Tartalomjegyzék 1. ELİSZÓ INFORMÁCIÓTECHNIKA Informatika Információ Az információ mennyisége

Átírás

1 TANULÁSI SEGÉDLET Informatikai technológiák 9. évfolyam, hardver és szoftverismeret 11. évfolyam számára 1

2 Tartalomjegyzék 1. ELİSZÓ INFORMÁCIÓTECHNIKA Informatika Információ Az információ mennyisége Redundancia Kódolás Paritásbit Információátviteli csatorna A jel: A zaj Digitalizálás Mintavételezés Kvantálás MI JELLEMZI A SZTOCHASZTIKUS JELEKET?NEUMANN ELVŐ SZÁMÍTÓGÉPEK FELÉPÍTÉSE CPU-K MŐKÖDÉSI ELVE Mőveletek elvégzése logikai áramkörökkel Identitás Negálás (NOT) ÉS (AND) VAGY (OR) KIZÁRÓ VAGY (XOR) Egybites félöszeadó Teljes összeadó A CPU-k alapvetı építıelemei Vezetık Szigetelık Kondenzátor Félvezetık: Tranzisztor, dióda A p-típusú félvezetı Az n-típusú félvezetık MEMÓRIA Elektronikus memóriák Ellenırzı kérdések: MÁGNESES ELVŐ HÁTTÉRTÁRAK Winchesterek Floppy lemez és meghajtója Mágnesszalag, streamer A mágneses jelrögzítés elve Anyagok mágnesezhetısége, Mágneses anyagok Az elemek periódusos rendszere Elektronpályák Diamágnesség Paramágnesség Ferromágnesség Ferromágneses anyagok külsı mágneses tér nélkül Ferromágneses anyagok külsı mágneses térben A telítési mágneses polarizáció függése a hımérséklettıl, a Curie-pont Kemény- és lágymágneses anyagok Elektromágneses indukció A nyugalmi indukció A mozgási indukció Ellenırzı kérdések OPTIKAI ELVŐ HÁTTÉRTÁRAK CD Szerkezete Az olvasás folyamata A CD-írás technikái lyuk technológia: (CD-R) buborék technológia: (CD-R)

3 mintázatváltás: (CD-R) festékpolimer technológia: (CD-R és CD-RW) fázisváltós technológia: (CD-R és CD-RW) Magneto-optikai lemezek: DVD DVD-ROM DVD RAM Blu-ray Fény tulajdonságai Mechanikai hullámok Mechanikai hullámok kialakulása A hullámokat több szempont szerint osztályozhatjuk: Magneto-optikai Kerr-effektus LASER A lézer elıállítása Spontán emisszió: Abszorpció: Indukált emisszió: A lézerfény kialakulása Lézer fajták Gázlézerek: Excimer lézerek: Félvezetı lézerek: Folyadék halamazállapotú festéklézerek: Kémiai lézerek: Plazmalézerek: Holografikus tárak Holografikus tároló prototipusa Milliónyi bitet egyszerre Hologram Sakkjátszma Holografikus lemezek írása Olvassunk Holográfia A holográfia elve A holográfiáról Hologram A lézer megjelenése A holográfia alkalmazási területei Ellenırzı kérdések A LYUKKÁRTYÁTÓL A NANOTECHNOLÓGIÁIG Jacquard szövıszéke Hollerith: lyukkártya alkalmazása a népszámláláshoz Lineáris bitsőrőséget növelı technológiák: Megfelelı anyag kiválasztása: Dupla mágneses mintázat Információk célszerő átkódolása: Nanotechnológia Háttér: (Scanning Tunneling Microscope, STM)- Pásztázó alagút mikroszkóp Út a nanovilágba (készítette az M&H communications szabad felhasználásra, a szerzıi jogok korlátozása nélkül) Miniatőr áramkörök Nanotudomány különféle területeken Reálissá váló víziók ANALÓG HANGRÖGZÍTİ-BERENDEZÉSEK E.Berliner találmánya: gramofon Az elektronikus felvételek Új lemezformátumok A hanglemez mőszaki jellemzıi A lemezjátszó felépítése A hanglemez gyártása: A szalagos rögzítés (A mágneses hangrögzítés rövid története) A mágneses hangrögzítés elve

4 A mágneses hangrögzítés egységei Dolby-rendszer: Magnófejek Fotooptikai hangrögzítés: a film hangja ANALÓG KÉPRÖGZÍTÉS CAMERA OBSCURA Dagerrotípia A film, mint hordozó megjelenése A színrögzítés kezdetei A fotózás kémiai alapelvei: mi történik a filmen exponáláskor? Fekete-fehér film felépítése: A fény hatása a filmre: Az elıhívás folyamata: Fixálás: Kidolgozás: Színes film INPUT/OUTPUT ESZKÖZÖK Input eszközök Billentyőzet Egér, madár Hogyan mőködik a Leonar3Do madár? Képalkotás Scanner Fényképezıgép Vonalkód olvasó Ujjlenyomat- olvasó Érintıképernyı Output eszközök Nyomtatók, nyomat fénytana Monitorok Egyéb megjelenítık SZOFTVEREK A szoftver fogalma Szoftverek csoportosítása Hardverközeli szoftverek Operációs rendszerek Segédprogramok Programfejlesztı eszközök Boot folyamat Állománykezelés IRODALOMJEGYZÉK

5 1. Elıszó Ez a dokumentum az Internetről származó színvonalas művekből összeszerkesztett oktatási segédlet a 9. évfolyam Informatikai technológiák, és a 11. évfolyam hardvertechnológia és szoftverismeret tantárgyához, kizárólag oktatási segédanyagként, nem profitorientált felhasználása.. Az Interneten barangolva nagyon sok helyen semmilyen utalás nem volt olvasható az eredeti szerzők kilétéről. Nem is kíséreltem felkutatni őket, de köszönet a munkájukért. Naszári László 5

6 2. Információtechnika Dr. Keresztesi Miklós: INFORMÁCIÓTECHNIKA II. jegyzetének részlete A társadalom központi problémájává vált az információ. A civilizáció történetében kezdetben az anyag, majd az energia jelentette a stratégiai erőforrást, ma egyre nagyobb szerepet kap az információ. A gazdasági életben aki előbb jut információhoz, az előnyösebben tud dönteni, versenyképessége fokozódik. A technikai rendszerek irányíthatóságánál elemi igény az időben megszerzett információ, de a társadalmi folyamatokban is meghatározó lehet a döntéshozók informáltsága. Az információszerzésben az időtényező két vonatkozásban is jelentkezik: információhoz jutás a legrövidebb időn belül, amelyhez gyakran használunk telekommunikációs eszközöket, az információra egy rendszernek sokszor nem akkor van szüksége, amikor az létrejön, igény a keletkezett információk egy későbbi időpontban való hasznosítása. A korábbi ismeretanyaggal egybevetett új információ növeli a tudásbázist. Az információtároló technikák végigvonulnak az emberiség történetén. A rendszerek célirányos működésében fontos mozzanat az információfeldolgozás. Alap információkból magasabb rendű információkat hozunk létre, a feldolgozást az emberi agy és a gyorsabb, pontosabb, megbízhatóbb számítógép végzi. A magasabb rendű információk egyik megjelenési formája a döntés, amelynek a folyamatirányításban van kiemelt fontossága. Tekintsük át az információkezelés általánosan használt fogalmait! 2.1. Informatika Az informatika az információszerzés, -átvitel, -tárolás, feldolgozás (beleértve a döntésekre alapozott irányítást is) technológiájával foglalkozó elméleti és gyakorlati ismeretek, módszerek összessége. Hasonló értelemben használjuk az információtechnika fogalmat. Míg az informatika az információkezelés módszerére helyezi a hangsúlyt, addig az információtechnika eszköz oldalról közelíti a kezeléstechnikát Információ Az információ ismeretnyereséget, az ismeretanyag növekedését, ill. a bizonytalanság csökkenését jelenti. Egy forrásból annál több információt kaphatunk, minél nagyobb a beérkezett információ által megszüntetett bizonytalanság mértéke. Az információt tartalma és mennyisége jellemzi. Tartalmi oldalról az információt csak akkor tudja a vevő befogadni, ha az adott tématerületen előzetes ismeretekkel rendelkezik, azokat a kapott információk kiegészítik. Ugyanaz az információ egy laikus felhasználó számára nem jelent semmit, míg megfelelő előismeretek birtokában igen értékes lehet. Az információ mennyiségi jellemzése szempontjából célszerű eltekinteni a sok szubjektív elemet tartalmazó tartalmi oldaltól. Az információ objektív oldala az információhordozó, a jel. Pl. az írás jelei, a beszédnek megfelelő levegő nyomásváltozások, egy képelem felületi fényessége és színe Az információ mennyisége Az információelmélet alapvető gondolata, hogy az átvitt jel egy kiválasztott jel a sok lehetséges közül. Minél bizonytalanabbak vagyunk a közlemény szerkezetében, annál nagyobb a közölt információ mennyisége. Tekintsünk egy hírforrást, amelynek szimbólum készlete k elemet tartalmaz és ezek előfordulási valószínűsége a közleményben azonos. Egy jel (pl. az i-edik) vételének valószínűsége pi=1/k. Jelöljük az információ mennyiséget I-vel, az i-edik jel beérkezésekor kapott információ mennyiség: 1 1 Ii = log 2 = log 2 = log 2k p 1 i k (1.3.1.) 6

7 Legyen egy adott szimbólumkészlet elemeinek száma 2 és ezek a közleményekben azonos valószínűséggel fordulnak elő, ekkor egy jel beérkezésekor a kapott információ mennyiség egységnyi: I = log 2 2 = 1 (1.3.2.) Két eleme van pl. a kettes számrendszernek (0,1), az angol binary és digit szavak megfelelő karaktereinek összevonásával állt elő a bit betűszó, amely az információ szimbólumonkénti mértékegysége. A gyakorlatban széleskörűen használt a bájt (byte) az információ mennyiség jelölésére, 1 bájt = 8 bit. Prefixumok: 1 K = 1024 (kiló: ezer) 1 M = = (mega: millió) Tehát a fenti információ mennyiség képlete és mértékegysége: Ii = log 2 k bit/szimbólum (1.3.3.) Vizsgáljuk azt az esetet, amikor k szimbólumból álló készletben a szimbólumok előfordulási valószínűsége különböző. Egy választásnál: 1 = log 2 = log p H 2 p bit szinb lum (1.3.4.) ahol p a vizsgált szimbólum előfordulási valószínűsége. Több esetben választva a szimbólum készletből, meghatározható az egy szimbólumra eső információ mennyiség átlagos értéke: k H = p log p i= 1 i 2 i bit szimbólum (1.3.5.) A képlet valamely szimbólumkészlet egy szimbólumára jutó átlagos információ mennyiséget adja meg. Az információ mennyiségi jellemzésének gondolatköre C. E. Shannontól (1949.) származik. Megalkotása óta sok ezer publikáció jelent meg ebben a témakörben, de egyik szerző sem javasolt más definíciót. Neumann János mutatott rá, hogy a Shannon formula (1.3.5.) és a termodinamikai entrópia képlete csak konstans szorzóban különböznek egymástól. Ezért az kifejezést is szokás entrópiának nevezni. Vizsgáljuk meg az angol abc-vel írt szöveg entrópiáját. A szimbólumkészlet 26 betűből és a szóközből (space) áll, k=27. Az írott szövegben leggyakoribb a szóköz, gyakorisága 18,7 %, (valószinűség 0,187 utána következik az E, melynek 10,7 % az előfordulása (valószínűség 0,107). Néhány betű valószínűsége: 7

8 p space = 0,187 p E = 0,107 p T = 0, p D =0, Az képletbe helyettesítve a vizsgált szimbólumkészlet entrópiája: Nyelvészek vizsgálata alapján figyelembe kell még venni a jelkorrelációt is, amely a betűk egymásközti statisztikus kapcsolatát tükrözi, mint az adott nyelv -előfordulási H = 27 i= 1 P log2 P = 4, 065 i i bit szimbólum (1.3.6.) valószínűségen túli- specifikumát jelenti. A jelkorrelációt 8 betűig figyelembe véve az entrópia H = 2,35 bit/szimbólum. Tehát kevesebb információhoz jut az, aki a nyelvet érti. Aki folyékonyan beszél egy nyelvet, további statisztikus kapcsolatok birtokában van. Ilyen esetben indokolt a jelkorreláció kiterjesztése 100 betűig, ekkor az entrópia lecsökken, az átlagos információ mennyiség H = 1 bit/szimbólum,... 1,6 bit/szimbólum. Határozzuk meg az entrópia függvény maximumát. Hasonlóan a termodinamikához, az információelméletben is annál nagyobb az entrópia, minél rendezetlenebbek a jelek. A teljes rendezetlenségben minden szimbólum azonos valószínűséggel fordul elő, azaz a betűk tetszőleges kombinációjának lenne értelme az adott nyelven. A jelkorreláció kizárásával az információforrás szimbólumkészletéből való választás bizonytalansága növekszik, tehát az átlagos információ mennyiség: Hmax = 4,76 bit/szimbólum. Másik határeset akkor következik be, amikor az valamely szimbólum bekövetkezési valószínűsége 1, az összes többié zérus. Az kifejezésben a log2 1 = 0 alakú tag értéke zérus. Problémát okoz formailag a nulla valószínűségű tagok kiszámítása. Az ellentmondást úgy oldhatjuk fel, hogy az ilyen forrásnak csak egy eleme van, amely a vizsgált közleményben biztosan előfordul, a többi önmagát zárja ki a szimbólumkészletből, ezért az információ mennyiség triviálisan zérus Redundancia A redundancia a szimbólumkészlet terjengősségét jelenti. Kifejezi, hogy az általa továbbított információ mennyire "bőbeszédű". Formálisan úgy ragadhatjuk meg a redundancia definícióját, hogy megadjuk mennyivel nagyobb a maximális entrópia a ténylegesnél és ezt a különbséget a maximális entrópiára vonatkoztatjuk. A redundancia (R) : R H H max = H max H = 1 H max H 1, 6 R= 1 = 1 = 0, 664 H 4, 76 max Az angol nyomtatott szövegben a betűk 66,4 %-a "felesleges". Ha az eredeti 27 betű helyett 2 1,6 3 szimbólumot használnánk, sokkal racionálisabb rendszert lehetne megvalósítani, de az átvitelben jelentkező "kis" hiba már végzetes félreértésekre, reprodukálhatatlan közleményekre vezetne. A mértéktartó redundancia nem minden esetben káros jelenség. E felesleg teszi megbízhatóvá az információ adás-vétel folyamatát, olvashatóvá a kézírást. A redundancia csökkentése az információ komprimálását jelenti, mely csökkenti az egyes szimbólumok közötti statisztikus kapcsolatokat, a jelkorrelációt. 8

9 2.5. Kódolás A kódolás tetszőlegesen választott szimbólumok egymáshoz rendelési szabályát jelenti. A digitális technikában kiemelt jelentősége van a bináris kódnak, mert mindössze két elemet kell reprezentálni. Pl. a TTL áramköröknél L, H szintek indikálhatók, amelyek megfeleltethetők a szimbólumkészlet 0, 1 elemének. Ebben az esetben a feszültségszinteket számjegyekké (és fordítva) kódoljuk. Közismert a személyi számítógépek ASCII (kiejtése eszki) kódtáblázata. A billentyűzeten látható szimbólumokat számok (lehet decimális, hexadecimális, bináris) hordozzák. Az e betűnek a 101, az E-nek 69 az ASCII- kódja. A Windows operációs rendszer az ANSI- kódot használja, de ismert a 852-es kódlap, amelyet a magyar ékezetes karakterek írásakor célszerű használni. A kódolás inverz folyamata a dekódolás. Triviális követelmény az információ veszteség nélküli átalakítása, melyet a kódolási, dekódolási szabályok pontos betartásával (korrekt elektronika, szoftver) lehet elérni Paritásbit Legyen egy információforrás szimbólumainak száma k=2 és elemek a 0 és az 1. Mivel 1 bájt = 8 bit és lehetőség van az egyes biteken a bináris helyértékes ábrázolásra, ezért 1 bájt 256 féle jel kódolását teszi lehetővé (ASCII kódlap). Az egyes bitek helyértékei: Például a decimális 17 bináris alakja: 27, 26, 25,24, 23, 22, 21, A paritásbit bevezetése redundáns, de a többlet információ révén hibafelderítést biztosító ábrázolást tesz lehetővé. Ha az 1 bájtból egy bitet, a legmagasabb helyértékűt a paritásbit számára foglaljuk le, akkor az adatátvitelt csak a hét alsó bit szolgálja. Hét bittel csak 0-tól 127-ig írhatók le az ASCII kódszámok. A binárisan kódolt számokban az 1 értékű elemek száma vagy csak páros, vagy csak páratlan lehet. A decimális 17 bináris alakjában páros az 1 értékű elemek száma, a decimális 16 esetében a bináris alak ( ) páratlan 1 értékű számjegyet tartalmaz. Megállapodás szerint ha a bájt hét adatbitjén páros számú 1-es bit van, akkor a paritásbit 1 lesz, mig páratlan esetben a paritásbit 0. decimális 17 binárisan (paritásbit nélkül) decimális 16 binárisan (paritásbit nélkül) decimális 17 binárisan (paritásbittel) decimális 16 binárisan (paritásbittel) Ha a paritásbittel ellátott bájtban megsérül bármelyik bit, akkor ez a hiba a paritásbit alapján felismerhető. Paritásbájt bevezetésével lehetőség van a hibás bájt javítására is. A redundancia növelésének következménye a rendszer erőforrásainak jelentős lekötése, ezért a gyakorlatban a megbízhatóság és gazdaságosság kompromisszumát alkalmazzák Információátviteli csatorna Az írott szöveg hordozója papír, de lehet mágneslemez is. A hangot legtöbbször levegőben továbbítjuk, hordozója nyomásváltozás. Hangot hordozhat mágnes szalag, lemez is. A sugárzott műsorokat elektromágneses hullám közvetíti, amely vácuumban tovaterjed. A számítógépek kapcsolatának legkorszerűbb eszköze az üvegszál. A csatorna jelvivőt jelent, amelyen át a jel bizonyos korlátok között eljut rendeltetési helyére. Már az eddig felsorolt példákból is kitűnik, hogy a csatorna lehet térbeli, időbeli. paritásbit adatbitek 9

10 A térbeli csatorna funkciója a távolság áthidalása. Az időbeli csatorna feladata a tárolás, lehetővé teszi, hogy az információt ne a keletkezés pillanatában hasznosítsuk, hanem akkor, amikor arra szükség van. Mivel a jel terjedéséhez időre van szükség, így minden csatorna térbeli és időbeli is. Ha szükséges egyik vagy másik jellemzőjét hangsúlyozzuk a szerkezet megfelelő kialakításával. Az információ a csatorna állapotában (pl. levegő nyomásában, az elektromágneses hullám valamely paraméterében, az anyag homogenitásában) hoz létre változást. Ehhez természetesen energiára van szükség. A csatorna jellemzője az a fizikai paraméter, amely az információ reprezentálásra képes. A telefon kábel villamos jelet tud továbbítani és a környezet akusztikus jeleire érzéketlen. A levegőben tovaterjedő hangot a levegő nyomásváltozásait befolyásoló jelek zavarhatják, míg pl. villamos jelekre érzéketlen. Az optikai kábelben fény hordozza az információt, de szerkezeti, de szerkezeti kialakítása olyan, hogy sem akusztikus, sem villamos, sem mágneses jelek nem zavarják, de még a nem kívánatos fény sem tud belépni A jel: Mérhető fizikai mennyiség. Analóg jel fogalma: Az analóg jel egy folyamatosan változó jel idő és amplitúdó szerint egyaránt. Leginkább abban különbözik a digitális jeltől, hogy az apró ingadozásoknak, hullámzásoknak is van jelentésük. Az analóg kifejezést többnyire elektronikus értelemben használják, bár mechanikai, pneumatikus, hidraulikus és más rendszerek is használhatnak analóg jeleket. Az analóg jel a közvetítő eszköz valamilyen tulajdonságát használja ki a jel információtartalmának továbbításához. Például a barométer mutatójának forgása révén vagyunk képesek a megfelelő jel nyomásra vonatkozó információtartalmát megjeleníteni. Elektronikus értelemben a leginkább használt tulajdonság az, hogy a feszültségváltozást szorosan követi a frekvencia, az áramerősség és a töltés megváltozása. Digitális jel fogalma: A digitális jel valamely változó jelenségnek, vagy fizikai mennyiségnek diszkrét (nem folytonos), megszámlálhatóan felaprózott, s így számokkal felírt értékein alapul (például: jel (informatika), számítógép, szélessávú internet-kapcsolatok, digitális fényképezők stb.). A digitális rendszerek sokkal inkább számokat (leginkább bináris számokat) használnak bevitelhez, feldolgozáshoz, átvitelhez, tároláshoz, vagy megjelenítéshez, mint az értékek folytonos spektrumát (ez utóbbit ugyanis az analóg rendszerek használják), vagy a nem-numerikus szimbólumokat, mint a betűk, vagy ikonok. A digitális szót leggyakrabban a számítástechnika és az elektronika területén használják, különösen azokon a területeken, ahol a való világ információit konvertálják át bináris számokká. Ilyenek például a digitális hang(zás) és a digitális fényképezés. A digitális adat-átvivő jelek az elektronikus, vagy optikai impulzus két lehetséges értéke közül az egyiket vehetik fel. A logikai 1 (van impulzus) vagy 0 (nincs impulzus) értékeket. Az ilyen rendszerű eszközöknél gyakran egy "e-" előtag utal a digitális mivoltra, mint az e- mailnél, vagy az e-könyvnél, bár nem minden elektronikus rendszer digitális. Jel: olyan fajta fizikai mennyiségek, amelyek információt, újdonságot hordoznak. Másképpen: Bednarik László 2003 jegyzetéből Olyan matematikailag megfogalmazható függvény, amely egy fizikai rendszer állapotát írja le. Általában több független változó bonyolult függvénye lehet, de leggyakrabban a fizikai rendszer viselkedését csak egy független változó, az idő függvényében vizsgáljuk. A jel független változója, az idő két alapvetően különböző matematikai leírással adható meg. Eszerint beszélhetünk diszkrét idejű, ill. folytonos idejű jelekről. A diszkrét idejű jelek esetében a jelet csak 10

