-XS. A hagyományos, tehát nem nanotechnológiával 3% körüli elnyeletést sikerült megvalósítani.

mbm22

Vadiúj ferrikobalt aktív rétegű kazettát most is vásárolhatsz, még szerencse, hogy van mennyiségi kedvezmény.

mbm23

Az analóg hangszalag gyártás csúcspontja a fém-oxidok helyett tisztafém aktív rétegű kazetták megjelenése volt. Noha az első kísérletek már 1946-ban megkezdődtek, életképes vas-kobalt-nikkel ötvözetű próbálkozásokról 1962-ben jelentek meg tudósítások. A tisztafém szalagok kezdetben könnyen lángra lobbantak szobahőmérsékleten is, un. piroforosak voltak. A piroforosságra jellemző az öngyújtók működése. Az öngyújtó dörzs-felülete a tűzkövet finom porrá alakítja, ez a levegő hatására felizzik, vagyis szikrázik, majd ezen izzó részecskék lángra lobbantják a jelenlevő szénhidrogén gázokat.

Noha a későbbi passziválási módszerek sikeresnek bizonyultak, a fémrétegű szalagokat mindvégig gyanakvás kísérte. Ma már tudjuk, hogy az ilyen szalagok is képesek rohadni, noha ennek nem elsősorban a fém az oka. A tisztafém szalagok jellemző koercitivitása 87 500 A/m (1100 oersted), remanenciája pedig nagyon nagy, 0,3-0,48 tesla. A négyszögletességi arány 0,95.

A tisztafém szalagokat kétféle eljárással is készítették. Az egyik a klasszikus porkohászati módszer, az un. karbonil eljárás, amikor nagy nyomáson és hőmérsékleten a fémet szén-monoxid (CO) gázban masszírozzák. Ennek hatására a fém vegyületet alkot a szén-monoxiddal, ami aztán normál nyomáson és hőmérsékleten szétbomlik néhány μm nagyságú szemcséket tartalmazó porrá. Ezt a port kötőanyaggal ráragasztják az alapréteg fóliára. A másik módszer érdekesebb. Az aktív fémréteget fizikai leválasztással, gázmentes vákuumkamrában állítják elő. Ebben az eljárásban nincs szintetikus kötőanyag, amely összetartaná a részecskéket; ehelyett közvetlenül a PET alapréteghez tapadnak a pigmentek. Egy elektronsugár olvasztja meg a forrásfémet, és az atomokat folyamatosan, irányítottan áramoltatja az alapréteg felé. Ezt a módszert a Panasonic szabadalmaztatta, de a hangkazettáknál nem vált be, a videószalagoknál annál inkább.

A tisztafém kazetták nagyon drágák voltak, és a korabeli átlagos magnók nem tudták kihasználni az előnyeiket, mert a magnófejek egy része hamarabb ment telítésbe, mint a szalag. A kazetták különlegességét fokozta, hogy a Sony kerámia házba, a TDK fém házba szerelte a szalagot.

mbm24

Amikor még újdonság volt a fenti képen látható TDK kazetta, kaptam egy példányt kölcsön néhai Degrell Lászlótól, a „Hanglemezek és lemezjátszók” című könyv szerzőjétől, mérési és tesztelési célokra. Szomorú emlékem fűződik ehhez, mert egy aljas kollégám kicserélte benne a szalagot. A mai napig lesül a bőr a pofámról, holott annak a szemétládának kellett volna forró kénsavval (H2SO4) leönteni a kezét.