11 diszkrét időpontokban értelmezzük, az ilyen jeleket számsorozatokkal írjuk le. Folytonos idejű jeleket időben folyamatosan értelmezzük és ennek megfelelően az ilyen típusú jeleket folytonos független változójú függvényekkel reprezentálhatók. Az információt hordozó függő változó amplitudójának megadása is két alapvetően eltérő osztályba sorolja a jeleket. Az amplitudó is lehet diszkrét és folytonos. A csak diszkrét amplitúdójú értékeket felvevő hullámformákat kvantált jelnek nevezzük. A gyakorlatban sűrűn előforduló jeleket osztályozhatjuk értelmezési tartományuk és értékkészletük gazdagsága alapján. Például a mikrofon kimenőjele mind értelmezési tartományban ( idő), mind értékkészletében folytonos. Amplitudóban, ill. idő szerint megkülönböztetünk négy alapvető formát. Analóg jel: a nem kvantált folytonos idejű jeleket nevezzük analóg jeleknek. Analog: görög eredetű szó, hasonlót jelent. Digitális jel: az időben és amplitúdóban is diszkrét jeleket digitálisnak nevezzük, (digitális: számjegyes) csak számokkal dolgozik, diszkrét, kvantált értékei vannak. A másik osztályozási szempont azzal függ össze, hogy mi a célunk a jel vizsgálatával. Jellegzetes feladat, hogy két jel hasonlóságát kell minősítenünk. Pl. a mikrofon helyén keletkező hangnyomás időfüggvénye és a mikrofon kimenőjele. Ilyen esetben nem ad elegendő mélységű jellemzést a mikrofon átalakítóképességéről, ha a be- és kimenőjelek hasonlóságát pusztán egyetlen, folyamatosan hangzó a hangon mérjük le: a beszéd révén keletkező, sokféle függvény (függvénysereg) vizsgálatára van szükségünk. 11

12 Determinisztikus (meghatározott, meghatározható ) 12

13 A múltbeli állapota és jelenlegi értéke alapján jövőbeni folytatása egyértelműen meghatározható. Az idő függvényében periódikus jelek értéke a t időpillanatban, ill. a ( t + n*t ) időpillanatokban ( T a periódusidő) egyenlő. Nem periódikus a jel akkor, ha nem egyenlíti ki az egyenletet. Sztochasztikus jel (véletlenszerű) A múltbeli állapota, jelenlegi értéke alapján a jövőbeni folytatása csak kisebb-nagyobb valószínűséggel állapítható (jósolható) meg. A jel lefutásának van egy jelenlegi pillanata, van egy múltja és ennek alapján nem tudjuk, hogy hogyan fog folytatódni a jel. Ezeket a jeleket nem egy pillanatban tudjuk elemezni, mérni, hanem egy tartományt adunk meg és erre tudunk jóslásokat adni. A véletlenszerű jelek vizsgálatánál nagyon fontos, hogy egy megfelelő hosszúságú ún. vizsgálati tartományt (Tv) adunk meg. A tartomány nagysága mindig a jel fizikai természetéhez igazodik. Nem stacionárius (hisztérikus) 13

14 A vizsgálati tartományra kapunk valamilyen átlagértéket. A külünböző vizsgálati tartományokra más-más átlagértéket kapunk. Az ilyen fajta jelekre jellemző, hogy nem mindegy, hogy mikor vizsgáljuk. Paraméterei: függ a vizsgálati időtartomány helyétől. Stacionárius jel (időben nem változó, állandósult) Paraméterei: nem vagy alig függnek a vizsgálati időtartomány helyétől A zaj Az információszerzésben kitüntetett szerepe van a hasznos jelnek, de tapasztalati tény, hogy vannak zavaró jelek is. Az élő beszédet a környezet akusztikus jelei zavarják, telefon vezetéken továbbított villamos jelet a szomszédos vezetékből átindukálódó feszültség, az "áthallás" vagy a légköri villamos kisülések zavarják. A hasznos jel továbbítása információátviteli csatornán együtt jár nemkívánatos zavaroknak, zajnak a jelhez való hozzákeveredésével. Az információáramlás minden pontján bekövetkezhet a zajfertőzés, a gyakorlatban a kisméretű funkciószervek jól védhetők a zajhatástól. A térben kiterjedt csatornák (pl. telefon vezeték), az időbeli csatornák (pl. pergamen, papír, mágneslemez,...) jelentős zajhatásnak vannak kitéve, ezért a zajt a csatorna minőségi jellemzéseként adhatjuk meg: u be u be csatorna u ki u ki t zaj t ábra Az ábra megadja a hasznos jel, a bemeneti feszültség időfüggvényét. Ha a csatorna zajos, akkor a zaj szuperponálódik a hasznos jelre. A kimeneti feszültség időfüggvénye a jel és a zaj eredője. Követelmény, hogy a zaj ne nyomja el a hasznos jelet. A jel- és zajteljesítmény aránya a jel-zaj viszony. Megadható nemcsak teljesítmények, hanem feszültségek arányaként is a jel-zaj viszony 14

15 2.10. Digitalizálás Az analóg jelfolyamatok jellemzője, hogy függvénygörbéjük az idő szerint folytonos és a függvény értéke egy adott intevallumban minden értéket felvehet. Analóg leképzést ad pl. egy mikrofon. A hangerőnek a jel amplitudója, hangmagasságnak a jel frekvenciája felel meg. Az analóg jel legsérülékenyebb jellemzője az amplitudó, a zaj rá szuperponálódik és a hordozott információ megváltozik. A digitális jelek rögzített amplitudójúak, s ha bináris a jel, akkor csak az impulzus jelenléte és hiánya hordozza az információt. Jelentős zajfertőzés esetén is a van jel, nincs jel jól felismerhető, ezért a digitális jel az információátvitelben kiemelt előnyökkel rendelkezik. Az információátviteli hálózatok világviszonylatban érzékelhető tendenciája a digitális technika előretörése. Problémát okoz az emberi érzékelés analóg jellege, ezért a digitális átvitel előnyei csak a térbeli csatornák jelátvitelénél használható ki. A felhasználó számára a digitális jeleket vissza kell alakítani érzékelhető analóg jellé. A jelforrások jelentős része analóg jeleket adnak kimenetükön, a digitális átvitelhez ezeket a jeleket digitálissá, majd az érzékelhetőség miatt digitálisból ismét analóggá kell alakítani. jelforrás analóg jel analóg/digitál átalakító csatorna digitális jel ábra 15

16 Az ábra az analóg/digitál (A/D) konverzió funkcionális vázlatát mutatja be. A csatornaára digitális jelek kerülnek, ezek is fertőződnek zajjal, de felismerési lehetőségük még kedvezőtlen jel-zaj viszony esetén is jó. analóg jel digitál/analóg átalakító regenerátor digitális jel emberi felfogó ábra Az átviteli csatornán a digitális jelhez zavarok is keverednek. Az ábra szerinti regenerátornak csak azt kell érzékelnie, hogy az adott helyen van vagy nincs impulzus. Ha a regenerátor -amely erősítőből, szintszabályozóból és impulzusformálóból áll- azt érzékeli, hogy az adott helyen impulzus volt, akkor kimenetére az eredeti impulzussal pontosan azonos impulzust bocsát ki. Ez könnyen lehetséges, mert a digitális rendszerekben az impulzus amplitudója és szélessége mindig ugyanazok. A regenerátor kimenetén minden zavartól mentes digitális jel jelenik meg. Problémát csak az jelenthet, ha a zajok oly nagyok, hogy az impulzus megléte már nem érzékelhető. Az ilyen durva hibák előrelátó tervezéssel kiküszöbölhetők. A digitál/analóg (D/A) konverter kimenetén visszakapjuk a kiindulási analóg jelet, amelyet az emberi felfogó a szokásos módon (akusztikusan, vizuálisan) érzékel. Az információt hordozó jelek többsége analóg jel. Ezek tehát digitális átvitelre közvetlenül nem alkalmasak. Az analóg/digitális konverziót a következő folyamatokkal lehet megvalósítani: mintavételezés, kvantálás, kódolás Mintavételezés A mintavétel olyan folyamat, amelyben egy folytonos időfüggvényből meghatározott időpontokban mintákat veszünk, azaz a kérdéses időpontokban meghatározzuk a függvény értékét. A mintavételi tétel szerint bármely sávhatárolt analóg jel információ veszteség nélkül továbbítható úgy is, ha a teljes időtartamú átvitel helyett csak a kellő sűrűségű mintákat továbbítjuk. Az időegység alatt vett minták számát nem választhatjuk meg az analóg jel tulajdonságaitól függetlenül. Pl. egy kazánban lévő viz hőmérséklete időben lassan változó analóg jel. Ugyancsak analóg jel a telefon vezetéken átvitt jel. Értelmetlen lenne a kazán víz hőmérsékletéből másodpercenként több ezer mintát venni. A rendszer hő tehetetlensége miatt elegendő 16

17 percenként, negyedóránként,... mintát venni. A telefonhang reprodukálhatósága miatt már viszont másodpercenként több ezer mintára van szükség. A mintavételezés gyakorisága egy fmax felső határfrekvenciás jelnél legalább f minta = 2 f max (1.13.1) frekvenciájú kell, hogy legyen. Pl. egy telefon - beszédcsatorna sávhatárolt jele 300 Hz... 3,4 khz tartományba esik, a jel maximális frekvenciája 3,4 khz és ennek kétszerese (6,8 khz) a mintavételi frekvencia. A mintavétel periódusideje: t minta = 1/f minta Telefon esetében a mintavétel periódusideje 1/6800 s = 147 µ.s. Tehát 147 mikro szekundumonként mérve a telefon vezetékben a villamos jel feszültségét, a kapott minták alkalmasak a teljes időtartamú jel reprezentálására Kvantálás Az analóg jel egy adott intervallumban minden értéket felvehet. A konverzió végterméke digitális jel, amelyet meg lehet jeleníteni 1 bájton (8 bit), másfél bájton (12 bit),... ez a gyakorlat számára azt jelenti, hogy a minták végtelen sok értékű amplitudóit kell 256, vagy 4096 lépcsőre bontani. Azaz a minta amplitudókat kell meghatározott intervallumokba sorolni. Ez a kvantálás folyamata. Ellenőrző kérdések: 1. A jel fogalma és leírásának módjai! 2. Hogyan értelmezzük a diszkrét és folytonos idejű jeleket? 3. A jelek osztályozása az értelmezési tartomány és értékkészlet gazdagsága alapján. 4. Rajzolja le és nevezze meg a négy alapvető formát, írjon ezekre példát? 5. Mi a különbség az analóg és digitális jel között? 6. Hogyan osztályozhatjuk még a jeleket. Rajzolja le? 7. Mit értünk determinisztikus jelek alatt? 8. Hogyan definiálható egy periódikus jel? 17

18 3. Mi jellemzi a sztochasztikus jeleket?neumann elvő számítógépek felépítése A Neumann-elvek: soros utasítás-végrehajtás (az utasítások végrehajtása időben egymás után történik. Ellentéte a párhuzamos utasításvégrehajtás, amikor több utasítás egyidejűleg is végrehajtható) kettes (bináris) számrendszer használata belső memória (operatív tár) használata a program és az adatok tárolására teljesen elektronikus működés széles körű felhasználhatóság, alkalmasság bármilyen adatfeldolgozási feladatra (a számítógép univerzális Turing-gépként működik) központi vezérlőegység alkalmazása A számítógép részei A számítógéppel végzett munka folyamata bevitel ==> tárolás ==> feldolgozás ==> kivitel A számítógép 3 fő része Központi egység Részei: központi feldolgozó egység (CPU = mikroprocesszor) vezérlőegység (CU): szerepe a számítógép működésének, tehát a műveletek program szerinti végrehajtásának az irányítása is. Ez az egység rendszerint a következő négy részegységből épül fel: programszámláló a soron következő utasítás címét jelöli ki. Mindenegyes utasítás kiolvasása után az órajelgenerátor a programszámláló tartalmát eggyel megnöveli. A programszámláló így biztosítja az utasítások lépésről lépésre való elérését. veremtár- (memória-cím) mutató A veremmutató (SP Stack Pointer) és a veremtár (Stack) szerepe alprogramok (más néven szubrutinok) alkalmazása esetén nyilvánul meg. A programozás egyszerüsítésének legfontosabb segédeszköze a szubrutin. Különböző vagy azonos feladatot leíró programban megtörténhet, hogy azonos részek 18

19 többször fordulnak elő. Ezeket úgy célszerű felállítani, hogy a program bármelyik részén közvetlenül fel lehessen használni. Azt a programrészt, amelyet a program különböző helyein használnak fel, de csak egyszer programoznak be, szubrutinnak nevezik. Utasításdekódoló (andolul: Instruction Decoder) a vezérlőegység legfontosabb része. Szerepe abban nyilvánul meg, hogy az utasításokat ábrázoló kódszámokat megfelelő vezérlőjelekké alakítja át. A vezérlőjelek egy része közli az aritmetikai és logikai egységgel a végrehajtandó művelet típusát. A vezérlőjelek másik része a számítógépen belüli információáramlást ellenőrzi és szabályozza. Órajelgenerátor (Clock Generator, Timing Unit) állítja elő a gép időbeni működéséhez szükséges vezérlőjeleket. Ezek rendeltetései a következők: az aritmetikai és logikai egység vezérlése (az utasításdekódoló által jelzett művelet elvégzése), az információk kiolvasása és beírása a memóriába, a ki/beviteli egység működésének vezérlése és a vezérlőegység időbeni működésének irányítása. aritmetikai és logikai egység (ALU): (ALU Arithmetic and Logic Unit), amint az elnevezése is mutatja, azon aritmetikai és logikai műveletek végrehajtását teszi lehetővé, amelyekkel a program által meghatározott számolási és logikai műveletek sorozata végezhető el. 19

20 4. CPU-k mőködési elve 4.1. Mőveletek elvégzése logikai áramkörökkel Kapuáramkörök, logikai áramkörök: -A kapuáramkörök olyan egy vagy több-bemenetű logikai áramkörök, amelyek egy meghatározott logikai műveletet valósítanak meg. A számítógép kétállapotú jelekkel dolgozik. Az adatokat kettes számrendszerben ábrázoljuk. Számrendszerek Az ember a tízes számrendszert,a számítógép a - technikailag legegyszerűbben megvalósítható - kettes számrendszert használja. A számítógép-ember kommunikációban az - egyszerűbb felírhatóság kedvéért - a tizenhatos számrendszer alkalmazott. Így az adatábrázolás előtt ismerkedjünk meg a számrendszerekkel. Ennek alapján rögzítsünk néhány számrendszerrel kapcsolatos alapfogalmat: Alapszám: Az egyes helyértékeken szerepelhető különböző együtthatók száma. A tízes számrendszer esetén: 10 Helyérték: Az alapszám egészkitevős hatványai. A tízes számrendszer esetén: 10 0, 10 1, 10 2, 10 3 Együttható: Az egyes helyértékeken szereplő szorzók. A tízes számrendszer esetén: 0,1,2...9 A szám értékének meghatározása: Szám = (együttható * helyérték) Pl: 2* * *10 + 7*1 = 2657 A bináris számrendszerben is - hasonlóan minden más számrendszerhez - helyértékek vannak, melyek a kettő hatványai szerint jobbról balra növekednek. Alapszám: 2 Együtthatók: 0,1 A számítógépben egy bináris helyértéket bitnek nevezünk, melynek állapota - a bináris számrendszer együtthatói alapján - 0 vagy 1 lehet. Műveletvégzés a kettes számrendszerben a) Bináris összeadás Az összeadás műveleti szabályai: = = = = = 11 Példa a bináris összeadásra a decimális megfelelőjével történő ellenőrzéssel: 20

21 Identitás Igazságtáblázat Áramköri kapcsolás kapcsolóval Áramköri kapcsolás tranzisztorral A logikai kapu rajzjele A X A X X X 1 A Negálás (NOT) Igazságtáblázat Áramköri kapcsolás kapcsolóval Áramköri kapcsolás tranzisztorral A logikai kapu rajzjele A X A X A X A 1 X ÉS (AND) Igazságtáblázat Áramköri kapcsolás kapcsolóval Áramköri kapcsolás tranzisztorral A logikai kapu rajzjele A B X A B X A X A B & X B VAGY (OR) Igazságtáblázat A B X Áramköri kapcsolás kapcsolóval A X Áramköri kapcsolás tranzisztorral X A logikai kapu rajzjele A B 1 X B A B 21

22 KIZÁRÓ VAGY (XOR) Igazságtáblázat A B X A logikai kapu rajzjele A B XOR X Egybites félöszeadó A B C AND Σ XOR A B A B & XOR S C Teljes összeadó A B 1/2 S C A B 1/2 C S Cin A B 1 C 4.2. A CPU-k alapvetı építıelemei Vezetők Az elektromosan vezető anyagok kristályos szerkezetűek. A kristályban az atomok nagyon közel vannak egymáshoz (a rácsállandó kicsi), ezért a szomszédos atomok közösen használják a vegyértékelektronjaikat. A sávszerkezetben ez azt jelenti, hogy a közös elektron egyaránt tartozik a vezetési és a vegyérték sávhoz, vagyis a két sáv részben fedi egymást. A kristályban sok szabad elektron van, ennek következtében az anyag jól vezet, fajlagos vezetőképessége nagy Szigetelők Szigetelőnek (vagy dielektrikumnak) nevezzük azokat az anyagokat, melyek az elektromos áramot elhanyagolható mértékben vezetik. Az elektromos ellenállásuk jellemzően 1012 Ω felett van. A szigetelőkben a tiltott sáv szélessége nagy, nagyobb mint 3 ev (kb. 0,5 aj), amelyet szobahőmérsékleten csak nagyon kevés elektron képes 22

23 megszerezni. A szigetelő anyagokban ezért kevés szabad elektron van, az anyag vezetőképessége kicsi. Gyakorlatilag nem vezet, szigetel. Ideális szigetelőben egyetlen szabad töltéshordozó sincs. Az atomok hőmozgása miatt a gyakorlatban ilyen nem fordul elő, vagyis szigetelő anyagainkra inkább rossz vezető elnevezést kellene használni. A szigetelő anyagok a gázok, az olajok, a szilárd halmazállapotúak közül az üveg, műanyagok, kerámiák, csillám stb. A desztillált víz is inkább szigetelő, míg a különböző sókat tartalmazó víz már vezető Kondenzátor Az olyan két vezetőből álló rendszert, melynek egyik tagjára + Q, másikra Q töltést viszünk, kondenzátornak nevezzük. A kondenzátor szó, sűrítőt jelent és Volta olasz fizikus nevéhez fűződik. Az első kondenzátorok leydeni palackok voltak, melyeket Jedlik Ányos is továbbfejlesztett. A kondenzátor nagy mennyiségű töltést képes tárolni. Jellemzésére a kapacitás szolgál. A vakuban az elem néhány voltos feszültségét egy elektronikus áramkörrel 200 V-ra növelik és ezzel néhány másodperc alatt egy kondenzátort töltenek fel. A fényképezés pillanatában a kondenzátor egy villanócsőhöz csatlakozva kisül. Az elektronikában sokféle kondenzátort használnak, melyeket alakjuk (sík, gömb, henger) és szigetelőanyaguk (levegő, papír, csillám, olaj) szerint különböztetünk meg Félvezetők: Tranzisztor, dióda Félvezetők alatt olyan kristályos szilárd anyagokat értünk, amelyeknek fajlagos 23

24 elektromos vezetése közönséges hőmérsékleten l0-9 - l0 3 Ω-1cm-1, azaz kevesebb, mint a fémeké és több mint a szigetelőké, és amelyekben a vezetést elektronok közvetítik. Vannak elemi félvezetők, mint a szilícium vagy a germánium, és vegyület-félvezetők, pl. a gallium-arzenid (GaAs). A legfontosabb félvezető anyag napjainkban a szilícium. Nagyon alacsony hőmérsékleten a félvezető szigetelőként viselkedik, de szobahőmérsékleten sajátvezetésük van. A másik jellemző tulajdonságuk az ellenállásuk hőfokfüggése. A félvezetők ellenállása a hőmérséklettel exponenciálisan csökken. A félvezetőket az elektronikában már több mint 50 éve használják. Belőlük épül fel az egyenirányító dióda, a tranzisztor, és még sok más elem (tirisztor, LED, fotodióda). Elemi félvezető anyagok, amelyek tiszta állapotban rendelkeznek a fenti tulajdonságokkal: a germánium (Ge) a szilícium (Si) és a szelén (Se). Szilárd oldat típusú félvezetők: a galliumarzenid (GaAs), gallium-aluminium-arzenid (GaAlAs), indium-antimonid (InSb), sziliciumkarbid (SiC), ólom-tellurid (PbTe), stb. Létezik még néhány vegyület, amely félvezető tulajdonságokat mutat: ólom-szulfid (PbS), a titán-oxid (TiO2) és a réz-oxid (Cu2O) műszaki nevén kuprox. A p-n átmenet egy n-típusú félvezető és egy p-típusú félvezető találkozásánál alakul ki. Ilyenkor a szennyező atomok eloszlása megváltozik. A p-n átmenet a két különböző szennyezettségű anyag határán jön létre, és csak néhány µm vastagságú. A két réteg érintkezésénél a töltéshordozók koncentrációkülönbsége miatt diffúzió indul meg. A koncentráció különbség miatt a p oldalról az n oldalra megindul egy diffúziós áram vándorlás, és középen, a tértöltési zónában rekombinálódnak. Miután a töltések elvándoroltak, a helyhez kötött töltések egy E diffúziós potenciált hoznak létre. A kisebbségi töltéshordozók, pedig driftáramot hoznak létre a kiürített részbe való vándorlással. Ezután energia egyensúly alakul ki A p-típusú félvezető Csak lyukak útján vezető félvezetőt 3 vegyértékű adalékanyaggal (pl. indium, gallium) történő szennyezéssel lehet előállítani. Az indium atom beépül a félvezető pl. Si kristályszerkezetbe, de - mivel csak három vegyértékelektronja van - a kristályszerkezetben egy vegyértékelektron hiányzik, azaz egy lyuk van jelen. Előfordulhat, hogy a kristályszerkezet egy más pontjáról a hőmozgás hatására elszabaduló vegyértékelektron e lyukba ugrik be, rekombinálódik, és ezzel a pozitív töltésű lyuk átkerült arra a helyre, ahonnan az elszabadult vegyértékelektron távozott. A létrejött lyuk tehát ugyanúgy viselkedik (ugyanolyan töltéshordozó), mint amilyen a tiszta félvezető anyagban a hőenergia hatására létrejött lyuk. Mivel az indiumatom átvesz egy elektront a Si atomtól, akceptor anyagnak nevezik. Az akceptor szennyezéssel létrehozott félvezetőben a töltéshordozó a pozitív töltésű lyuk, ezért p típusú félvezetőnek nevezik. 24

25 Az n-típusú félvezetők A félvezető elektronikus eszközök előállításához olyan félvezetőkre van szükség, ahol főként vagy az elektronok, vagy a lyukak vezetik az áramot. Ezért e célra a tiszta (szennyezésmentes) félvezetők önmaguk nem alkalmasak, a megfelelő félvezető anyagot szennyezéssel hozzák létre. Csak elektronok útján vezető félvezető valamely 5 vegyértékű anyaggal (pl. arzén, antimon) való szennyezéssel állítható elő. Az arzénatom a kristályrácsban a szilícium atom helyére kerül. Öt vegyértékelektronja közül négy a kristályszerkezetbe beépül, az ötödik pedig az atommal csak laza kötésben marad. Szobahőmérsékleten ez az elektron már elszakad az atommagtól, és a kristályrácsban rendezetlen hőmozgást végez. Az arzénatom az ötödik elektron elszakadásakor pozitív töltésűvé válik, de az egész kristály - az elszakadt elektron jelenléte miatt - továbbra is villamosan semleges lesz. Az 5 vegyértékű szennyező anyag egy szabad elektront ad a kristálynak, ezért donor (adó) anyagnak nevezik. A donor szennyezéssel létrejött félvezetőben a szabad elektronok vannak túlsúlyban, melyek töltése negatív. Ezért a létrejött szennyezett félvezetőt negatív, azaz n típusú félvezetőnek nevezik. 25

26 5. Memória 5.1. Elektronikus memóriák A RAM (Random Access Memory) véletlen elérésű írható és olvasható memória. A RAM az a memóriaterület, ahol a processzor a számítógéppel végzett munka során dolgozik. Ennek a memóriának a tartalmát tetszőleges sorrendben és időközönként kiolvashatjuk vagy megváltoztathatjuk. A RAM-ot más nevén operatív tárnak is nevezzük. A ROM (Read Only Memory) csak olvasható memória, amelynek tartalmát a gyártás során alakítják ki, más szóval beégetik a memóriába. Az elkészült ROM tartalma a továbbiakban nem törölhető és nem módosítható, a hibás ROM-ot egyszerűen el kell dobni. Előnye azonban, hogy a számítógép kikapcsolásakor sem törlődik, a beégetett adatok bekapcsolás után azonnal hozzáférhetőek. Mivel a számítógép működéséhez valamilyen program elengedhetetlen, a RAM memória viszont a bekapcsoláskor üres, ezért a számítógép életre keltését szolgáló indítóprogramot, a BIOS-t (Basic Input Output System) egy ROM memóriában helyezik el. A BIOS-t ezért gyakran ROM BIOS-ként is emlegetik. Az elektronikus digitális számítógép műveleti memóriája (memóriaegysége) adattárakból (tárolókból) áll. Minden adattár címezhető memóriaelemekből (rekeszekből) tevődik össze, ezekben raktározódik el a program, a számok, a műveletek részeredményei. A személyi számítógépek (PC) elterjedésével a szó szervezésű számítógépek helyét a byte szervezésű számítógépek vették át. Egyegy memóriaelem 1-8 byte hosszúságú is lehet. A memóriahely jelölésére szolgáló sorszámot nevezzük címnek. Megkülönböztetünk operatív tárat (memória) és külső adattárakat. A bit és a bájt fogalma: Bit: A BInary digit szavak angol rövidítéséből ered, ami kettes számrendszerbeli számjegyet jelent. Az információ alapegysége (legkisebb egysége). Ha egy eldöntendő kérdésről tudjuk hogy igaz-e vagy hamis, akkor 1 bit információval rendelkezünk. A bit kétféle értéket vehet fel: igaz (1) és hamis (0) Ennek megfelelően n biten 2 n információ tárolható el. Bájt Az információ egysége. 8bit=1bájt. Ennek megfelelően 1 bájton (8 biten) 2 8 =256 különböző érték eltárolása lehetséges. DRAM (Dinamikus RAM 1 ) A DRAM-ok celláiban az információt egy kondenzátor tárolja, amely a szivárgási áram miatt hamar elveszti töltését, ezért 2-4 ms-onként újra fel kell tölteni. Ezt a folyamatot frissítésnek hívják. A dinamikus RAM-okkal akár 4-szeres kapacitás is elérhető azonos méretben, hiszen egységnyi felületen több cella integrálható, mint az SRAM-nál, ezen kívül a címkivezetések száma a felére csökkenthető. A DRAM-ok, mint integrált áramkörök az említett két ok miatt jóval bonyolultabbak, mint bármely egyéb félvezetős társaik, viszont előállítási költségük, és sebességük is lényegesen alacsonyabb, mint az SRAM-oké. SRAM (Statikus RAM) Az SRAM-ok tárcellái un. bistabil flip-flopok (egybites kétállapotú tárolóáramkörök). Memóriafrissítésre nincs szükségük. Működési sebességük megközelíti a processzor sebességét. Előállításuk költségei magasak. Flash memória Működéséi elvében az EEPROM-hoz hasonló, de a funkcióját tekintve, inkább a merevlemezhez hasonlítható, mint a hagyományos memóriához. A flashmemória kikapcsolt állapotban is megőrzi az adatokat. Az egyes cellákban tárolt feszültség adott határok közötti értéke felel meg a tárolandó bináris információnak. Az újabb típusok egyetlen cellája több bit tárolására is képes. A 1 RAM: Randomize Access Memory=Véletlen eléréső memória azt jelenti, hogy a memóriában véletlenszerően kiválaszthatunk egy helyet, ugyanannyi idı alatt kapjuk meg a memóriából az adatot. 26

27 5.2. Ellenırzı kérdések: működés a RAM-okhoz képest a törlés időigénye miatt elég lassú. A gyorsítás érdekében a törlés blokkonként történik, mégpedig oly módon, hogy a vezérlő kiolvassa a blokk tartalmát, törli a területet, majd újraírja az adott területet, de most már a felesleges adatok nélkül. A flash-memóriák akkor is megőrzik állapotukat, ha nincsenek feszültség alatt, így a cserélhető médiumok kiváló alapjául szolgálhatnak. (A flash-memória is felejt, de ennek időtartama években mérhető.) Előnyként szokták még megemlíteni a zajtalan működést, a kicsi és könnyű méretet valamint a háttértárakhoz képest rendkívül gyors elérési időt. 1. Ismertesse a Neumann-elvű számítógépek felépítését 2. Ismertesse a Neumann- elveket 3. Mire jók a kapuáramkörök? 4. Miért fontos a kettes számrendszer? 5. Mi a számrendszer alapszáma, helyi értéke, mit jelent az 1011 kettes számrendszerben, mit jelent a 123 tízes számrendszerben, és a 123 tizenhatos számrendszerben felírt szám? 6. Mivel jellemezhető egy logikai függvény? 7. Jellemezze igazságtáblázattal, mechanikus kapcsolóval megvalósított áramköri kapcsolással, tranzisztoros áramköri kapcsolással, a logikai kapu rajzjelével az identitás, NOT, ÉS, VAGY, XOR logikai függvényt. 8. Mire használjuk a tranzisztort a logikai függvények megvalósításakor? 9. Jellemezze a vezető anyagokat! 10. Jellemezze a szigetelő anyagokat! 11. Jellemezze a félvezető anyagokat! 12. Hogyan tehetjük vezetővé a félvezető anyagokat? 13. Ismertesse az szilícium kristály félvezetőt! 14. Ismertesse az Indiummal szennyezett szilícium kristály tulajdonságait. 15. Ismertesse az Arzénnel szennyezett szilícium kristály tulajdonságait. 16. Mi a P-N átmenet, hogyan jön létre, mi a szerepe? 17. Mi a kondenzátor, mire használjuk? 18. Mi a bit? 19. Mi a bájt? 20. Mi jellemzi, miből épül fel: DRAM, SRAM, Flash memória? 27

28 6. Mágneses elvő háttértárak A háttértárak hosszú ideig, a tápfeszültség kikapcsolása után is megőrzik a számítógépen végzett munkánk eredményeit, illetve a gép működtetéshez szükséges programokat. A háttértárakon az éppen nem futó alkalmazásokat, eredményeket, adatokat tároljuk, sokkal nagyobb a tárolókapacitása, mint a memóriának, viszont lassabb sabb a hozzáférése. A háttértárak alapvetően két fajtáját különböztetjük meg, írható, olvasható, ilyen háttértárak pl.: a hajlékonylemezes tároló (floppy disk), merevlemezes tároló (winchester). háttértárak másik csoportja a csak olvasható háttértároló, ilyen háttértár pl: a CD-ROM, DVD-ROM Winchesterek A winchester olyan elektromechanikus tárolóberendezés, amely az adatokat mágnesezhető réteggel bevont merev lemezen tárolja, a forgó lemez felett mozgó író/olvasó fej segítségével A mágneses információt hordozó anyag a mágnesezhető réteggel bevont merevlemez. A lemez állandó fordulatszámmal forogva elhalad a fej előtt, mégpedig úgy, hogy fizikailag nem érintkezik vele. A lemez forgásából származó légmozgás felhajtó erőt gyakorol a fejre, a fejet pedig torziós rugó nyomja a lemez felé. A két erő kiegyenlítődése következtében a fej a lemez felületétől mért néhány tized mikrométerre repül. A winchester elnevezés arra utal, hogy a lemez felett mozgó fejek a diszk kikapcsolása után a lemez parkolásra kijelölt felületén landolnak, illetve bekapcsoláskor onnan emelkednek fel. A nem winchester rendszerű diszkek esetében a fejek a lemezen kívül parkolnak, illetve onnan viszi be a fejmozgató mechanika a lemez felülete fölé Floppy lemez és meghajtója 2011-ben már szinte sehol sem használják a technológiát áprilisában jelentették be a 30 év után leállnak a hajlékonylemez gyártásával - a tervek szerint 2011 márciuában. A Verbatim ennek bejelentésének hatására továbbra is folytatja a flopilemezek gyártását. Sokak k gondolnak vissza könnyes szemmel a régi szép időkre, amikor még egy köteg floppyval jártunk az ismerősünkhöz, hogy megszerezzük a legújabb játékokat. Sokszor kellett többször megtennünk az utat, hiszen 4-5 floppyval csak 2-3 fordulóval tudtuk megszerezni a 12MB-os szoftvert. A mai értelemben vett mágneses adattárolás első megvalósítása az IBM által 1971-ben piacra dobott a mágneses hajlékonylemezben (Floppy Disk Drive) vált valóra, amit angol floppy szó után magyarul floppi - 28

29 nak neveznek. Maga a floppy egy kis kapacitású, elég kicsi elérési sebességű eszköz. Az 1980-as/'90-es évekre tehető a floppy-k aranykora, amikor a PC-k elengedhetetlen alkatrésze volt ezen eszköz. Windows alatt az első FDD-meghajtó az A: betűjelet kapta, míg az esetleges második FDD kapta a B: betűjelet. Az írási sűrűség a technológia haladásával változott, mivel az eredeti normál sűrűségű (SD) írást felváltotta az egy mérettel kisebb, de dupla sűrűségű (DD) lemez, majd jött a még kisebb, immár HD lemez. Eleinte a lemez csak egyoldalasak voltak (Single Side = SS), majd jöttek a piacot eluraló duplaoldalas (Double Side = DS) lemezek. A kisebb felbontású, régebbi lemezek gyakorlatilag eltűntek a piacról, míg a nagy felbontású (120 MB-os vagy nagyobb) floppy-k a nem egységesített szabvány miatt nem igazán terjedtek el. A saját magam által használt külső 120-as floppy sebessége kb. 5-szöröse volt a hagyományosénak, ám kimondhatatlanul nagy előny, hogy egyszerre 83-szor annyi információ fér el rajta. Az új típusú floppy-meghajtó szerencsére tudja olvasni a hagyományost is, már ha bírja a megnövekedett terhelést a régi lemez anyaga. Maga a 120-as külső meghajtó kb. 20 ezer Forintba került, míg az egyes lemezekért 2-4 ezer Forintot kellett adnunk. A floppy-korszak végét egyrészt az írható CD-k (CD-R) radikális árcsökkenése, másrészt a PenDrive-ok elterjedése okozta. Az utolsó rúgást az adta, hogy a floppy-k a kísérletezgetés ellenére sem tudták növelni a tárkapacitásukat, míg a PenDrive tárhelyének mérete egyre nagyobb és nagyobb lett. Működése: az író-olvasófej fizikailag rányomódik a lemezre és a meghajtómotor segítségével megforgatott diszket így teszi olvashatóvá, illetve írhatóvá. Maga a meghajtómotor elvileg adott sebességet diktált minden 1,44 MB-os lemeznél, de ez a gyakorlatban nem így történt, mivel pár %-os eltérés volt az egyes meghajtók között, ami sajnos a lemezek időnkénti olvashatatlanságát eredményezte. Logikai felépítése: a lemez felületét koncentrikus körökre osztották fel. A legelső sáv a legbelső kör, amit további részekre osztva kapjuk meg az egyes szektorokat. Minden egyes szektor tárkapacitása: 512 byte Mágnesszalag, streamer A régi gépekben szalagos adattárolókat alkalmaztak. A videókazettát és a magnókazettát mindenki ismeri, de egy streamert már nem ismernek fel. A képen az IBM mágnesszalagos adattárolását láthatjuk. Felépítése: Két részből áll: Az adatok tárolását végző adathordozó (mágnesszalag): Műanyag, szalag formában kialakított hordozóra felvitt mágneses réteg. A meghajtó (drive) tartalmaz egy villanymotort, ami a szalagot mozgatja (tekeri), valamint egy elektronikai és mechanikai elemekből álló szabályozó szerkezetet, ami biztosítja az író-olvasó fejek és a szalag felülete közötti igen kis távolság folyamatos megtartását. Működése: A mágneslemezes egységekkel ellentétben itt nem mozdulnak el az író-olvasó fejek (2 db), hanem az adathordozó szalag mozdul el a fejek között. Az adatok tárolása hasonló a 29

30 kazettás magnetofonokhoz, és mivel velük az adatokat csak sorosan, azaz a felvitel sorrendjében lehet elérni, elsősorban adatok archiválására használatosak. Jellemzők: A streamerek ára nagyjából azonos a winchesterekével, de az adattároló kazetták lényegesen olcsóbbak, és külön is megvásárolhatók. Így elsősorban ott érdemes felhasználni, ahol nagy tömegű adatot kell nap mint nap archiválni. Hátránya a winchesterrel szemben az adattárolás módjából következik, mivel a nagy tömegű adatok írása és olvasása csak sorosan történhet, sokkal több időt vesz igénybe pl. egy adat megkeresése. Az egyre nagyobb kapacitású merev lemezes egységek adatainak védelme, mentése sok gondot okoz. A szalagos tárolókat jól alkalmazhatjuk mentések végzésére. Az elérhető kapacitás 40Mb és 10Gb közé, az adatátviteli sebesség 1-10Mb/perc nagyságrendbe esik. Felhasználás előtt a szalagokat formázni kell. Ez meglehetősen időigényes, 120 Mbyte-os, QIC-80 szabványú szalag formázásához 2.5 óra szükséges. A formázott szalagra egy vagy több blokkban írhatunk fel fájlokat, de egy blokkon belül a fájlok nem modosíthatók, csak az egész szalagot vagy az utolsó blokkot lehet törölni A mágneses jelrögzítés elve Egy nem mágnesezhető mechanikai hordozóanyagra mágnesezhető réteget (vas, kobalt, nikkel ötvözeteket) visznek fel. A mágnesezhető réteg úgy tekinthető, mintha elemi mágnesekből állna, amelyek egy tekercs előtt haladnak el. Ha a tekercsbe megfelelő áramot vezetünk, az elemi mágnesek egyik vagy másik irányba mágneseződnek attól függően, hogy milyen irányú az áram a tekercsben. Az elemi mágnesek ezt az állapotukat hosszú ideig megtartják. Ha ezután a mágneses adathordozót ismét elmozdítjuk egy tekercs előtt, amelyben természetesen nem folyik áram, akkor ezek az elemi mágnesek elhaladva a tekercs előtt, abban feszültséget hoznak létre, indukálnak. Ez az indukált feszültség a rögzített jelnek felel meg, amit a gépben megfelelően felerősítve és átalakítva vezérlésre használhatunk. Az anyagok mágneses tulajdonságait elemi köráramok határozzák meg. Az elektronok mag körüli (pályamomentum) és tengely körüli mozgása (spin) az anyagok mágneses jellemzőinek forrása. Az írás folyamata látható a fenti ábrán. Rögzítéskor a fej és a mágneses hordozó egymáshoz képest mozog. A rögzítendő információ idő függvény, a tárolás valójában térbeli leképzést jelent. Az írófej lényeges tulajdonsága a rés, itt a mágneses indukcióvonalak kitüremkednek és a mágneses hordozón keresztül záródnak. Merevlemezes tároló (hard disk drive, HDD). Adathordozója merev, mágnesezhető felületű (fém) lemezkorong. A lemezek itt nem cserélhetők, ugyanis a meghajtóval egybeépítettek, és több is lehet egymás felett egy tengelyen. A lemezek és a meghajtó légmentesen záródó tokban 30

31 helyezkednek el, mert az oldalakhoz tartozó író-olvasó fejek olyan közel vannak a lemezfelülethez (0,3 μm), hogy egy porszem is komoly károkat okozhat. A lemezek állandóan forognak, forgási sebességüket rpm-ben adják meg Egy winchesterben több lemez is van: mindegyikhez két fej tartozik: alul-felül egy. 31

32 6.5. Anyagok mágnesezhetısége, Mágneses anyagok Az anyagok különböző mágneses tulajdonságainak megértéséhez és magyarázatához két tényt kell figyelembe venni: az elektromos áram mágneses teret hoz létre a környezetében az elektronok (elektromos töltések) pontosan meghatározott pályákon keringenek az atommag körül, és közben saját tengelyük körüli forgást is végeznek. Abból, hogy az elektromos áram mágneses teret kelt, már korán arra következtettek (Oersted, 1820), hogy az anyagok mágneses tulajdonságait elemi áramok határozzák meg (Ampere, 1825). Ezt a felfedezést erősítette meg Bohr 1913-ban megalkotott atommodellje is, amely szerint egy pozitív töltésű mag körül negatív töltésű elektronok keringenek jól meghatározott pályákon. Az e töltésű, v sebességgel keringő elektron keltette áram hatására H térerősségű mágneses tér alakul ki. További kutatások során megállapították, hogy az elektronok a pályakeringésen kívül saját tengely körüli forgást is végeznek, amit spinnek neveznek. A klasszikus szemlélet szerint, de a kvantummechanikai értelmezés alapján is az elektron (a többi elemi részecskéhez hasonlóan) hullámtermészetű, amire a forgás nem értelmezhető. Ezért a spint célszerű az elektronra jellemző, más adatoktól független mechanikai adatnak tekinteni. Ebből a forgó mozgásból is származik egy, a mágneses viselkedést erősen meghatározó mágneses momentum. A mágneses momentum arra utal, hogy az atom mágneses dipólust képez. A rúdmágnes pl. mágneses dipólus. Az atom mágneses momentumának tehát két összetevője van: a spinből eredő, és a mag körül keringő elektronokból eredő mágneses momentum. Ezekhez járul még a mag saját mágneses momentuma, amelynek hatása nagyon csekély, ezért az első két tényező mellett általában elhanyagolható. A különböző anyagok viselkedését külső mágneses térben csak az atom mágneses momentumának nagysága és iránya határozza meg. Ilyenkor az elektronok forgását és mag körüli keringését megzavarja, hogy mágneses terük a külső térrel együtt eredő teret alkot. Ez erőt gyakorol a kialakult "pörgettyűre", amely mint minden erőhatás alatt álló pörgettyű, precessziós mozgást végez. Az így kialakult mozgásból származó mágneses momentum iránya a külső térrel ellentétes. Ha külső mágneses térbe próbatestet helyezünk, akkor az eredő mező és a test viselkedése csak atomjainak saját mágneses momentumától függ. 32

33 Az elemek periódusos rendszere Elektronpályák 1s 2p x 2p y 2p z z 3d X 2 - y 2 3d z 2 x y 3dyz 3dxz 3dxy 33

34 Diamágnesség A diamágneses anyagok jellegzetes tulajdonsága, hogy bennük a spin- és a pályamomentum semlegesítik egymást, ezért normális állapotukban nincs kifelé irányuló mágneses momentumuk. Korábban már említettük, hogy csak külső tér hatására alakul ki egy azzal ellentétes irányú eredő mágneses mező. Ha diamágneses anyagból készült próbatestet homogén mágneses térbe helyezünk, akkor a próbatestnek a külső tér hatására kialakuló, azzal ellentétes irányú tere a homogén térrel összegződik és gyengíti azt. A térerősség a test közelében csökken. A diamágneses anyagból készült próbatest hatására a környező homogén mágneses tér mintegy elvékonyodik a test közvetlen környezetében A relatív permeabilitása (A mágneses permeabilitás az az anyagra jellemző mennyiség, amely a (B) mágneses indukció és a (H) mágneses térerősség arányát adja meg: ) 1-nél kisebb, de 1-hez nagyon közeli érték, a szuszceptibilitása (Egy anyag mágneses szuszceptibilitása megmutatja, hogy az anyagra ható mágneses tér milyen mértékben mágnesezi át) pedig negatív. Mindkettő a mágneses térerősségtől és a hőmérséklettől független anyagállandó. A leírt módon viselkedő anyagokat diamágnesnek nevezzük. A legtöbb nemfémes szilárd test (pl. üveg), valamint pl. a réz, arany, ezüst, cink, higany, germánium és ólom diamágneses. Az ilyen anyagokat az erősen inhomogén mágneses tér taszítja Paramágnesség Egyes anyagokban a kétféle mágneses momentum (a spin és a pályamomentum) nem semlegesíti egymást teljesen. Ez azt jelenti, hogy az anyag minden atomjának van mágneses momentuma, azaz mágneses dipólusként viselkedik. Az ilyen próbatest önmagában mégsem mutat mágneses tulajdonságokat, mert az atomok mágneses nyomatékai statisztikailag rendszertelen irányokba mutatnak. Külső mágneses tér hatására azonban a próbatest atomjainak momentumai a tér irányába rendeződnek (paramágneses hatás). Ehhez az szükséges, hogy a külső tér elég erős legyen a hőmozgás leküzdésére. Ha ez teljesül, akkor az atomok nyomatékainak rendeződése csökkenti a mágneses ellenállást, azaz növeli a fluxussűrűséget és ezáltal gyenge (makroszkopikus) mágnesesség tapasztalható. A paramágneses próbatest hatására a környező homogén mágneses tér a test közvetlen környezetében sűrűsödik Természetesen itt is a külső tér irányával ellentétes mágneses mező alakul ki, de hatását a paramágneses jelenség gyengíti. Így az elég erős inhomogén mágneses tér a paramágneses anyagokat vonzza. A paramágneses anyagok relatív permeabilitása (µ r) 1-nél valamivel nagyobb, a szuszceptibilitás pedig pozitív. µ r állandó, mivel a növekvő térerősséggel együtt nő az irányított momentumok száma, és ennek megfelelően a B fluxussűrűség is. Telítettség nem lép fel. 34

35 µ r azonban függ a hőmérséklettől. Már utaltunk rá, hogy a külső tér csak a hőmozgás legyőzésével tudja egy irányba állítani az atomok momentumait, és a hőenergia és a hőenergia a hőmérséklet emelkedésével növekszik. A különböző paramágneses anyagok hőmérsékleti együtthatója más és más. Paramágneses anyagok: az oxigén, a nátrium, a kálium, az alumínium, a szilícium, az ón és a mangán. A dia- és paramágneses anyagok jelentősége a mágnestechnikában nem számottevő Ferromágnesség A ferromágnesség is elemi mágneses dipólusok jelenlétén alapszik. A paramágnességhez hasonlóan itt is a spintől eredő mágneses momentum van túlsúlyban, vagyis minden atomnak van gyenge mágneses momentuma. Az atomi mágneses momentumok parallel beállása esetén ferromágneses, a szomszédos momentumok antiparallel beállása esetén antiferromágneses anyagokról beszélünk. Az antiferromágneses rend speciális megvalósulási formája az ún. ferrimágneses elrendeződés. Itt az elemi momentumok ellentett beállításúak ugyan, de abszolút értékben különböznek Ferromágneses anyagok külső mágneses tér nélkül A ferromágnesség abban különbözik az előző két tulajdonságtól, hogy az említett nyomatékok nem rendszertelen irányításúak, hanem nagyszámú szomszédos atom momentuma egymással párhuzamos. Az ilyen egyformán mágnesezett elemi tartományokat Weissféle tartományoknak (doméneknek) nevezzük. Méretük 0,001 m 3 és 0,1 m 3 között változik. E tartományok momentumainak irányítottságát spontán mágnesezettségnek nevezzük. Ennek hatása azért nem érzékelhető, mert a Weiss-féle tartományok momentumai statisztikailag rendszertelen irányításúak, és így az egyes spontán mágnesezettségek semlegesítik egymást. Két, különbözően mágnesezett tartomány határán az egyik irányból a másikba való átmenet nem ugrásszerű, hanem folytonos, és a szomszédos tartományokat elválasztó határrétegben (Bloch-féle fal) megy végbe. Bloch fal két, különbözően irányított mágneses momentum domén között. A mágnesezési vektor a doménhatáron belül csavarszerű mozgást végezve fordul el az egyik irányból az ellentétesbe A Weiss-féle tartományokat jól láthatóvá tehetjük, ha ferromágneses test gondosan csiszolt felületét vaspor kolloid oldatával kenjük be. A Bloch-falak mentén a kifelé irányuló mágneses térerősség hatására a vaspor összesűrűsödik. 35

36 Ferromágneses anyagok külső mágneses térben Vizsgáljuk meg, mi történik, ha ferromágneses testet nulláról fokozatosan erősödő mágneses térbe helyezünk! (1) B = f(h) mágnesezési görbe első szakasza az, amelyben a doménfalak eltolódásának hatására a spontán mágnesezettségek statisztikus eloszlása megszűnik. Az így kialakuló állapot reverzibilis. (2) A második - legmeredekebb - görbeszakaszon a domének mágneses dipólusai egy másik kitűntetett helyzetbe fordulnak át, így ez az állapot irreverzibilis. Az átfordulás egy új, kitűntetett helyzetbe nem folyamatosan, hanem ugrásszerűen megy végbe. Ezt úgy mutatjuk ki, hogy mágneses vasrudat indukciós tekerccsel veszünk körül, és az ugrásszerű átfordulások okozta feszültséglökéseket felerősítve hallhatóvá tesszük. A térerősség növekedésekor sistergést hallunk. Az említett ugrásokat Barkhausenugrásoknak nevezzük (3) A harmadik szakaszban minden domén mágneses momentuma a külső H mágneses tér irányába áll be, amíg ki nem alakul a teljes irányítottság, a telítettség állapota. Ez a folyamat ismét reverzibilis A térerősség további növelésekor majdnem minden Weiss-féle tartomány befordul a külső tér irányába, "telítődésről" beszélünk. A kialakuló telítési mágnesezettség megegyezik az egyes tartományok adott hőmérséklethez tartozó spontán telítési mágnesezettségével. A külső térerősség csökkentésekor a mágneses dipólusok ismét visszafordulnak eredeti helyzetükbe, tehát az átfordulásokból származó mágnesezettség reverzibilis. Noha a térerősség nullára csökken, jelentős mágneses polarizáció (J) marad vissza (remanencia: Jr = Br). A mágneses momentumok csak ellentétes mágneses tér hatására állnak vissza eredeti kitüntetett helyzetükbe. (4) Remanens indukció, koercitív erő, permeabilitás: Azt fejezi ki, ha a térerő értékét folyamatosan csökkentve megszüntetjük, akkor az anyagban még mindig marad 36

37 vissza mágnesezettség, oka, hogy a domének nem jutnak vissza eredeti állapotukba. Ahoz, hogy a domének nem jutnak alapállapotukba kerüljenek, ellentétes mágneses tér szükséges, amelyet koercitív erőnek nevezzük A telítési mágneses polarizáció függése a hőmérséklettől, a Curie-pont Említettük, hogy a ferromágneses anyagok doménjeiben nagyszámú szomszédos atom momentumai egymással párhuzamosak. Ezt még azzal kell kiegészítenünk, hogy mindez a hőmozgás dezorientáló hatásával szemben megy végbe. Ezért a hőmérséklet növelésével a spontán mágneseződést egyre inkább akadályozza a hőmozgás. Makroszkópikus mágneses jellemzők hőmérsékletfüggése: Ferro- és ferrimágneses anyagok jellemzésére a leggyakrabban használt mágneses paraméterek a hiszterézisgörbéről közvetlen meghatározhatók. Általános törvényszerűség fémes mágneseknél,, hogy a telítési indukció, a hőmérséklettel monoton csökken, és annál erősebben, minél jobban megközelítjük a Curie-hőmérsékletet. A koercitív erő változása szintén monoton csökken Adott hőmérséklet, azaz a C urie-pont elérésekor ismét visszaáll a sajátmomentumok statisztikai rendezetlensége, vagyis a Curie-pont felett a ferromágneses anyagok paramágnesessé válnak. Ha a hőmérsékletet abszolút nulla fokra csökkentenénk, minden n momentum a külső mágneses tér irányába mutatna és kialakulna a maximális telítési mágneses polarizáció Kemény- és lágymágneses anyagok Lágymágneses anyagokról akkor beszélünk, ha a telítődés már kis térerősség hatására is létrejön (b ábra). Ilyenkor a Weiss-féle tartományok mágneses dipólusai könnyen átbillenhetnek az egyik kitűntetett helyzetből a másikba. Ellenkező esetben, amikor a spontán mágnesezettségi irány a kristály tengelyeihez kötött, és ezáltal az átbillenéshez nagy energia szükséges, keménymágneses anyagokról beszélünk. Ezeket használják állandómágnesek előállítására (a ábra). Adott hőmérséklet, azaz a Curie-pont elérésekor ismét visszaáll a sajátmomentumok statisztikai rendezetlensége, vagyis a Curie-pont felett a ferromágneses anyagok paramágnesessé válnak. Ha a hőmérsékletet abszolút nulla fokra csökkentenénk, minden momentum a külső mágneses tér irányába mutatna és kialakulna a maximális telítési mágneses polarizáció. 37

38 6.6. Elektromágneses indukció A nyugalmi indukció Egy időben állandó árammal átjárt tekercs belsejében homogén és az időben állandó mágneses mező jön létre. Ha ennek a tekercsnek az áramát ki-be kapcsoljuk, a tekercs árama, és az általa keltett mágneses mező az időben változik, akkor az ennek a tekercsnek a közelébe helyezett másik tekercsben felváltva ellentétes irányú áramlökések keletkezését tapasztaljuk. Ezek az áramlökések a második tekercs körében keletkező elektromotoros erőre utalnak. A jelenség azzal megmagyarázható, hogy az első tekercs változó mágneses mezeje elektromos mezőt hoz létre maga körül, mely a második tekercsben a töltésekre gyakorolt hatásával elektromos áramot indít. Az így létrejött elektromos mezőt tehát közvetlenül nem töltések hozzák létre, hanem a mágneses mező időbeli változásának következtében alakul ki. A mérések tapasztalata szerint a gerjesztőtekercset körülvevő egyetlen menetben indukált feszültség erőssége egyenesen arányos a vezető által körülfogott mágneses fluxus változási sebességével U ind Φ = t U ind Ha az előbbi vezetőkeret N-szer kerüli meg a változó mágneses fluxust, azaz amikor a tekercs menetszáma N-nel egyenlő. Szavakban ez annyit jelent, hogy valamely zárt, N menetszámú vezetőkeret (tekercs) mentén indukált elektromotoros erő egyenesen arányos a keret által körülfogott mágneses fluxus változásának sebességével és a tekercs menetszámával, de független a vezeték méreteitől és alakjától A mozgási indukció Φ = N t A következőkben végezzük el azt a kísérletet, amikor a mágneses mező az időben állandó, benne azonban v=állandó sebességgel egy fémes vezetőt mozgatunk. A vezeték két pontja között feszültség jön létre, és ezt a jelenséget mozgási indukciónak nevezzük. A jelenséget elvileg felfoghatjuk a nyugalmi indukció speciális eseteként, csak most a fluxus változását nem a mágneses teret keltő áram és ezáltal az indukció, hanem a vezeték által súrolt felület időbeli változása hozza létre. A feszültség az l hosszúságú vezeték két vége között ennek megfelelően. A mágneses elvő háttértárakban a mágneses anyag fölé nyúló mágneses mezık az adat visszaolvasását biztosítják. 38

39 6.7. Ellenırzı kérdések 1. Miért fontos ismerni a mágneses anyagok jellemzőit? 2. Miből adódik az anyag mágnesessége? 3. Milyen jellemzői vannak a paramágnesnek, diamágnesnek, ferromágnesnek? (a spin és a mágneses momentum jellemzése, milyen hatása van a külső mágneses térre) 4. Mi a Weiss-cella másik elnevezése? 5. Ismertesse a mágnesezési görbe szakaszait 6. Mi a remanens mágnesesség? 7. Mi a koercitív erő? 8. Mi a Barkhausen ugrás? 9. Mi jellemzi a keménymágnes anyagokat? 10. Mi jellemzi a lágymágnes anyagokat? 11. Mi a nyugalmi indukció? Mi a fluxusváltozás hatása? 12. Mi a mozgási indukció? 13. Ismertesse a mágneses jelrögzítés elvét! 14. Hogyan tárolhatunk adatokat mágneses adathordozón? 15. Ismertesse a floppy, a winchester, és a mágnesszalag felépítését! 39

40 7. Optikai elvő háttértárak Az optikai tárolórendszerekre jellemző, hogy az írás és olvasás lézersugárral történik. Nevüknek megfelelően optikai eljárást használnak (fényvisszaverődés, polarizáció, szórás, fénytörés) az adatok írására és olvasására. Az optikai tároló felületén az adatok rögzítésekor kis méretű mélyedéseket hozunk létre, amelyeken a leolvasáskor a lézersugár szétszóródik, míg az adathordozó-réteg eredeti felületéről visszaverődik. A médium olvasásakor a visszavert fényt érzékeljük, és alakítjuk vissza adatokká. Az optikai tárolókat több tulajdonságuk markánsan megkülönbözteti a mágneses tárolási technológiától: az optikai tárolókra nagy tárolási sűrűség jellemző. Ennek oka, hogy a fény sokkal kisebb felületre fókuszálható, mint a mágneses tárolók elemi tárolófelülete. Másik előnyös tulajdonság az élettartam: az optikai tárolók élettartamát évtizedekben mérik. Az optikai adathordozó előállítási költsége általában alacsony, az árat lényegében a lemezen lévő programok, adatok, zeneszámok és egyéb információk piaci értéke határozza meg, ami mellett az előállítási költség eltörpül. Fontos szempont továbbá az optikai adathordozó cserélhetősége: a használaton kívüli lemezt zárt helyen tárolhatjuk, kompakt mérete miatt könnyen magunkkal vihetjük és másik gépen bonyolult szerelési műveletek nélkül azonnal használatba vehetjük 40

41 7.1. CD A CD-k legismertebbje az Audio Compact Disk. Abban az esetben, ha a hangon kívül képek és szövegek is tárolhatók, CD-ROM-ról beszélünk. Jellemzői Egyszer írható és nem törölhető Előállítása már kis darabszámban is kifizetődő Nagy adatmennyiségek kedvező áron történő terjesztésére alkalmas A felhasználó részéről könnyen kezelhető A CD-ROM lemez tárolókapacitása egyoldalas felvételnél Mbyte. Az első generációs CD-meghajtók csak 150 Kbyte adatot voltak képesek átvinni másodpercenként. A második generációban a forgási szám megduplázásával lehetővé vált a 300 Kbyte/s-os átvitel, de a fejlődés még nem állt meg Szerkezete A CD-lemez átmérője 8 vagy 12 centiméter. Az információkat egy spirál alakú, belülről kifelé vezető barázdákkal ellátott sáv tárolja, amelyeket a gyártásnál sajtolnak bele. Ezeket a mélyedéseket piteknek nevezzük, a fényvisszaverő alapot, amelyben ezek a pitek vannak, landnak. Az alumínium réteget védőréteggel borítják. A CD anyaga szénszálas műanyag, 1,2 mm vastag és csak az egyik oldalán vannak információk. Egy pit mélysége 0,1 mikrométer, szélessége 0,6 mikrométer és a sávok közti távolság 1 mikrométer. A pitek hossza 0,8-3,5 mikrométer között változik. A CD-audiolemezeket és a CD-ROM-okat ugyanúgy készítik. 41

42 7.3. Az olvasás folyamata Az adatok leolvasásához infravörös lézert használnak, melynek hullámhossza CD lemez esetében 780 nm. A lemezek felületén sík területek (land) és apró gödrök vagy lyukak (a lézer szemszögéből nézve - mivel a lemezt alulról olvassák - dudorok) (pit) találhatók. Ezek váltakozása kódolja a tárolt információt. (Ezek a gödrök csak a gyárilag nyomott lemezek esetén jelentenek igazi mélyedéseket, az írható lemezeknél egyszerűen más optikai tulajdonságú felületet takarnak.) A lézer a landról jól visszaverődik (a szabvány legalább 70%-ot ír elő), a pitekről azonban jóval kevesebb fény jut a detektorba (kb. 30%), ugyanis a pitek úgy vannak kialakítva, hogy (a lézer szemszögéből) magasságuk a lézer hordozóbeli hullámhosszának (kb. 500 nm) kb. az egynegyede (kb. 125 nm). Mivel a fókuszált lézersugár foltjának átmérője nagyobb egy pitnél, ezért a lézer nemcsak a pitet, hanem a környező land-ot is megvilágítja. A pitről és a landről visszaverődő fény között fél hullámhossz útkülönbség lesz (a pit felé egy negyed hullámhosszal rövidebb utat kell megtennie a fénynek és visszafelé is egy negyed hullámhosszal kevesebbet), ezért a két ellentétes fázisú hullám gyengíti egymást, a fényérzékelő dióda kisebb fényerősséget fog észlelni. 42

43 7.4. A CD-írás technikái mintázatváltás: (CD-R) Alapja, hogy a hordozóra felvitt fémtükör felülete szórt fényt ver vissza, de a fémréteget lézersugárral felmelegítve a felülete kisimul, és az adott pontban jó tükör lesz belőle festékpolimer technológia: (CD-R és CD-RW) A CD-R lemezek elsősorban sorban festékpolimer technológiával készülnek, továbbfejlesztett változata a CD-RW lemezek írásánál is használatos. A lemeznek két, különböző hullámhosszú fényre érzékeny vegyületű bevonata van. Íráskor az alsó réteget melegítik lézersugárral, ennek térfogata megnő,, és az alsó réteget nyomva dudort képez. Az író lézer kikapcsolásakor a felső réteg térfogata visszaáll az eredetire, de az alsó rétegben megmarad a dudor, és a gyengébb teljesítményű olvasó lézersugár fényét megtöri. Törléskor az alsó réteget melegítik, az megolvad, és a dudorok kisimulnak, így visszaáll az írás előtti állapot. Az írások és törlések során a lemez felülete könnyen kifárad, így kb. 100 törlés engedélyezett a CD-RW lemezre. Mivel ennél az eljárásnál a lemez felületén fizikai változás jön létre, ezek a lemezek CD-DA lejátszóban is lejátszhatók fázisváltós technológia: (CD-R és CD-RW) Ezt a technológiát főleg a CD-RW írására használják, de az egyszer írható lemezekre is alkalmazható. Az adathordozó anyaga kétféle állapotú lehet: kristályos állapotban jól tükröző felületet képez, amorf állapotban pedig elnyeli a fényt. Az információ felírása az anyag olvadáspont feletti hőmérsékletre hevítésével történik, míg az éppen olvadáspont alatti hőmérsékletre hevítéssel törölhető az információ. Íráskor a lézer teljesítményének növelésével állandóan landóan beégetett lyuk (nem törölhető) hozható létre. Egy ilyen rendszerben pl. az írás 8 mw, az olvasás 1 mw teljesítményű 830 nm hullámhosszú lézerrel, a törlés pedig 10 mw teljesítményű 780 nm hullámhosszú lézerrel történhet. Az ilyen technológiával készült lemezek kb. 1 millió alkalommal törölhetők és írhatók újra (CD-RW) Magneto-optikai lemezek: lyuk technológia: (CD-R) A technológia beégető mechanizmusa kb. 10 mw teljesítményű lézersugárral lyukat éget a tükrözőrétegbe, rétegbe, így onnan az olvasó lézerfejbe kevesebb fény verődik vissza buborék technológia: (CD-R) Itt az írólézer hatására a felvételréteg elpárolog, ezzel kis buborékot hoz létre a tükröző műanyag rétegben. A buborékról nem verődik vissza fény az olvasó lézerfejbe. A jelrögzítés magneto-optikai optikai elvek alapján történik. A lemez felületét különleges fémből (gadolinium, terbium) készült vékony réteggel vonják be, amelynek mágneses tulajdonságai különlegesek. Ha lineárisan poláros fényt ejtünk egy mágnesre, a visszavert fény polarizációsíkja kis mértékben elfordul. Az elfordulás ellenkező irányú a mágnes É-i pólusáról, mint a D-iről. A jelenség neve magnetooptikai Kerr-effektus. A jelenséget a magnetooptikai adatrögzítésben használják ki. A mágneses rétegre fókuszált lézerfény a lemezt abban a pontban a Curie-pont közelébe hevíti, miközben egy elektromágnest bekapcsolva külső mágneses teret alkalmaznak. A lemez tovább fordulva lehűl, és a mágnese tér irány "befagy" a lemezbe. A kiolvasás kisebb energiájú lézersugárral történik. A mágnesezettség két lehetséges iránya jelentheti a 0-t vagy 1-et. 43

44 7.5. DVD Ha eddig azt gondoltuk, hogy 650 Mbyte-os tárolókapacitás elegendő, akkor tévedtünk: ez ma már nem igaz. A helyigényes multimédia-alkalmazáshoz igen nagy tároló helyekre van szükség. Ezért volt szükség egy új tároló médiumra. Ez a DVD, a Digital Versatile Disk lett. A DVD jellemzői Tárolókapacitása 4-féle lehet Oldal Réteg Kapacitás DVD-5 Egy oldal Egy réteg 4.7 GB DVD-9 Egy oldal Két réteg 8.5 GB DVD-10 Két oldal Egy réteg 9.4 GB DVD-18 Két oldal Két réteg 17 GB Szerkezete A technika lényegében alig változott. Miután a külső méretek nem változtak, így a gyártáshoz szükséges gépeket is könnyen át lehet alakítani. Ez azt jelenti, hogy az új lejátszó eszközök lefelé kompatibilisek és így velük az eddigi CD-ROM-okat is lehet olvasni. Mindehhez azonban sok újításra volt szükség. A pitek kisebbek lettek, a sávtávolság rövidebb és a lemezt duplán vonták be. 44

45 A működés tulajdonképpeni lényege: dupla bevonat, anélkül, hogy a lemezt a lejátszásnál meg kellene fordítani. Az első réteg a másodikat a "hátára veszi". A lézer a felső 0,6 mm-es fólián keresztüllát. Ha elolvasta az alsó réteget, következik a felső, részben áteresztő réteg. A lézer hullámhosszát is megváltoztatták. Az élesebben kötegelt lézersugár a kisebb piteket is világosan felismeri és a szorosabban egymás mellett lévő sávokat is tudja követni DVD-ROM Nem más, mint egy számítógépbe illeszthető DVD meghajtó. Jellegzetességei közé tartozik, hogy a hagyományos CD-k minden típusát is képes olvasni. Kinézetre a DVD lemezek semmiben sem különböznek a közönséges CD-ROM-tól. A különbség a belső felépítésben rejlik. A DVD-ROM-ban lévő két lencse közül az egyik a DVD adathordozó rétegére fókuszálja a fénynyalábot, a másik a közönséges CD-k olvasását végzi DVD RAM A DVD-RAM drive, vagyis a meghajtó, ami a DVD-RAM-ot kezeli, igen kellemes alternatívát kínál a nagykapacitású cserélhető lemezek piacán. Ilyenek pl. a magneto optikai DVD lemezek is Blu-ray A blue-ray azért blue, mert a használt lézer színe kék, és azért ray, mert optikai eszköz. Igazából a név Blu-Ray, szándékosan elhagyva az e- betűt, mert egy köznapi név nem lehet védjegy. Egy közönséges Blu-Ray lemez 25 GB-os, de létezik dupla, ami 50 GB-ot képes tárolni, és olyan gyors, hogy a HDTV adást képes egy az egyben felvenni! (Pontosan 36 Mbit másodpercenként, ez a DVD-nél még 10 volt) 45

46 7.6. Fény tulajdonságai Mai tudásunkkal nehéz beleélni magunkat a évvel ezelőtti körülményekbe, de próbáljunk meg egy gyerek fejével gondolkodni, és tegyük fel a kérdést: mi a fény? Einstein munkássága előtt bizony többféle válasz is született erre a kérdésre. Newton, mint a dinamika egyik legnagyobb művelője, a fényt nagyon pici tömegű részecskék áramának tartotta. Huygens, mint a hullámelmélet művelője azt mondta, hogy a fény hullám. Ez utóbbi elmélettel az volt a probléma, hogy a hullám terjedéséhez valamilyen közegre van szükség, amely közeg rezgésének tovaterjedése a hullám. A hullámok alapvető tulajdonsága az interferencia, ha interferenciajelenséget sikerül kimutatni a fénnyel, akkor a kérdés eldőlni látszik. Interferencia kimutatásához megfelelő fázisban rezgő hullámok kellenek, valamint megfelelő szélességű rések. Fénnyel sokáig nem sikerült interferenciát megvalósítani. Young volt az első a 19. században, aki egy fénysugarat választott ki egy keskeny réssel, és ennek két másik résen történő áthaladásának eredményét vizsgálta. A két rés mögött interferencia lépett fel, ami sötétebb világosabb csíkok formájában mutatkozott meg. A kérdés eldőlt, a fény hullám, ami egy láthatatlan, súlytalan közegben, az éterben terjed A hullámtermészetnek alapvetően ellentmondanak a fotocellában tapasztalható jelenségek. Az alap: a fény a fotocella alkálifémmel bevont katódjára esve elektromos áramot gerjeszt, azaz elektronokat üt ki a felületből, mint egy biliárdgolyó. A jelenség neve fényelektromos hatás vagy fotoeffektus. Tehát minden test rendelkezik részecske- és hullámtulajdonságokkal is, a tömeg és a sebesség határozza meg, hogy melyik jelleg a domináns Mechanikai hullámok Mechanikai hullámok kialakulása Általánosan hullámnak nevezünk minden olyan terjedési jelenséget, egy rendszer olyan állapotváltozását, amely térben és időben is periodikus, ismétlődő. Időbeli ismétlődés: a tér adott pontjában meghatározott időközönként (T) ugyanaz tapasztalható. Térbeli ismétlődés: adott időpontban meghatározott távolságonként ugyanaz tapasztalható. Eltekintve az elektromágneses hullámtól (és valószínűleg a gravitációs hullámtól) a hullámok valamilyen közegben terjednek. Energiát szállítanak anélkül, hogy a közeg anyaga állandó mozgásban lenne a terjedés irányába. Egy nyugalmi helyzet körül rezegnek, mozognak a közeg részecskéi, tehát energiát szállít, tömeget nem. Tudjuk, hogy minden test atomokból, molekulákból épül fel, s ezek között kölcsönhatások érvényesülnek. Ezek a kölcsönhatások határozzák meg a testek halmazállapotát. Ha egy kiterjedt test (közeg) valamely részén lévő részecskéket nyugalmi helyzetükből kitérítjük, akkor azok rezgő- mozgást végeznek. A részecskék közötti kölcsönhatások miatt a rezgés átadódik a környező részecskékre, a rezgés a forrástól egyre nagyobb távolságban is megjelenik, azaz tovaterjed. Mechanikai hullámnak nevezzük a teret kitöltő közegben terjedő hullámot, a rezgési állapot valamilyen közegben való terjedését A hullámokat több szempont szerint osztályozhatjuk: Aszerint, hogy azokban milyen természetű zavaró hatás megy végbe: Mechanikai hullámok: ha mechanikai állapotváltozások terjednek. Elektromágneses hullámok: ha elektromágneses természetű állapotváltozások terjednek. Aszerint, hogy hány dimenziós a közeg, amiben haladnak: Egydimenziós pl: gumikötél. (Vonal menti hullám) Kétdimenziós pl: vízfelszín. (Sík vagy felületi hullám) 46

47 Háromdimenziós pl: a levegőben. (Térbeli hullám) A bennük terjedő rezgések iránya szerint: Transzverzális hullámok: a hullám terjedési irányára merőlegesen rezegnek, a közegben hullámhegyek és völgyek alakulnak ki. Ilyenek például egy húron terjedő hullámok, vagy a szabad elektromágneses hullámok. Longitudinális hullámok: rezgés a terjedési irányban történik, a közegen belül sűrűsödések és ritkulások alakulnak ki. A longitudinális hullámban nyomásváltozás terjed. Például ilyen a legtöbb hanghullám. Szilárd anyagokban mindkét féle ki tud alakulni, folyadékokban és gázokban csak longitudinális jön létre. A felületi hullámok ( pl. víz felszínén) transzverzális hullámok. A kétféle hullám között a polarizáció jelensége alapján tudunk különbséget tenni. A transzverzális hullámban a terjedésre merőleges síkban sokféle rezgési irány létrejöhet, megfelelő eszközzel (polarizátor) a rezgési irányok közül egy kiválasztható. Egy az előzőre merőleges másik polarizátoron az így kiválasztott irányú rezgés természetesen már nem tud áthaladni, a hullám a második polarizátor után már nem észlelhető. (fénynél például a fényes felületekről visszavert sugár már polarizált!) A fény polarizációja A fénynyalábban haladó elektromágneses hullámok rezgési síkja tetszőleges lehet, a fény apoláros. Ha a nyalábban az összes hullám rezgését egy síkra korlátozzuk, a fény polarizációjáról beszélünk. Ha ez a sík időben állandó, a fény lineárisan, ha körbe forog, elliptikusan, ezen belül állandó amplitúdó esetén cirkulárisan poláros Magneto-optikai Kerr-effektus A ferromágneses anyag felületére beesı lineárisan poláros fény polarizációja visszaverıdést követıen elfordul. Ha lineárisan poláros fényt ejtünk egy mágnesre, a visszavert fény polarizációsíkja kis mértékben elfordul. Az elfordulás ellenkező irányú a mágnes É-i pólusáról, mint a D-iről. A jelenség neve magnetooptikai Kerr-effektus. A jelenséget a magnetooptikai adatrögzítésben használják ki. A mágneses rétegre fókuszált lézerfény a lemezt abban a pontban a Curie-pont fölé hevíti, miközben egy elektromágnest bekapcsolva külső mágneses teret alkalmaznak. A lemez tovább fordulva lehűl, és a mágnese tér irány "befagy" a lemezbe. A kiolvasás kisebb energiájú lézersugárral történik. A mágnesezettség két lehetséges iránya jelentheti a 0-t vagy 1-et. 47

48 7.7. LASER A lézer egy különleges elektromágneses sugárzás, melynek jelentése (LASER= Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) a stimulált sugárzással való fényerősítés-ben keresendő. A lézerek 4 legfőbb tulajdonsága: Kis divergencia - a lézerfény nagyrészt párhuzamos fénysugarakból áll, nagyon kis szóródási szöggel (kisebb, mint 10-3 radián). Ezzel nagy energiasűrűség érhető el szűk sugárban, a sugár által megtett távolságtól függetlenül. Egyszínűség - a lézersugár egy olyan elektromágneses hullám, amely közel egyetlen f frekveciájú (vagyis egyetlen hullámhosszú) összetevőből áll. A lézerek spektrális félértékszélessége kisebb, mint. 4nm. Idő- és térbeli koherencia - a lézer által kibocsátott hullámok fázisa a sugár minden keresztmetszeténél azonos. Polarizáció - a lézer által kibocsátott hullámok mágneses mezejének iránya állandó. Az elektronok diszkrét energiájú fénykibocsátását alkalmazzák a lézer (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) esetében is. A lézer anyagát (gáz, folyadék vagy szilárd test) két párhuzamos tükör közt gerjesztik (pl. impulzuslámpával). Ennek hatására elektronjai gerjesztett állapotba kerülnek, mégpedig azonos energiájú pályákra. Alapállapotba való visszakerülésük alkalmával egy fotont bocsátanak ki. A két párhuzamos tükör gondoskodik arról, hogy összehangolja a fénykibocsátási aktusokat. Így az atomok azonos energiájú és fázisú fotonokat bocsátanak ki. Ezáltal lesz a lézer monokróm (egyszínű) és koherens nyaláb. Használatos a gyógyászatban (kemény és lágy formában egyaránt), az anyagvizsgálatban, a holográfiában, fizikai mérésekben stb A lézer előállítása Talán mindenki emlékszik még valamennyire általános iskolai kémia tanulmányaira. Az atomokban a mag körül elektronok keringenek meghatározott elektronpályákon, melyek különböző energiaszintet reprezentálnak. Alapesetben az elektronok a legkisebb energiaszinteket foglalják el. Azonban energia elnyelésével az elektronok magasabb szintre, energia leadásával pedig alacsonyabb szintre kerülhetnek. Az elektron különböző, külső forrásból vehet fel energiát, amit abszorpciónak nevezünk. A magasabb energiaszintre való ugráshoz pontosan meghatározott energiamennyiség kell. A magasabb energiaszintre ugrott elektront, és az őt tartalmazó atomot gerjesztettnek nevezzük. A lézerműködést számos jelenség kíséri. Ezek a lézer működése során párhuzamosan játszódnak le. Ilyen jelenségek: 48

49 Spontán emisszió: Valamilyen gázt, folyadékot, vagy szilárd anyagot energia befektetésével gerjesztett állapotba hozhatunk. Egyatomos gázoknál (pl. nemesgázoknál) ez úgy néz ki, hogy az atommag körül egy jól meghatározott távolságban keringő elektronok a gerjesztés hatására távolabb kerülnek az atommagtól, mint alapállapotban. Ez az állapot viszont nem stabil, és az atom az energiaminimum elvének megfelelően a legkisebb energiájú állapot, az alapállapot elérésére törekszik. Az alapállapotba való visszaugrás spontán bekövetkezhet egy gerjesztett atom esetében, még akkor is, ha még fennáll a gerjesztést előidéző hatás. Az, hogy egy bizonyos anyag atomjainak/molekuláinak gerjesztett állapota mennyire stabil, az anyagra jellemző tulajdonság. Az atom alapállapotba való visszatérésekor a gerjesztett atomból egy foton repül ki. Ennek a fotonnak pontosan akkora energiája van, mint amekkora energiakülönbség volt a gerjesztett és az alapállapotú atom között. Másképp megfogalmazva a kirepülő foton energiája pontosan akkora, mint a gerjesztett pályára került elektron és az alapállapotú pályán keringő elektron potenciális energiájának különbsége. Az egyes anyagok gerjesztés hatására rájuk jellemző hullámhosszokon emittálnak fotonokat, ezt a spektroszkópiában használják ki. (Az anyagokat gerjesztett állapotba hozhatjuk, pl. elektromossággal, melegítéssel, fénnyel és egyéb elektromágneses hullámokkal.) Abszorpció: Az atom fotonnal való ütközése során gerjesztett állapotba kerülhet, miközben a foton elnyelődik. (A foton az elektron(ok) potenciális energiájává konvertálódik.) Indukált emisszió: Amikor egy gerjesztett állapotú atom mellett elhúz egy foton, akkor az atomot leverheti gerjesztett állapotából, miközben az alapállapotba visszaugró atom egy pontosan olyan tulajdonságokkal rendelkező fotont bocsát ki, mint amilyen foton leverte őt a gerjesztett állapotából. A keletkezett foton tehát megegyezik az őt keltő fotonnal a terjedési irányában, a hullámhosszában, a polarizációjában, fázisában A lézerfény kialakulása Amennyiben egy megfelelő közeg kellően sok gerjesztett atomot tartalmaz, de a visszaállás csak spontán emisszióval történik, a kibocsátott fény körülbelül egyenlő lesz minden irányban. A stimulált emisszió folyamata azonban megnövelheti egy bizonyos irányban haladó fotonok számát. Ha egy optikai üreg végére tükröket teszünk, egy irányt előnyben részesíthetünk. Azok a fotonok, 49

50 amelyek nem merőlegesek a tükrökre, kiszöknek az üregből, azonban a két tükör tengelye mentén haladó fotonok száma nagyon megnövekszik, és fényerősítés történik stimulált sugárzás kibocsátással. Egy anyagban mely sok millió atomot tartalmaz, csak elvétve találhatóak valamilyen oknál fogva gerjesztett atomok, melyek spontán emisszió útján legerjedhetnek. A felszabaduló fotonok általi stimulált emisszióra szinte esély sincs. Azonban ha nagyon sok atomot tudunk külső hatásra gerjesztett állapotba hozni, a stimulált emisszió valószínűsége jelentősen megnőhet. Amikor már sokkal több a gerjesztett atom, mint a nem gerjesztett - akkor populáció inverzióról beszélünk, vagyis a gerjesztettségi sűrűség meginvertálódik. A fentiek figyelembe vételével érthetővé válik a rubinlézer működése. Egy krómmal (Cr) egyenletesen szennyezett kristályos alumíniumoxid rúd (AL 2O 3) egyik végén egy teljesen reflektáló tükör, míg a másik végén egy kis mértékben áteresztő tükör van. A rudat villanólámpa veszi körül (optikai pumpa). Amikor a lámpa felvillan, gerjeszti a kristály atomjait. A szennyező króm biztosít egy metastabil szintet a gerjesztett elektronok számára, melyen azok viszonylag hosszú ideig tartózkodhatnak. Ez alatt az idő alatt egyre több atomot gerjesztünk, sok elektron kerül gerjesztett állapotba, populációinverzió alakul ki. Ha egy elektron visszatér alapállapotba, akkor a megfelelő hullámhosszú fotont kibocsátja. Ez a foton eltalál egy másik gerjesztett elektront, létrejön egy stimulált emisszió. A két foton újabb elektronokat talál el, újabb stimulált emissziók történnek. A két tükröző felületre merőlegesen a kristály hossztengelyével párhuzamosan lavina indul el. A keletkező fény többször visszaverődik a tükröző végekről fényerősítés jön létre. A kissé áteresztő tükrön keresztül párhuzamos fénynyaláb lép ki a kristályból Lézer fajták Az elsőként megjelent rubinlézeren kívül (694,3 nm), - mely értelemszerűen szilárdtest lézer, - újabb szilárd anyagokat is kipróbáltak, melyek közül a YAG lézerek terjedtek el leginkább. A szilárdtest lézerek hullámhossza a látható és ahhoz közeli UV és IR tartományba esik. Előnyük a nagy intenzitás Gázlézerek: A szilárdtest lézerek megjelenése után hamarosan kísérletezni kezdtek gázokkal is. A gázlézerek közül a hélium-neon (632,8 nm), és a széndioxid lézerek ( nm) lettek a legelterjedtebbek. Amíg a szilárdtest lézereknél a gerjesztést külső fényforrás szolgáltatja, addig a gázlézereknél a gázkisülési csőben atomok elektronok és ionok közötti ütközés során végbemenő energiakicserélődés Excimer lézerek: A gázlézerek egyik speciális fajtáját, - a nemesgáz és halogén atomok vegyülésével keletkező excimer molekulák után, - excimer lézernek nevezték el (xenon-fluorid, xenon-klorid, argon-fluorid). Az excimer lézerek a gázlézereknél rövidebb hullámhosszúságú és jóval nagyobb intenzitású lézerek Félvezető lézerek: A félvezető lézerek gyermekbetegségeiket kinőve, kis méretükkel és nagy hatásfokukkal tűnnek ki. Az utóbbi években teljesítményük is ugrásszerűen megnőtt. 50

51 Folyadék halamazállapotú festéklézerek: A folyadék halmazállapotú festéklézerekben általában valamilyen szerves oldószerben oldott festékmolekulákat használnak a lézersugár előállítására. Gerjesztésük egy másik lézerrel történik. Ezen lézerek legfontosabb tulajdonságai a hullámhossz hangolhatósága és a néhány femto szekundom időtartamú impulzusok előállíthatósága Kémiai lézerek: A kémiai lézerekben vegyi reakciók energiáját használják fel az aktív anyag gerjesztésére. A kémiai lézerek fényének hullámhossza a nm-es tartományba esik. Tipikus példájuk a haditechnikában alkalmazott gázdinamikus hidrogén-fluorid lézer, amely 1-2 MW átlagteljesítmény kisugárzására képes, 15-20% kémiai hatásfokkal Plazmalézerek: Magas hőmérsékletű plazmákban a többszörösen ionizált atomok energiaátmeneteinek felhasználásával röntgentartományba eső lézersugárzást lehet előállítani. A röntgenlézerek jelentősége hullámhosszuk rövidségében rejlik. Még rövidebb hullámhosszúságú lézersugárzás állítható elő az atommagokon belüli folyamatok kihasználásával, ezek a gammalézerek. Váltakozó mágneses térben haladó elektronok koherens fényt sugározhatnak: ez a szabadelektron-lézer működésének alapelve, amelynek megvalósításához nagy energiájú elektronokra, elektrongyorsítókra van szükség 7.8. Holografikus tárak Háromdimenziós tárolás, hologramfelületen. Zavarbiztos: nem semmisül meg az információ, csak a hologramon csökken az egyes bitminták kontrasztja. Átlátszó lemezek, melyek elképzelhetetlenül sok adatot tárolnak? Bélyeg méretű kis plasztiklapocskák, melyekről egész estés mozifilmeket nézhetünk meg kifogástalan minőségben? Nem, ez nem a Star Trek egyik epizódjának filmkockája, nem egy galaktikás novella apró kiragadott részlete, hanem a meglepően közelinek tűnő jövő víziója. lyen álmokat válthat valóra ugyanis az amerikai inphase Technologies, mely nemrég mutatta be első holografikus adattároló eszközét, az InPhase Tapestry HDS 200-R meghajtót és különleges Tapestry lemezét, melynek kapacitása mellett a DVD pozíciójáért versengő, következő generációs Blu-Ray és HD-DVD formátumok is apró játékszernek tűnnek Holografikus tároló prototipusa A holografikus adattárolás szinte korlátlan lehetőséget nyújt mind a kapacitás, mind az adatátviteli sebesség terén. Az InPhase első működő, prototípusnak nevezhető meghajtója a 130 mm átmérőjű, tehát a CD/DVD-nél valamivel nagyobb lemez segítségével 200 gigabájtnyi adatot képes eltárolni 20 megabájt/s-os adatátviteli sebesség mellett. Egyetlen ilyen, első generációs holografikus lemezen durván 40 darab 4,7 gigabájtos DVD-lemeznek, illetve közel 300 darab CD-nek megfelelő digitális anyag tárolható el. Az adatok tárolása pedig kifejezetten olcsó, a lemez ára hozzávetőlegesen 10 ezer forint körül mozog Milliónyi bitet egyszerre A hatalmas kapacitás ráadásul valóban nem minden: az adatok írása és olvasása ugyanis az eddig alkalmazott optikai meghajtókkal ellentétben nem sorban, bitről-bitre, egymás után történik, hanem párhuzamosan, melyet úgy tudunk legkönnyebben elképzelni, mint egy kockás füzet vagy könyv egy-egy oldala. Az új technológia segítségével egyetlen fényvillanás alatt bitek milliói vándorolhatnak a lemezre, illetve olvasás esetén a meghajtó átmeneti memóriájába. Az új optikai tárolási metódussal kis helyen is hatalmas adatmennyiség tárolható el. Postai bélyeg méretű helyen 2-10 gigabájtnyi adat lesz rögzíthető, míg egy bankkártya méretű, átlátszó plasztiklap akár gigabájt adatot is tartalmazhat. A vállalat tervei szerint 2010-re a 130 mm-es lemez elképzelhetetlenül sok adatot tárolhat majd, 51

52 hozzávetőlegesen 1,6 terabájtnyi, azaz 1600 gigabájtnyi kapacitással rendelkezhet, mely durván 340 darab 4,7 gigabájtos DVD-t helyettesíthet Hologram... Hologramot tartalmazó matricákkal már most is találkozhatunk bármikor, elegendő, ha újabb kiadású személyi igazolványunkra pillantunk. Ezeket a képeket, matricákat jelenleg főként hamisítás ellen és szórakoztatási célokra használják, kihasználva, hogy a hologramot pontosan nem lehet lemásolni. A hologramok készítése ma már nem ördöngősség, rendelkezésre állnak a megfelelő és költséghatékony fényképezési technológiák és anyagok, ezek azonban optikai adattároló rendszerként nem használhatók. A hologramok egyedülálló sajátossága, hogy háromdimenziós képet adnak és visszaállítják a fényképezett tárgy képét teljes eredetében. A holografikus kép azért tűnik olyan valóságosnak, mert a hologram tökéletesen rögzíti a tárgyról visszavert fényhullámokat is a fotólemezen, vagy a matrica anyagában. Az adattárolás során is pontosan ezt a képességet használják ki, az adatokról készült hologram, "fénykép" segítségével ugyanis később gyorsan és egyszerűen visszanyerhetők az adatok a lézersugár segítségével Sakkjátszma Hogyan tudunk azonban hologram képet készíteni a digitális adatokról? Nagyon egyszerűen: mátrixba rendezve őket -- egy sakktáblához hasonlóan képzeljük el, a fekete mezők jelentik az 1-et, az átlátszók, fehérek a nullát -- egy "könyvlapot" készíthetünk belőlük, melyet a jelvivő lézersugár útjába helyezve már akár le is fényképezhetünk a hologramot rögzíteni képes adattároló médiára. Így egyetlen ujjlenyomatnyi területen akár több gigabájtnyi adat is elférhet Az adatokat hordozó "sakktábla" létrehozása azonban nem egyszerű feladat. Az igazi áttörést a legújabb projektorokban alkalmazott mikrotükrös, úgynevezett DLP panelek hozták el. A fényt átengedő vagy gátló folyadékkristályos kijelzők helyett alkalmazott DLP panelek rendkívül kis méretű tükrök segítségével téríthetik el a fény, vagy esetünkben a lézer útját, "átengedve", vagy gátolva, eltérítve azt. A DLP panelek sok-sok, akár milliónyi apró tükröt alkalmazhatnak mátrixba rendezve, rendkívül gyorsak -- akár másodpercenként kétezerszer is képesek állapotukat megváltoztatni --, így tökéletesen megfelelnek erre a feladatra is Holografikus lemezek írása A technológia azonban semmit sem ér lemez, média nélkül. Az inphase nem kevesebb mint hét évig kísérletezett neves partnerei, többek között a Bell Labs segítségével a megfelelő hordozóanyag kifejlesztésével, hosszú munkájukat végül siker koronázta. A különleges fotózásra alkalmas, "kétkomponensű", polimer-alapú hordozóanyag rendkívül stabil adattárolást biztosít, már első generációja is hozzávetőlegesen 50 évig képes eltárolni a hologramként felírt adatokat. A DVD-lemezeknél alkalmazott többrétegű adattárolás ráadásul itt is jó szolgálatot tehet, egymás alá több hologram is fényképezhető lesz hamarosan a médiába, így ugyanakkora területen többszörös kapacitás is elérhető Olvassunk Az adatok visszaolvasása lényegében ugyanúgy történik, mint amikor megtekintünk egy hologramot: a megfelelő szögből érkező fény- vagy lézersugár a hologram segítségével létrehozza a tárgy pontos mását, esetünkben az adatokat reprezentáló sakktábla, könyvlap képét, melyet az egyre gyorsabb és pontosabb CMOS vagy CCD képérzékelő szenzorokkal is fel lehet dolgozni. A digitális fényképezéshez hasonlóan -- a 52

53 hologramból kiolvasott képet egyszerűen bitről-bitre feldolgozva -- visszanyerhetők a fényben tárolt adatok, mint egy digitális fénykép képpontjai. A holografikus adattároláson alapuló eszközök elsőként természetesen a vállalati adattárolási piacokat célozzák meg, de a korábban 2006-ra, 2007-re becsült időpont helyett már 2005-ben is elérhetők. Az inphase Tapestry médiái és első meghajtója már ebben az évben megvásárolható lesz bárki számára. A fogyasztói piacra szánt modellek akár már 2006-ban, a következő generációs Blu-Ray és HD-DVD-lemezek és meghajtók szélesebb körű terjedésével egyidőben megjelenhetnek, újabb alternatívát nyújtva a felhasználóknak a hatalmas mennyiségű adatok tárolására Holográfia Az eljárás ötletét Gábor Dénes vetette fel és dolgozta ki 1947-ben. Bár az elmélet jó volt, az első hologram elkészítésére csak 1961-ben kerülhetett sor, mert addig - a lézer megjelenéséig - nem állt rendelkezésre olyan fényforrás, amely az interferencia előállításához szükséges koherenciát biztosítani tudta volna. Gábor Dénes munkáját 1971-ben Nobel-díjjal ismerték el A holográfia elve 1947-ben Rugbyben, Angliában dolgozott a British Thomson-Houston Company kísérleti laboratóriumában. Szerencse, hogy a holográfia ötlete az elektronmikroszkópián keresztül jött, mert ha csak optikai holográfiára gondolt volna, a kutatási igazgató, L.J. Davies kifogásolhatta volna, hogy a BTH társaság elektronikai cég, és nem foglalkozik optikai kérdésekkel. De mivel testvércégük, a Metropolitan Vickers készített elektronmikroszkópokat, Gábor engedélyt kapott néhány optikai kísérlet végrehajtására, amelyek alapjául szolgáltak a később, a holográfiában elért eredmények sikerében A holográfiáról A holográfia a fény hullámtermészetén alapuló olyan képrögzítő eljárás, amellyel a tárgy struktúrájáról tökéletes térhatású, vagyis háromdimenziós kép hozható létre. A hagyományos fényképezés során a tárgy képét lencserendszerrel képezzük le a film síkjára, és így a filmen a tárgyról kiinduló fény intenzitásának megfelelően az egyes pontokban feketedés jön létre. Ennek az eljárásnak a során azonban - mivel a feketedés mértéke csak a fény erősségétől (vagyis amplitúdójától) függ, és független a fényhullám másik jellemzőjétől, a fázistól, 53

54 minden információ, amit a fázis hordoz (s ami a hullám rezgésállapotára jellemző), elvész. A tárgynak minden egyes pontja ugyanabba a síkba képződik le, a kép kétdimenziós lesz. A holográfia lényege éppen ennek a hiányosságnak a kiküszöbölése: a hologramon - voltaképpen egy sík lemezen - az intenzitás mellett a hullám fázisát is sikerül rögzíteni, így lehetségessé válik a teljes információ felvétele és tárolása. (Innen ered a holográfia elnevezés is: görögül a "holosz" teljest, a "grapho" pedig írást jelent.) A hologram készítésekor a tárgyat koherens lézerfénnyel világítják meg, majd a visszaverődő fénnyalábot egy féligáteresztő tükör segítségével úgynevezett referencianyalábbá transzformálják. A két sugár a fotólemezen találkozik, ahol interferencia képet, azaz hologramot hoznak létre. A hologram felvételének és rekonstruálásának lényege tehát: megfelelő módon rögzítjük, illetve a rögzített interferenciakép segítségével újra létrehozzuk és továbbengedjük azt a hullámfrontot, amely a tárgyról kiindult. Ennek alapján könnyen magyarázhatók a hologramkép sajátos és szokatlan tulajdonságai Hologram Mivel a valódi tárgyról kiinduló és a rekonstruált hullám megegyezik, azt ugyanúgy is látjuk. A látott kép háromdimenziós, érzékelhető a térbeli mélység, és lehetővé válik az oldal- és függőleges irányú rálátás is, a kép körbejárható. A hologramon a tárgy képe végtelen sok perspektívából van rögzítve, s ha a megfigyelő mozog, más és más perspektívát érzékel, amelyek folyamatosan mennek át egymásba, így az elrendezéstől függően lehetséges, hogy az egyik irányból takart vagy nem látható részlet valamelyik másik irányból nézve láthatóvá válik. A hologramok mélységélessége igen nagy, csupán a fényforrás koherenciahossza szab határt neki, ezért ha a tárgy egyes részeinek mélysége eltérő, akkor a róluk kapott kép szemlélésekor is változtatni kell a szem fókusztávolságát. Mivel a hologram felvételekor nem használnak objektívet, nem történik a képnek a hagyományos értelemben vett leképezése, a tárgy minden egyes pontjából a hologram bármely pontjába érkezik információ. Emiatt nincsenek olyan pontok, elemek a hologramon, amelyek emlékeztetnének az eredeti tárgy jellegzetes vonalaira, és ez az oka annak a meglepő tulajdonságnak, hogy a kettétört hologram is előállítja a tárgy teljes képét. Ha ugyanis a hologram valamilyen módon megsérül (karcolás, folt, törés), csupán azok a perspektívák tűnnek el a képből, amelyeket a sérülés érintett, a többi megmarad. Természetesen ez is információ- és intenzitásveszteséggel jár, és ha a hologramnak csak kis darabjával állítjuk elő a képet, a felbontóképesség is csökken A lézer megjelenése Amikor a lézer 1961-ben elérhetővé vált, Leith és Upatnieks tudósok számára megadatott a gyakorlati lehetősége annak, hogy valódi, háromdimenziós hologramokat készítsenek. Leith és Upatnieks hamarosan 12 különböző képet tudott tárolni egyetlen emulzióban. Manapság több száz oldalnyi nyomtatott anyag tárolható azon a területen, ami közönséges fotográfiával csak egyre lenne elegendő A holográfia alkalmazási területei A hologramok legelterjedtebb alkalmazási formájával, a biztonsági azonosító jelekkel mindenki találkozhat a kazettákon és CD-ken vagy az új papírpénzeken, bankkártyákon. Ezek az apró kis hologramok (szinte) hamisíthatatlanok, mert róluk tökéletes másolatot csak az eredeti hologram segítségével lehet készíteni. Az apróbb-nagyobb dísztárgyként, művészeti alkotásokként forgalmazott hologramokon túl ma már tökéletesen hű, nagyméretű színes hologramokat, sőt színes holofilmeket is készítenek. A hologramok felhasználási területe azonban az információtárolás sajátságai miatt jóval szélesebb, és a szoros értelemben vett háromdimenziós képrögzítésnél sokkal több lehetőséget nyújt 54

55 7.10. Ellenırzı kérdések 1. Ismertesse az optikai elvű háttértárolók hordozóján lévő jelek leolvasásának fizikai elvét! 2. Ismertessen különböző CD írási módszereket (CD, CD-R, CD-RW, CD-MO) 3. Ismerte a magneto-optikai lemez olvasásának fizikai elvét! 4. Ismerte a magneto-optikai lemez írásának fizikai elvét! 5. Mutassa be a DVD fajtáit, ismertesse jellemzőiket! 6. Hasonlítsa össze az optikai elvű háttértárolást a mágneses elven működővel! 7. Mi a lézer, milyen tulajdonságai vannak? 8. Hogyan állíthatunk elő lézert? 9. Milyen fajta lézerek vannak? 10. Ismertesse a holográfia elvét! 11. Mutassa be a holografikus tárak jellemzőit! 55

56 8. A lyukkártyától a nanotechnológiáig Jacquard szövıszéke A Francia Joseph-Marie Jacquard körülbelül 1801 tájékán szabadalmaztatott először egy mechanizmust a szövés automatizálására. Ez azonban csupán egy nem kivitelezett szabadalmat hozott számára. Mivel korábban elismerést hozott számára egy hálókészítő szerkezet, Carnot javaslatára kinevezték a világ első műszaki múzeuma őrének (Conservatoire des Arts et Métiers). Itt talált rá Jacques Vaucanson által készített damasztszékre, amelynek mintázó egysége egy hengeren helyezkedett el. Jacquard kicserélte a hengert egy lyuggatott fahengerre és azon forgatta a Jean Falcon által 1728-ban megalkotott láncolt lyukkártya sorozatot. Az 1805 és 1829 közötti szabadalmaival jelentősen megjavította az eszköz hatékonyságát. A szövőszékben az egymással párhuzamosan futó láncfonalak közé a vetülék vagy keresztszálat húzzák be a vetélő segítségével. Ennek megvalósításához a láncfonalak egy részét a nyüstök segítségével felfelé, a másik részét lefelé kell fesz íteni. Ekkor keletkezik az úgynevezett szádnyílás, amelyen keresztül a vetélő már áthúzhatja a keresztszálat. Mintás szövés esetén a minta attól függően alakul ki, hogy mely láncfonalakat emelnek fel, illetve melyeket süllyesztenek le. A mintás szövés úgy automatizálható, ha a nyüstpálcák, ráesnek egy lyukaszott lemezre. Amelyik alatt nincs lyuk, az felemelve tartja, amelyik alatt lyuk van, az lefelé feszíti a fonalat. A kódkártya mérete 9 inch hosszú (22,86 cm) és 1,25 inch széles (3,175 cm) 1/16 inch vastag (0,15875 cm) volt, de ettől eltérő méretű kártyákat is használtak és 26 között William Horstmann, a Philadelphia cég tulajdonosa hozta divatba Amerikában is az eszközt. 56

57 8.2. Hollerith: lyukkártya alkalmazása a népszámláláshoz Az 1800-as évek végén az Egyesült Államok bevándorlók tömegeit fogadta. A népszámlálási hivatal hagyományos számlálási módszerekkel már nem tudta elvégezni a feladatát, ezért versenyt hirdetett a megfelelő megoldás kifejlesztésére (1879). Egy német bevándorló Herman Hollerith ( ) a népszámlálási hivatal statisztikusa győzött úgynevezett lyukkártyás tabulátorával, amely a lyukasztással leírt adatokat összesítette. Munkájában Dr. John Shaw Billing sokban segítette, amint arra maga Holerith így emlékezett vissza: "Egy vasárnap este Dr. Billings azt mondta, kellene egy berendezés... népesedési és más statisztikai adatok táblázatba foglalására. Alaposan megtárgyaltuk a kérdést, és emlékszem... olyan kártyák alkalmazására gondolt... ahol a leírást a kártya széleibe beütött perforált rovátkák képviselnék". Az 1890-es 10. népszámlálás közel 63 millió személyről és 150 ezer polgári körzetről beérkező adatainak feldolgozását egy hónap alatt sikerült elvégeznie és az előzetes eredményeket közzétennie. Minden adathoz egy lyukat, így minden polgárhoz egy lyukkombinációt rendelt, ezeket az 1 dolláros méretű, összesen 204 lehetséges helyen lyukasztható kártyán rögzítette. A kártya bekerült egy rendezőgépbe, ott elhaladt egy tűrendszer alatt. A lyukak alapján záródó tűk elektromágneseket hoztak működésbe, melynek hatására a körlapos számlálón a mutató egy egységgel előbbre lépett. A kártyák osztályozása félautomatikusan történt: amikor egy kártyáról az adatot a tabulátorba akarták vinni, egy külön osztályozó boksz előre meghatározott rekeszének fedele automatikusan kinyílt. A kezelő a kártyát a rekeszbe helyezte és a rekeszt kézzel zárta. A megoldással szinte bármilyen csoportosítását a kártyáknak sikerült gyorsan elvégeznie. Hollerith felismerte, hogy a gyors feldolgozás sikere az adatok megfelelő kódolásán múlik. Az eredeti kártyán 204 lyukhelyet készítettek el. A személy azonosító száma és neve középre került. Minden lyuk önálló jelentéssel bírt, például a Par feliratú hely a családi állapotot rögzítette. Hasonlóan rögzítették az állampolgár egészségéről, írástudásáról, képzettségéről megszerzett adatokat. 57

58 Hollerith a népszámlálást megelőzően a baltimore-i Egészségügyi Hivatalnál próbálta ki berendezését. Ekkor döbbent rá rendszerének egy komoly problémájára. Miután a kalauzok által használt lyukasztóval szer lyukasztott a kartonkártyákon, csaknem teljesen elerőtlenedett a keze és csuklója. A probléma megoldására találta fel a klaviatúrás, vagy pantográf lyukasztót. A rugós szerkezet, lényegesen csükkentette a kézi erő szükségletét, növelte a hatékonyságot, ugyanakkor lehetővé tette a 12 soros 24 oszlopos kártyák lyukasztását is megnövelve ezzel az egy személyről rögzített adatok mennyiségét. Egy alkalmazott 8000 kártyát tudott betáplálni egyetlen nap alatt. Hollerith e sikerre alapozva 1896-ban megalapította a Tabulating Machine Co. nevű vállalatot ben a Holerith cég két másik vállalattal egyesült: Computing Scale Co. of America nevű mérleggyártó és az International Time Recording Co.nevű időregisztráló berendezéseket gyártó céggel. Az új vállalatot Computing-Tabulating-Recording Co. azaz CTR néven jegyezték be ben Thomas J. Watson lépett a vállalat élére. Megindult a cég terjeszkedése: Európa, Dél-Amerika, Ázsia, majd Ausztália következett re a nemzetközi, megerősödött cég nevet változtatott és International Business Machine Corporation azaz IBM néven lett ismert. A lyukkártya sikere egyértelmű volt. Igen jól lehetett adattárolásra használni. Az 1928-ban a most már IBM névre hallgató Hollerith társaság indítványozta a 80 oszlopos lyukkártya bevezetését. A technikai fejlődésével egyre jobban automatizálták a lyukkártya készítést és feldolgozást. A kódrendszert is jelentősen átalakították. A számoló eszközök jelentős fejlődésen mentek keresztül. Az IBM 1971-ben bevezette a mágneslemezes tárolást. A floppy disk egy csapásra a legelterjedtebb tárolóeszközzé vált. Ugyanakkor 1990-ig megmaradt a 58

59 hagyományos lyukkártya a használatban. (Az USA keleti autópályáin ekkor még használták a jegyek nyilvántartására.) Sajnos azonban a hagyományos lyukkártya gondokat is okozott. A programok és az adatok tárolása sok helyet vett igénybe, ugyanakkor megfelelő klímájú helyiséget igényelt. Úgyanis e nélkül a papír magába szívta a nedvességet, gyűrődött és könnyen megsemmisült. A mágneses tárolási mód sokkal célszerűbnek látszott. Mint tudjuk hatalmas karriert futott be napjainkig. Manapság azonban a mágneses tárolási mód kezdi elérni korlátait, a bitsűrűség már nehezen növelhető Lineáris bitsőrőséget növelı technológiák: Megfelelő anyag kiválasztása: A megfelelő remanenciájú és a koercitív erővel rendelkező anyag kiválasztásával növelhető a bitsűrűség. A nagy remanencia - erős mágneses cella - viszont jelentősen megnöveli a mágneses cellák között kialakuló Bloch fal méretét. (Az azonos pólussal szembe fordított mágnesek nem hozhatók tetszőleges közel egymáshoz a taszítás miatt) Ez azt eredményezi, hogy a mágneses minták egymástól távol fognak elhelyezkedni, ami viszont csökkenti az adatsűrűséget. Ha gyenge mágnest használunk, akkor a Bloch fal mérete ugyan csökken, de a felület fölé emelkedő úgynevezett lemágnesező mezők is gyengék lesznek. Ez az adatok visszaolvasásánál problémát jelent, amin a lemezek gyorsabb forgatásával lehet segíteni. Sajnos ebben az esetben a rögzített mágneses információ könnyen átíródik, az anyag fölé emelkedő lemágnesező mezők, vagy az estleges külső mágneses terek hatására. Optimális anyag kiválasztása segíthet ezen a gondon Dupla mágneses mintázat Az IBM anti-ferromágnesesen összekapcsolt AFC (anti ferromagnetically Coupled) technológiájával igen nagy adasűrűség érhető el. A két mágnesréteget három atomnyi vastag Ru (ruthénium) felület választja el egymástól. Ezzel jóval kisebb tartományra szorítható le egyetlen felmágnesezett terület. Az írás, hagyományos módon történik, az olvasáshoz mágneses térre érzékeny ellenállást (ún. magnetorezisztív) használunak Információk célszerű átkódolása: Az alapvető kódolási eljárás az FM vagy frekvenciamodulált kódolás. Ennek lényege, hogy minden bitcella kezdetét megjelöljük egy impulzussal (kék színű impulzusok). Amennyiben egyest akarunk kódolni, úgy a cellaközépre helyezünk impulzust (piros impulzus), ha nullát a bitcella üresen marad. Látható, hogy ezen eljárás információ, jel aránya kedvezőtlen, sok segéd impulzust (bitcella kijelölő impulzus) kell kódolunk. Az MFM eljárás nem kódolja a bitcella kijelölő impulzusokat, de ennek az az ára, hogy a nullának kétféle kódot kell megfeleltetnünk attól függően, hogy az előtte lévő képzeletbeli bitcellában volt e impulzus vagy sem. Ha volt, akkor a cella üres marad, ha nem, akkor a cella határa kell impulzust rögzíteni. (Az egyes kódja változatlan.) Ezt a kódolási eljárást manapág a floppy disk meghajtók - FDD - (Floppy Disk Driver) használják. 59

60 Ennél lényegesen jobb módszer, ha a rögzíteni kívánt információt újra kódoljuk. Ez a módszer az RLL vagy futáshosszban korlátozott kódolási eljárás. Lényege, hogy a rögzítendő adatsorból csoportokat képezünk és e csoportokhoz előre lerögzített kódot rendelünk. Ez a másodlagos kód úgy van kialakítva, hogy az író olvasó fej minimálisan 2 bitcellát, maximálisan 7 bitcellát legyen képes "utazni" anélkül, hogy impulzust érzékelne. (RLL 2,7 például minimálisan 2 maximálisan 7 egység szabad utat jelöl.) Ez a megoldás azt eredményezi, hogy az impulzusok távol kerülnek egymástól, azaz nem kell gyakori mágneses jelváltást használnunk. Manapság 3,11-es RLL értékekkel dolgozunk Nanotechnológia Lényeges bitsűrűség növelést várhatóan már csak új technológiák lesznek hívatottak elérni. Talán a legesélyesebb a "Millipede" azaz a százlábú technológia lesz. Az új nanotechnológiát felhasználva az IBM tudósai megmutatták, hogy hogyan lehet 20 trillió bit információt elhelyezni négyzet inch-enként (2,54 cm*2,54 cm). Ez 20 szor nagyobb adatsűrűséget jelent a mágneses adattárolás lehetőségeihez képest. Ez a nagyszerű adatsűrűség lehetővé teszi, hogy 25 millió nyomtatott könyvlap elhelyezését egy postai bélyeg nagyságú területen. A kutatás fedőneve "Millipede" azaz "százlábú". A technológia egy nagyon hegyes nano méretű csúcson alapszik, amely lyukakat éget egy vékony műanyag hártyába. A keletkezett mélyedés mintegy 10 nm. A kiolvasáshoz jelenleg egy 1000 csúcsból álló rácsot használnak. (Már fejlesztik a 4000 csúcsból álló letapogató rendszert, amely 7 mm 2 területen fog elhelyezkedni). A két diemnziós tömb szilicium tartó lapon helyezkedik el, amely 0,5 mikrométer vastag és 70 mikrométer hosszú. A lefelé mutató tűk 2 mikrométer hosszúak. (A jelenlegi letapogató eszköz 3 mm*3 mm és 1024 tűt tartalmaz.) Kifinomult technológia biztosítja, hogy a tűk jól csillapodjanak - ne jöjjenek rezgésbe. Az idő multiplexelt elektronika hasonlóan működik a DRAM áramkörökhöz. Ez a megoldás lehetővé teszi a tűk egyenkénti címzését. Íráskor mintegy 400 fokra hevítik a tűt, amely meglágyítja a vékony műanyagréteget és benyomódást hoz létre (Egy bit tárolása). Amikor a tű belepottyan a mélyedésbe, akkor lehül, és mérhető ellenállás változást okoz. Ez a jelenség használható az adat visszaolvasásához. Az adathordozó átírható, hiszen ha a régi mélyedés körül szorosan egymás mellé benyomódás sorozatot hozunk létre, akkor a kráterszegélyek átfedik egymást és így feltöltik a régi mélyedést. Az eszköz várható energia felhasználása 100 mw körül alakul. (A bejelentést 2002 juniusában tette az IBM) Háttér: (Scanning Tunneling Microscope, STM)- Pásztázó alagút mikroszkóp 60

61 Gerd Binnig és Heinrich Rohrer fejlesztette ki a pásztázó alagút mikroszkópot (Scanning Tunneling Microscope, STM). Működési elve dióhéjban a következő: egy igen hegyes tű (nanotechnológia alkalmazásával készül) végigpásztázza a vizsgálandó felszínt attól néhány Å 2 -nyi távolságban, miközben a tű és a minta között az alagút effektus miatt elektromos áram folyik. Ezt folyamatosan mérve számítógép segítségével megkapható a felület topográfiája - akár atomi felbontásban is. Binnigék az STM kifejlesztése után szinte azonnal rájöttek, hogy az alagútáram mérése helyettesíthető a tű és a felület között ébredő lokális erő mérésével. Így jutottak el a pásztázó erőméréses mikroszkóp, az AFM (Atomic Force Microscope) feltalálásához. A mozgató rendszer piezo-kristályok 3 segítségével van kialakítva. A detektáló rendszer a mérőrugó elmozdulását letapogató, lézer fény visszaverődést érzékelő elektronikából áll. A felszínhez közelítve a tűre először vonzó erő hat, ami taszítóvá válik - kellően közel kerülve a mintához. Ha ábrázoljuk az erő változását a távolság függvényében, akkor láthatjuk, hogy elöszőr a tű és a felület között fellépő erők vonzó erők, amelyek közelítve a mintához taszítóvá válnak. Ahol az erőgörbe a tengelyt metszi, ott éri el a tű a felületet. (Lásd alább) Ha a rugó a felszín felett haladva a változó erők hatására elhajlik, a visszacsatoló elektronika úgy módosítja a piezokristály z irányú deformációját, hogy a rugó az eredeti állapotába visszatérjen. (A visszacsatoló elektronika gyorsasága felső határt szab a pásztázási frekvenciának.) Ezáltal felvehető a z irányú piezofeszültség V z(x,y) függvénye, ami megfelel a felület topográfiájának, feltéve, hogy a tűre ható erő csak a tű és a felszín közötti távolságtól függ (az esetek nagy részében ez fennáll). A pásztázó alagútáram mikroszkópia kifejlesztéséért Gerd Binnig és Heinrich Rohrer megkapta a fizikai Nobel díjat! 2 Az ångström (vagy angström, rövidítve Å) egy hosszúság-mértékegység. Fıként az atomok és kémiai kötések méretének, a fény hullámhosszának kifejezésére használták. Mivel nem SI-mértékegység, használata kerülendı. Neve Anders Jonas Ångström ( ) svéd fizikustól származik. Egy ångström a nanométer tizedrésze, a méter tízmilliárdod része: 1 Å = m 10 Å = 1 nm 3 A piezoelektromosság olyan elektromos jelenség, melynek során bizonyos anyagokon (kristály, kerámia) összenyomás hatására elektromos feszültség keletkezik, illetve elektromos feszültség hatására alakváltozás jön létre 61

62 Vírus 48 darab vasatomból felépített, kör alakú kvantumkarám réz egykristály felületén ([10] nyomán). Jól kivehető, hogy a szabályos, kör alakú állóhullám-szerkezet csak a karám bezárása után alakul ki, előtte különféle szabálytalan mintázatok figyelhetők meg mintázatok figyelhetők meg Quantum korall: Vas a rézen A felszíni elektronok szabadon barangolhatnak a felszínen, azonban közeghatárhoz érve visszaverıdnek, mert a szilárd felszínbe nem hatolhatnak be. Amikor egy ilyen elektron szembe kerül egy ilyen akadállyal, részben visszaverıdik. A fodrozódások az élektıl és egyéb akadályoktól indulnak ki. Az állóhullámok kb. 15 Angström, kb. 10atomnyi átmérıjő hullámhosszúságúak. Amplitudójuk kb Angstrom. Egy DNS lácról készült felvétel 62

63 8.4. Út a nanovilágba (készítette az M&H communications szabad felhasználásra, a szerzıi jogok korlátozása nélkül) Egy harmatcsepp nagyító hatását valószínűleg már a történelem előtti ember észlelte. A fénymikroszkóp Leuvenhook általi felfedezése után a pár évtizede már atomi felbontást adó elektronmikroszkóp kifejlesztése következett. Még újabb ötlet volt a pásztázó elv felfedezése, de különösen annak általánosításai ismertette a Mindentudás Egyetemén Gyulai József a nanotudományhoz vezető út állomásait. Az pásztázó elv lényege, hogy egy nagyon kicsiny ponton valamivel (fény, részecske) megpiszkáljuk a vizsgálandó anyagot, mire az valamivel, például elektronkibocsátással válaszol. Az elektronok számát (áramot) megmérjük. Ezt követően egy szomszéd ponton végezzük el ugyanezt, és így tovább. Az egyes jeleket megjelenítjük például egy képernyőn sorba rendezve, s ezzel előáll a vizsgált anyag valamilyen tulajdonságának a képe. ĺgy fejlődött ki a pásztázó elektronmikroszkóp (Ruska, Nobel-díj, 1986) és a pásztázó alagútmikroszkóp (Binnig, Rohrer, Nobel-díj, 1986). A pásztázó alagútmikroszkóphoz évtizedek műszaki fejlesztése és egy nagy ötlet kellett: felismerni, hogy az ún. piezokerámiák zsugorodása-tágulása a ráadott elektromos feszültség függvényében reprodukálható és atomi méretű alakváltozást eredményez, azaz atomi méretű pásztázást tesz lehetővé. Ezt követően azután elszabadultak az ötletek, és mára már vásárolható pásztázó atomerő-mikroszkóp, pásztázó optikai mikroszkóp sok-sok változatban, pásztázó mágneses mikroszkóp, pásztázó (elektromos) kapacitásmikroszkóp, amelyekkel vizsgálható a nanovilág. Mindez nem teljesen idegen a mindennapi élettől sem. A korábbi lemezjátszóink pick-up -ja már valami ilyesmit csinált, de a számítógép rögzített mágneses adatainak kiolvasója, és különösképpen a CD-olvasók miniatűr lézere is nagyon hasonló elvet valósít meg. Még izgalmasabbá tette mindezt, hogy egyik-másik módszerrel akár egyes felszíni atomokat meg lehet fogni, máshová tenni, vagy éppen a kívánt helyre odalökdösni Miniatűr áramkörök Gordon Moore, az Intel kereskedelmi igazgatója 1974 táján üzleti terv készítése közben vette észre, hogy a gyár képes évente megkétszerezni az egy chipen elhelyezett tranzisztorok számát. Arra tette le a garast, hogy ez még pár évig lehetséges lesz. Hogy harminc évig, azt maga sem gondolta. A Moore-törvényt először az USA félvezetőgyárainak konzorciuma kezdte professzionálisan vizsgálni a National Roadmap of Semiconductor Industries [A Félvezetőipar Nemzeti Útvonala] című tanulmányban, mert azt akarták megtudni, hogy mit kell annak érdekében tenni, hogy a trend folytatódjék. A nagy érdeklődés és a szakma multinacionalitása következtében, valamint amiatt, hogy a lehetőségek széles körű vizsgálata még nem veszélyezteti egyes cégek vezető pozícióját, e tanulmány egy-két évente korszerűsített tanulmánysorozattá bővült, ez az International Technology Roadmap of Semiconductors [A Félvezetők Nemzetközi Technológiai Útvonala]. A Roadmap nem sci-fi, tudós vélemények szerint reális. A kétévenkénti korszerűsítés programja pedig agresszív fejlődést takar: a mai koncepció már a 2015-ig terjedő időszakra van szabva. A miniatürizálásnak nemcsak az azonnal látható előnyei döntőek (kis méret, kis fogyasztás stb.), hanem a megbízhatóság is megnő az integrációs fokkal. Minél többet zsúfolunk be az áramkörbe az emberi intelligenciából, annál ritkábban kell annak tőlünk, tévedni képes emberektől bármit is kérdeznie. Vannak véletlen események is: például ha az áramkör érzékeny részeibe radioaktív részecskék csapódnak, ezek elektronokat váltanak ki, ami a tranzisztorok áttöltődése révén egyszeri tévesztéssel (single event upset) jár. (A radioaktív szennyezés nem feltétlenül kozmikus vagy katonai eredetű: az olcsó áramkörök műanyag tokjában például jelentős tóriumszenynyezés szokott lenni, ami radioaktív lévén ugyanúgy kiválthatja a tévedést.) Mindennek a veszélyét azonban redundáns szervezéssel, többszörözéssel nagyrészt ki lehet küszöbölni. Persze a költségek hatványozottan nőnek példaként összevethetjük egy repülőgép elektronikájának megbízhatóságát egy pár centes órachipével. A miniatürizálás kérdése a Föld lakhatóságának fenntartása szempontjából is kulcskérdés: tízmilliárd ember léte csak rendkívül szervezett formában képzelhető el. Noha sokan még 63

64 marginalizálják a megújuló energiaforrások szerepét, az évszázad végére jelentősnek kell lennie az atom/ fúziósenergia és a megújulók részesedésének. A napenergia az időnek akár több mint 70 százalékában is képes lehet ellátni az igényeket, amikor a legnagyobb szükség van rá. Ha a klímagépünk áramát helyben termeljük meg napenergiából, akkor nyugodtan járhat, nem okoz környezeti melegedést. A direkt napenergia felhasználásában az időeltolódás minimális, legfeljebb a nappal megtermelt energiával az éjszakákat melegítjük kissé Nanotudomány különféle területeken A nanoméretű számítógép olyan elvekre épül, amelyeknél valamilyen atomisztikus fizikai mennyiség veszi át a tranzisztor kapcsolószerepét. Ilyen lehet az elektronok spinje, ugrás a szupravezető-nem-szupravezető állapot között stb. A kvantumszámítógép megvalósítását befolyásoló legfontosabb törvény talán az ún. Pauli-féle kizárási elv. Ez azt mondja ki, hogy egy olyan kvantummechanikai rendszerben, ahol érzik egymást a részecskék (fermionok), nem lehet két részecske teljesen azonos állapotban, legalábbis a spinjeiknek különbözniük kell. Ez adta az ötletet ahhoz a géphez, a kvantumsejtautomatához, amelynek az amerikai kifejlesztésében egy magyar tudós, Csurgay Árpád akadémikus is részt vett. Itt először egy fémpontokból álló rendszert hoznak létre egy szigetelő felületén oly módon, hogy a pontokra helyezett elektronok egymással vonzó-taszító kapcsolatban legyenek. Minden pontra két elektront helyeznek, melyek taszítván egymást átlósan helyezkednek el. Ha egy ponton átlökjük a rendszert, átbillen, mint egy dominósor. Ha az útvonalakat, összecsatlakozásokat különböző hosszúságúra készítjük, az ilyen sor képes algebrai feladatok (összeadás, szorzás stb.) végzésére. Persze csak nagyon-nagyon alacsony hőmérsékleten. Más elvű, lényegében a mai tranzisztorokhoz hasonló gépet valósít meg a szén nanocsövekre alapozott integrált áramkör. A szén nanocsövet 1991-ben Iijima fedezte fel. Az ún. egyfalú változatban ezek keletkezése úgy képzelhető el, mintha grafitból egyetlen síkot lehasítanánk és csővé tekernénk. Az összetekerés módjától függ, hogy a keletkező nanocső fémes vagy félvezető tulajdonságú lesz-e. A Magyar Tudomány című folyóirat októberi száma a nanotechnológiával foglalkozó tematikus szám, amelyben a hazai kutatások egy jelentős szegmensét sikerült megjeleníteni. A műszaki mikrotudománytól indulva az informatikai nanotudományon át a fizikai, optikai nanokutatásokon keresztül a kémiai és biológiai nanotudományig mutatja be a magyar eredményeket. A kis országoknak célszerű a réskeresés stratégiáját követniük: meg kell keresni azokat a pontokat, ahol a saját eszközeinkkel mások által észre nem vett vagy más okból nem művelt területeken tudunk figyelemre méltót alkotni. Ilyen területnek bizonyult a lepkék szárnyán a fotonikus kristályok tulajdonságainak felfedezése, amit több külföldi napilap is közölt a tudományos oldalain. A mikromegmunkálás témája is olyan, ahol a hazai eszközök, lehetőségek elegendőek ahhoz, hogy figyelmet keltő eredmények szülessenek. Ezen az alapon jöttek létre azok a konzorciumok, amelyek az Európai Unió Mesterséges szaglás néven futó prioritásához vezettek. E program végcélja a kábítószer-, robbanószer-, környezetkárosító gázmolekulák mérése, azonosítása. Az egyik elv egy szabályozható mikrofűtőtestre alapozódik, amelyre katalitikus anyagok vihetők fel, és az égéshő mérésével lehet az anyagokat mérni, a katalizátorral azonosítani. A témában jelenleg egy hatelemű chip kifejlesztése folyik környezetvédelmi célokra (szeméttelepek kigőzölgésének figyelésére). A chipen egy új rendszerű, mikroméretű gázáramlásmérő is van, amely úgy méri az átszivattyúzott gáz mennyiségét, hogy egy ilyen fűtőtest hőimpulzussal kissé felmelegíti az alatta áramló gázt és egy meghatározott távolságban létrehozott hőmérőnek kialakított érzékelővel mérjük, hogy mennyi idő múlva ér oda a melegített gáz. 64

65 Reálissá váló víziók A világ nagyon sok lehetséges és fantasztikus álmot álmodott meg a nanotechnológia terén. A bionanomotorok lehetősége például abban rejlik, hogy a biológiában a forgómozgás néhány célra kiállta az evolúció próbáját. Az ún. Adeozin-trifoszfát (ATPase) a sejtek energiaellátásának kulcsa. Ez a molekula kémiai energiát alakít forgómozgássá. Egy másik ilyen bevált forgás az E. Coli baktérium csillója (flagellum), a baktérium helyváltoztatásának eszköze. Ez a csóvává tekeredő fonalrendszer két irányban is képes forogni, és elviszi a baktériumot onnan, ahol rosszul érzi magát. Vonderviszt Ferenc személyében magyar kutató is részt vett abban a munkában, amely a csilló növekedését, működését vizsgálta Japánban. Modellkísérletek folynak a molekulának mesterséges nanomotorként való felhasználására. Az egyikben a molekula forgó rúdjára ültetnek egy pálcaalakú molekulát, amely együtt forog az ATPase-zal, a másiknál maga az ATPase-t dobja fel a felszabaduló energia. Gyulai professzor kutatócsoportja biokompatibilis chipeket is készített már, például olyanokat, amelyek elektródáival csiga-neuronokat tudtak stimulálni hosszú időn át, azaz a neuron kellemesen érezte magát a tápoldatba merített chipen. A Genomics biochipjének előállításához is a félvezetők eszköztára kell, de a rögzített és aktivált fehérjék jelének detektálása fluoreszcenciával, optikai képfeldolgozással történik. GONDOK, DILEMMÁK Az emberiséget a fosszilis anyagok okozta energiabőség elkényeztette egy sok nagyságrenddel nagyobb termelékenységgel, mint amit a Nap-élet tenne lehetővé. A civilizáció eszközeit nem növesztjük, hanem termeljük. A termelés lényege, hogy a minőségi követelmények határain belül azonos ( klónszerű ) termékeket állítunk elő, nagy tömegben, gyárakban. Az élővilág evolúciós fejlődésének lényege ezzel szemben az önreprodukció, és ha egy-egy kis hiba (mutáció) csúszik be, az új minőséget annak tartós, örökített fennmaradása teszteli. A mai ipar megbízhatósági követelményei óriásiak, az élővilág sokkal több hibával fejlődik. Gondoljunk például egy repülőgép elektronikájára úgy, hogy éppen benne ülünk. A kiemelkedő minőségű (például katonai) áramköröknél legfeljebb minden 1010 elvégzett művelet esetén lehet egyetlen tévesztést tudomásul venni, de még ez sem jelent katasztrófát: a mai gyors számítógépek a kormány tényleges elfordítására kiadandó parancsot megelőzően akár sok százszor újra ellenőrizhetik a gyanús eredményt. Ezt a megbízhatóságot a nanotechnikai szimulációra kínálkozó élővilág aligha tudja produkálni. Egy nanotechnológiai termék tesztje a természetes kiválogatódás gyorsított változatát igényelné. Azaz nem fogadható el, hogy arról a generációk sora ( vevői elégedettség?) döntsön. Minden nagy tudományos eredménynél fontos, hogy az alkalmazást megelőzze a gondos hatásvizsgálat, e szabály betartása azonban nem jellemzi az emberiséget. ĺgy folyamatukban kell az eredmények hatásairól meggyőződnünk. Vajon felkészültünk-e a mikroelektronika utáni időszak fejleményeire? University kutatóinak egy csoportja megalkotta az első elemi szilárd félvezető kvantumprocesszort, ami egy újabb lépést jelent a végső cél, a kvantumszámítógép megépítése felé. A két qubit-es (lásd később) szupravezető chipen olyan elemi 65

66 algoritmusokat futtattak, mint az egyszerű keresés, így az első alkalommal mutatták be kvantum-információ feldolgozását egy szilárd félvezető eszközön. Tanulmányuk online változata a Nature-ben jelent meg június 28-án. "Processzorunk csak néhány nagyon egyszerű kvantum-feladat végrehajtására képes, melyeket már korábban is bemutattak atommagokkal, atomokkal és fotonokkal - mondta Robert Schoelkopf, a Yale fizikaprofesszora - de ez az első alkalom, hogy mindez egy teljesen elektronikus készülékben lehetséges, ami sokkal inkább hasonlít egy szokásos mikroprocesszorra." Mesterséges atomok Az elméleti fizikusoknak Steven Girvin professzor által vezetett csoportja két mesterséges atomot avagy qubit-et (kvantum bitet) készített. Bár mindegyik qubit egymilliárd alumínium-atomból áll, úgy működnek, mint egyetlen atom, melynek két különböző energiaállapota van. Ezek az állapotok hasonlóak a hagyományos számítógépek rendes bitjeinek "1" és "0" vagy "on" és "off" állapotaihoz. Az intuíciónak ellentmondó kvantummechanikai törvények következtében azonban a tudósok hatékonyan helyezhetnek többszörös állapotú qubit-eket "szuperpozícióba" ugyanabban az időben, ami nagyobb információtárolást és feldolgozási teljesítményt tesz lehetővé. Képzeljük el például, hogy négy telefonszámunk van, melyek egyike a barátunké, de nem tudjuk, hogy melyik. Ilyenkor általában két vagy három számot kell kipróbálni, mire sikerül a helyes számot tárcsázni. Egy kvantum-processzor azonban egyetlen próbálkozással képes megtalálni a megfelelő számot. "A számok egymás utáni hívását kvantummechanikával fel lehet gyorsítani. A négy számot szimultán ellenőrző hívás csak az egyetlen helyes számot engedi át" - magyarázza Schoelkopf. Már a másodperc milliomod részéig léteznek Bár egyszerűek az ilyenfajta számítások, eddig nem lehetett őket szilárd félvezető qubit-ek használatával elvégezni. Részben azért nem, mert nem léteztek elég sokáig megmaradó qubit-ek. Míg az első qubit-ek egy évtizeddel ezelőtt körülbelül egy nanoszekundumig tudták megőrizni kvantumállapotukat, Schoelkopf és csoportja ezerszeresére, egy mikroszekundumra növelte ezt az időt, ami már elég egy egyszerű algoritmus lefuttatásához. A qubit-ek egy "kvantum-busz"-t, fotonokat használnak az egymás közötti kommunikáció során a műveletek végrehajtásához. Ezek a fotonok továbbítják az információt a qubit-eket összekötő, a Yale csoportja által már korábban kifejlesztett vezetékeken. A két qubit-es processzort lehetővé tevő megoldás a qubit-ek hirtelen "on" és "off" állapotokba kapcsolása volt, így azok gyorsan cserélnek információt, és csak akkor, amikor a kutatók azt akarják - mondja Leonardo DiCarlo, a Yale's School of Engineering & Applied Science alkalmazott fizikai posztdoktori munkatársa, a tanulmány vezető szerzője. A jövőben a csoport növelni fogja azt az időt, ameddig a qubit-ek megőrzik állapotukat, így bonyolultabb algoritmusokat is le tudnak majd futtatni. További tervük több qubit összekötése a kvantum-busszal. A feldolgozás hatékonysága minden egyes qubit hozzáadásával exponenciálisan nő, így a kifejlesztendő kvantum-számítások lehetőségei hatalmasak. Azonban némi idő még hátra van addig, amíg a kvantum-számítógépek összetett problémák megoldására lesznek használhatóak - mondja Schoelkopf. Posztobányi Kálmán 66

67 * * * A tanulmány szerzői Leonardo DiCarlo, Jerry M. Chow, Lev S. Bishop, Blake Johnson, David Schuster, Luigi Frunzio, Steven Girvin and Robert Schoelkopf (mindnyájan Yale University), Jay M. Gambetta (University of Waterloo), Johannes Majer (Atominstitut der Österreichischen Universitäten) és Alexandre Blais (Université de Sherbrooke). Hivatkozás: /nature08121 Újabb lépéssel kerültünk közelebb a kvantumszámítógép és a kvantum-internet létrehozásához: megoldották egyetlen egy foton (!), egyetlen fénykvantum szabályozott kibocsátását. A német Max Planck Kvantumoptikai Intézet kutatóinak eredményét a Nature közölte. A kísérletek során először lézeres hűtéssel annyira lelassítottak egyetlen kalciumiont, hogy mozgása egy mindössze 40 nanométer átmérőjű térrészre korlátozódott. A szinte álló iont két nagyon erősen visszaverő, pontosan beállított tükör fogta közre, ezzel az ion csapdába záródott. Ezután egy lézerrel oldalról bevilágítottak az üregbe, mire az ion elnyelt egy fotont a nyalábból, vagyis a lézernyaláb gerjesztett állapotba vitte az iont. Az ion ezután egy 866 nanométeres hullámhosszú fotont bocsátott ki az üregbe, majd ez a foton az egyik részben átlátszó tükrön keresztül kilépett. A fotonkibocsátás után a kalciumion olyan állapotba került, amelyben képtelen volt egy újabb gerjesztő fotont felvenni, emiatt nem tudott újabbat sem kibocsátani - tehát a lézerimpulzusra egyetlen foton kibocsátásával reagált. A folyamatban nem volt spontaneitás, a kalciumion akkor és olyan fotont bocsátott ki, amilyet a kutatók akartak. A későbbi gyakorlati alkalmazás szempontjából fontos adat, hogy az eszköz máris hosszú ideig működik, a módszernek lényegében a kalciumion csapdában tarthatósága szab határt, ez pedig több óra. Egy ion és egy foton szabályozott kapcsolatának megteremtése elengedhetetlen egy nagy távolságot átfogó kvantum-távközlési rendszer működtetéséhez. A helyi adatfeldolgozó rendszereket optikai csatorna köti majd össze, a végpontokon ionok indítják, illetve fogadják a fotonokat. Megvalósulhat az internet kvantum változata. Jéki László 67

68 9. Analóg hangrögzítı-berendezések A gondolkodó embert már évszázadok óta foglalkoztatja a hangok rögzítése, visszajátszása. Már a középkorban is foglalkoztak a hang mibenlétével, reprodukálásával. Az ötödik század végén Bonetius római filozófus ( ) már világosan leírja a hang és a mozgás gyorsasága közötti összefüggést. Ekkor az emberiség tudásszintje még nem volt elég a technikai megvalósításhoz. Az akusztikus felvételek Az 1800-as évek második felében Jean Duhamel a levegő rezgéseit rugalmas hártya és ehhez erősített tű segítségével gondolta rögzíthetőnek valamely lágy anyagban. Az első ténylegesen működő berendezést Thomas Edison alkotta meg Duhamel elképzelései alapján, a műszerész John Kruesi segítségével. Edison egy hengerre feszített lágy ónfóliára rögzítette a hangot (acél)tű, membrán és egy hangfelfogó tölcsér segítségével. A hengert egy csavarmenet forgatta, így a tű egy spirálmenet mentén képes volt rögzíteni a hangot az általa keltett rezgések erőssége formájában. A készülék a lejátszásra is alkalmas volt, ekkor a barázdában rögzített rezgések mozgatták a tűt, aminek mozgása egy fémlemezt hozott rezgésbe. A rezgést a tölcsér erősítette fel hallható hanggá, ami gyakorlatilag kezdetleges hangszóróként működött (ún. akusztikus erősítő). Edison szerkezete (az eredetileg diktafon célra megalkotott fonográf) működés közben zavaró, fülsértő hangokat bocsátott ki, valamint az ismételt lejátszásokhoz nem bizonyult elég tartósnak (csak kb. ötszöri lejátszás volt az élettartama, az eredeti ón hengerek, a későbbi tökéletesített viaszhengerek akár több százszor is lejátszhatók voltak). Miközben a század végére a hengeren rögzített hangfelvételek megalapozták piaci jelenlétüket, folytatódtak az alternatív próbálkozások a hangok rögzítésére. A mágneses rögzítésre tett korai kísérletek Edison, Bell és Tainter, Oberlin Smith, valamint Valdemar Poulsen nevéhez fűződnek utóbbi később megalkotta a vezetékes felvevőt E.Berliner találmánya: gramofon A fonográf megjelenése után 10 évvel, szeptember 26-án kapott szabadalmat a gramofon nevű készülékre Emil Berliner német feltaláló (később testvérével közösen ő alapította meg a Deutsche Grammofon Gesellschaftot, a Német Gramofontársaságot). A gramofon egy korong felületén létrehozott spirálmeneten (ún. barázda) rögzíti a hangot. Ezek könnyebben tárolhatók, afonograf fonográfhengerekhez képest kevesebb helyet foglalnak, hosszabb idejű hangrészleteket képes tárolni mint egy fonográf henger (egy lemezre körülbelül 3-4 perc műsor fért fel), valamint a 68

69 lemezek másolása is sokkal könnyebben megvalósítható: egy megfelelően elkészített nyomóminta segítségével lehet a korong alapanyagba belepréselni a hanginformációt. Egy ilyen mintával több száz lemez is elkészíthető volt. Kezdetben a lemeznek csak az egyik oldalára vettek fel műsort, csak 1904-ben vezették be a mindkét oldalán lejátszható hanglemezt. Ezek az előnyös tulajdonságok hamar népszerűvé tették a gramofont és lassan kiszorították a fonográfot a piacról: a hengerek folyamatos visszaszorulásával párhuzamosan váltak meghatározóvá a hanglemezek. Berliner sokat foglalkozott a lemezek alapanyagával is: eleinte cinklemezbe majd keménygumiba vágta a hangfelvételt. Hosszú kutatás után rátalált a sellakra (egy trópusi vidéken élő levéltetű elgyantásodott váladéka), melyet tisztítva hoztak forgalomba. Ez kellően puha volt a préseléshez, olcsó és jó minőségű hanglemezek voltak készíthetők belőle, ezért a sellak mindenütt felváltotta a cinklemezt és a keménygumit. A műanyagok forgalomba hozásáig nem is akadt ennek az anyagnak vetélytársa a hanglemezgyártásban Az elektronikus felvételek Az 1920-as évek közepén a mikrofonok és a hangszórók fejlesztése terén és a rádió megjelenése nyomán elért eredményeket alkalmazták a hangfelvételeknél. Az AT&Bell labor 1924-ben megteremtette (a Western Electric bemutatta) az elektromechanikus hangfelvételi eljárást. A mikrofonnal, erősítővel és elektromos lemezvágó géppel készített felvételek frekvenciasávja és dinamikája jóval meghaladta az akusztikus felvételekét, torzításuk pedig nagymértékben csökkent. Az 1930-as években a lemezipar komoly harcot vívott a rádió kínálta ingyenes tartalommal, amely komoly ellenfélnek bizonyult. Eközben a német Fritz Pfleumer azzal kísérletezett, hogyan lehet vas-oxid elemeket (szemcséket) papírszalagon rögzíteni mágneses hangfelvétel céljából. Az 1940-es években háború okozta alapanyag-hiány, illetve a zenészekkel az eladott példányok után járó honorárium mértékéről folytatott elhúzódó vita miatt továbbra is gondokkal küzdenek. A II. világháború után a gramofon és hanglemez gyártás újra fellendült Új lemezformátumok szeptemberében az RCA Victor amerikai rádió és hanglemeztársaság mutatta be először a kísérleti stádiumban levő 33 1/3 fordulatszámú hosszan-játszó (mikrobarázdás) lemezt, a végleges verziót a magyar származású Peter C. Goldmark hangmérnök irányítása alatt fejlesztették ki a Columbia Records megbízásából, és magát a forgalmazást is a Columbia kezdte 1948-ban: ez volt műszaki szempontból a háború utáni évek első nagy dobása a témában. A 12 inches, 33 1/3 hanglemezfordulatszámú vinyl lemezek több mint 20 perc játékidőt biztosítottak oldalanként, s messze tartósabbak voltak, mint 78-as fordulatszámú elődei. A Columbia lemeze után RCA Victor 1949-ben mutatta be a 7 inches 45-ös fordulatszámú plasztik lemezt, a két különböző formátum eltérő sebességű lejátszókat igényelt, s a következő években komoly verseny kezdődött a két technológia között. A lemezvásárlók zavarodottsága nyomán az iparág az LP-t a teljes lemezek, a 45- ös fordulatszámot a kislemezek számára jelölte ki szabványként. Az LP megjelenését követően a lemezeladások mintegy háromszorosára emelkedtek, közben 1955-től a 78-as fordulatszámú lemezek korszaka leáldozott ban egy újabb jelentős formátumbeli változásra kerül sor a sztereó felvételek világszabványának átvételével, melynek alapjait a '30-as években a Columbia Records tudósa, A. D. Blumlein fektette le. Míg a korai sztereó-lemezek az új rendszer reklámszerű bemutatására szolgáltak, gyorsan nyilvánvalóvá vált, hogy a technológia jelentős 69

70 élménybeli előrelépést jelent a zenehallgatás terén. A mono és sztereó megjelenés hétköznapossá vált, majd a mono felvételek az 1960-as évek végére lényegében eltűntek A hanglemez mőszaki jellemzıi A hanglemezek kétféle méretben készülnek. A hosszanjátszó, ún. "longplay" lemezek 300 mm névleges átmérővel, a kislemezek 170mm névleges átmérővel. A 300 mm-es lemezek lejátszási fordulatszáma 33, a 170mm-es lemezek lejátszási fordulatszáma 45 fordulat percenként. A hanglemez vastagsága kb. 1,5-2mm. A 300 mm-es lemez középpontjában 7,24 +0,09/-0mm átmérőjű furat van, a 170 mm-es lemez nagyméretű középponti furata 38mm átmérőjű. A sztereo hanglemez barázdáit egymással 90 -os, a lemez síkjával 45 -os szögben vágják. Így a két barázdaoldalba rögzített sztereo információ "monokompatibilis". Ez azt jelenti, hogy mono hangszedővel is lejátszható. A középpont felé eső belső barázdafal hordozza a bal csatorna információit, a hanglemez külső kerülete felé eső külső barázdafal hordozza a jobb csatorna információit A lemezjátszó felépítése A lemezjátszó mechanikai és elektromos szerkezetek kombinációjából kialakított készülék, amelyeknek összehangolt működése teszi lehetővé a hanglemezre rögzített hang lejátszását és megszólaltatását. A fő mechanikai alkotóelemek a következők: lemeztányér hajtómotor lejátszókar alváz Az elektronikai alkotóelemek: hangszedı motoráramkör vezérlı- és kapcsoló elektronika Hangszedők feladata: A lemez barázdáiban mechanikai rezgésként tárolt hanginformáció megszólaltatása. Régebben ezeket a rezgéseket közvetlenül levegőrezgésekké alakították, de rossz hatásfoka, nagy torzítási és erős lemezkoptatási hatásai miatt nem vált be. Tehát ma már a hangszedők a mechanikai rezgéseket elektromos jelekké alakítják. Az elektromos jeleket erősítés után egy újabb elektroakusztikai átalakító, a hangsugárzó alakítja át hanggá A hangszedőket három fő részre bonthatjuk: átalakító-rendszer tőbefogó: (a tőtartó fogja össze azokat az apró alkatrészeket, amelyek arról gondoskodnak, hogy a tű által érzékelt barázdamozgást a hangszedő átalakítórendszerének mozgó eleméhez továbbítsa) tő: - a hangszedı egyetlen olyan része, amely lejátszáskor a barázdával közvetlenül érintkezik. Feladata: a barázdában haladva a lehető legpontosabban kövesse a vágótű mozgását. Természetesen a lejátszótű nem lehet ugyanolyan alakú, mint a vágótű, mert 70

71 kiforgácsolná a barázdarezgéseket, helyette egy eltérő alakú, éles átmenetekkel nem rendelkező tűre van szükség. Lehetőleg a lemez se rongálja a tűt, ezért anyagának keménynek kell lennie. Az induktív jellegű hangszedők között, a Hi-Fi technikában legelterjedtebbek a mágneses hangszedők. Felépítésük szerint háromféle különböztethető meg: mozgó mágneses (magnetodinamikus), mozgó lágyvasas (indukált mágnesű), változó mágneses ellenállású. A mozgó mágneses hangszedő a hangbarázdában mozgó lejátszótű mechanikai rezgésének megfelelő hangfrekvenciás kimenő jelet a mágneses indukció elve alapján állítja elő: ha egy tekercsen áthaladó mágneses erővonalak száma változó, a tekercsben áram indukálódik, ami a kivezetéseken feszültségváltozásként jelenik meg. E hangszedőben tehát egy vagy több tekercs a jelátalakító, amelynek vasmagja előtt a lejátszótű tartószára egy parányi mágnesrudat rezegtet, a lejátszott barázdák rezgéseinek megfelelően. A rezgések ütemében folyamatosan változik a mágneskör fluxusa is, aminek eredményeként hangfrekvenciás váltakozóáram indukálódik a tekercsben. A mozgó mágneses hangszedő sebességérzékeny, mert a kimenetein megjelenő feszültségszint nem a barázdában rögzített amplitúdó abszolút értékétől, hanem a vágási sebességtől a frekvenciától és a kitéréstől is függ. A mozgó lágyvasas hangszedő felépítése és működési elve hasonló a mozgó mágneses hangszedőéhez. Ennél azonban a hangszedő mozgó eleme nem mágnes,, hanem lágyvas (ami a tűtartó szárához van rögzítve). E lágy-vas azonban a hangszedő belsejében állandó szórt mágneses térben van, s ezáltal másodlagos mágnesként viselkedik. A lejátszótű rezgési ütemében itt is folyamatosan változik a mágneskör fluxusa, ami hangfrekvenciás váltakozóáramot indukál a tekercsben. A mozgó lágyvas alkalmazásának az a 71

72 legfőbb előnye, hogy a mozgó rendszerben nincs mágnes, így tömege nem kötött. Ezáltal az effektív tűtömeg rendkívül kicsi, a rugóengedékenység pedig a lehető legnagyobb. A változó mágneses ellenállású hangszedő szerkezeti felépítése lényegesen külö nbözik az előbbi két induktív jellegű hangszedőétől. A változó mágneses sönt elven működő vagy más néven polarizált fegyverzetű hangszedő felépítésében az a lényeges különbség az eddigiekhez képest, hogy a mágneses erővonalak forrása és a tekercsek a zonos mágneses körben helyezkednek el. Míg a mozgó mágneses és mozgó lágyvasas hangszedőkben, nyugalmi helyzetben a tekercsek lágyvas magja mágnesezetlen, s a fluxusváltozás a lejátszás közben ezek felmágneseződése alapján jön létre, addig a változó mágneses ellenállású hangszedő tekercsében állandómágnes van, s a le-játszótű egy lágyvas keresztet mozgat, ami lejátszás közben mágneses söntként viselkedik A hanglemez gyártása: A hanglemezre rögzítendő műsort a stúdiókban sokcsatornás magnetofonra veszik fel és a szükséges - műszaki és művészi - szempontok alapján végzett keverés után kétcsatornás sztereo magnóval rögzítik. Erről a sztereo mesterszalagról játszák át a hanglemezvágóra a rögzített műsort. A hanglemezvágó fűtött tűvel lakklemezbe (esetleg néha még viaszlemezbe) vágja a magnóról lejátszott információt. Az így elkészített - viszonylag képlékeny felületű lemez, a gyártási és sokszorosítási folyamatban az első mechanikai jeleket tartalmazó információtároló. A vágott lemez felületét ezüstözik, majd az ezüstözött felületre galvanikus úton, kb.1mm vastagságú nikkel-réteget visznek fel. Ezt leválasztják a lakklemezről, s erről az alaplemezről további galvanikus másolatot, ún. anyalemezt készítenek. Az anyalemezről szintén galvanoplasztikával a sokszorosítandó mennyiség figyelembevételével több tucat "fiúlemezt" készítenek. Egy-egy fiúlemezről műanyag másolatú lemez préselhető. E fiú-lemezeket nevezik prés-matricáknak, amelyeket egymással szembefordítva (A és B oldal) szerelik be a présgépbe. A sokszorosított hanglemezt hőre lágyuló PVC alapanyagú vinilitből préselik A szalagos rögzítés (A mágneses hangrögzítés rövid története) 1888-ban Oberlin Smith vetette fel először az ötletet az Electrical World c. amerikai folyóiratban. Szerinte valamilyen alkalmas szerkezettel mozgásban tartott, acélporral bevont fonalat a mikrofon áramingadozásaival kellene mágnesezni. A fonal acélpor bevonatában visszamaradó mágnesesség ség (úgynevezett remanencia) erőssége a mikrofont érő hangjelenségeknek megfelelően ingadozik majd, s ilyen módon a hang rögzíthető. Ő azonban nem tökéletesítette ezt az ötletet. Miután több fantáziát látott az ilyen irányú kísérletekben, munkája eredményeként ban Waldemar Poulseen nyilvánosságra hozta a Telegraphon nevű berendezését. Ez egy függőleges hengerből állt, melyre csigavonalban körbefutó kis barázdában vékony zongorahúr volt felcsévélve. Felvételkor a mágnesfejet egy keret a henger körül forgatta, miközben az acélhúrspirál az elektromágnest a csúszkán végigtolta. Így a hozzákapcsolt mikrofon áramingadozásait rámágnesezte a húrra. A feleslegessé vált felvétel egyszerűen letörölhető volt, ha az acélhúrt az elektromágnes segítségével egyenletesen végigmágnesezték. A készüléket az 1900-as párizsi világkiállításon bemutatták, ahol díjat is nyert. A játékideje igen rövid volt a nagy felvételi sebesség miatt (20 m/mp). A hosszabb játékidő ennél a szerkezetnél szükségszerűen nagyobb hengerrel járt volna, amin Kurt Stille ötlete segített: acélhúr helyett 3 mm széles és 0.05 mm vastag acélszalagot használt a felvételhez és azt tekercsalakban helyezte el a módosított készüléken. A lejátszási idő még így is rövidnek bizonyult, illetve volt más probléma is: a hangot csak halkan tudta visszaadni, amin akkoriban nem tudtak segíteni a fejlesztés egy jó darabig leállt. 72

73 1920-ban az elektroncső feltalálása fordította újból a figyelmet a magnetofon felé, még ugyanebben az évben Dr. Stille és Nasarisvili kísérletezett a mágneses hangfelvételi eljárás továbbfejlesztésével. Stille szalagos és huzalos készüléket is készített. Az első (tölcséres) hangszóróval felszerelt hangrögzítő készüléket Max Kohl szerkesztette 1921-ben. Ez a gép 130 mm átmérőjű acélkorongokra mágnesezte a felvételt és elektroncsöves erősítője segítségével a gramofonok hangerejével vetekedett. Narasvili 1921-ben papírszalagra fémnikkelt rétegzett, majd gondolatát Pfleumer fejlesztette tovább: papírszalagra vörös vasoxid port vitt fel, és így állított elő mágnesezhető hanghordozót. A szemcsenagyság még meglehetősen durva volt, később ezt a szalagot tökéletesítette tovább az I.G. Farbenindustrie/BASF jogelődje. Ugyancsak 1921-ből származik Carlson és Carpenter szabadalma:a nagyfrekvenciás előmágnesezés - 10kHz-es árammal. Hatására az alapzaj és a torzítás nagymértékben csökkent, sajnos ez a találmány szinte teljesen feledésbe merült, és csak 1941-ben alkalmazta ismét - jelentősen továbbfejlesztve - Braunmühl és Weber ben mutatták be a berlini rádió-kiállításon az első mágnesszalagos hangrögzítőt, a K1- es (Koffer 1) készüléket, a MAGNETOPHON-t, melyet AEG fejlesztett ki. A neve levédett szabadalom volt. Az acetát hordozójú - type C - mágnesszalagot eredetileg (is) a hang felvételéhez fejlesztették ki az I.G. Farben ludwigshafeni gyárában. A II. világháborúig csak Németországban volt magnetofon, ott is csak rádióstúdiók számára. A háború vége felé (1944-ben) a zsákmányolt német magnetofonokat vitte haza több ország, így az USA, Anglia, Japán és a Szovjetunió is. Ezek közül az országok közül az Egyesült Államokban ismerték fel leghamarabb a magnetofonban rejlőtascam műszaki és piaci lehetőséget. Bing Crosby és az Ampex Corp. érdeklődést mutatott az eljárás iránt, s a híradó technikusként szolgált katona John Mullin a háború után megismertette a magnetofont az USA-val. A szalagra történő rögzítés után a felvétel montírozással szerkeszthető volt. A többsávos rögzítés mindemellett lehetővé tette a műsorok újraszinkronizálását, ezzel is növelve a kreatív lehetőségeket ban a Philips bemutatta a rögzítés új formáját, mely a tömegek számára is elérhetővé tette a szalagos rögzítést: a magnókazettát (Compact Casette) ben (a Dolby laboratóriumban) bemutatták a Dolby B zajszűrő rendszert. Az előre rögzített kazetta hamarosan nagy népszerűségre tett szert, mint hordozható, illetve autóban is hallgatható zenei közvetítőeszköz. Egy konkurens formátum, a 8 sávos - 8 track - cartridge rendszerű sztereó kazettát 1966-ban mutatták be, s az autósok körében rövid idő alatt sikeres lett. A kompakt kazetta azonban kezelhetőségével és megbízhatóságával nem adta be a derekát, sőt, a Sony hordozható walkmanjének 1979-es bemutatásával tovább szárnyalt. A kazetták dominanciája a zeneiparban 1983-ra csúcsosodott ki, amikorra a gyártók gyakorlatilag leálltak az előre rögzített 8 sávos hanghordozók gyártásával A mágneses hangrögzítés elve Egy nem mágnesezhető mechanikai hordozóanyagra mágnesezhető réteget (vas, kobalt, nikkel ötvözeteket) visznek fel. Ha a tekercsbe megfelelő erősségű áramot vezetünk, az elemi mágnesek egyik vagy másik irányba mágneseződnek (rendeződnek el). Az elemi mágnesek ezt az állapotukat hosszú ideig megtartják. Ha ezután a mágneses adathordozót ismét elmozdítjuk egy tekercs előtt, amelyben természetesen nem folyik áram, akkor ezek az elemi mágnesek elhaladva a tekercs előtt, abban feszültséget hoznak létre, indukálnak. Ez az indukált feszültség a rögzített jelnek felel meg, amit a gépben megfelelően felerősítve és átalakítva vezérlésre használhatunk A mágneses hangrögzítés egységei A magnetofonok mágneses hangrögzítő eszközök, amelyek általában 3 hangrögzítési részfolyamat összekapcsolódása alapján működnek. 1. Felvétel: a tényleges hangrögzítési folyamat, amelyben a hangot hangfrekvenciás feszültséggé, majd mágneses erőtérváltozásokká alakítva, az erőtérrel érintkező és folyamatosan haladó szalagban változó mágnesesség keletkezik. 2. Lejátszás: a felvétellel ellentétes folyamat. 73

74 3. Törlés: a szalag minden pontján egyenletes erősségű nagyfrekvenciás feszültséggel (30kHz feletti), illetve annak megfelelő mágneses erőtérrel semleges állapotot hozunk létre Dolby-rendszer: A dinamika szélesítésére (jel-zaj arány növelésére), a káros zajfeszültség csökkentésére kidolgozott eljárás. Azon az elven alapszik, hogy a zavaró hangok a magas (500Hz feletti) hangokat jobban elnyomják, elfedik, mint a mélyeket. A Dolby-rendszer, ezért frekvenciafüggő szintszabályozást végez (már10hz felett), és amplitúdótól függő frekvencia korrekciót hajt végre egy adott szintnél kisebb jel esetén. Felvétel esetén egy ún. dinamika kompresszor-áramkör a kis intenzitású hangok szintjét emeli, a nagy intenzitású hangokét, pedig csökkenti. Lejátszáskor egy dinamikaexpander- áramkör ezzel fordított műveletet végez. A hangtechnikában használt magnószalagokat megkülönböztethetjük a jelhordozó minősége és anyaga alapján, a teljes vastagság alapján és a szalagtárolási rendszer szerint. A jelhordozó minősége és anyaga alapján megkülönböztetünk: feketevasoxidos vagy vörösvasoxidos, krómdioxidos, vasoxidos-krómdioxidos keverékű, ún. ferrokróm jelhordozót, végül a koherens tisztafém alapanyagú, azaz metal szalagokat Magnófejek A hangtechnikában használt mágneses hangrögzítőkben alkalmazott ún. kettős jelforrás. Egyrészt a magnószalagra rögzítendő, a hangfrekvenciás jelfeszültséggel keltett mágneses erővonalakat bocsátja ki, másrészt a magnószalagról letapogatott mágneses jeleket alakítja át hangfrekvenciás feszültségingadozássá. Rendeltetés szerint négyféle magnófejet különböztetünk meg: a) Törlőfej, ami a magnószalag törléséhez szükséges mágneses teret állítja elő. b) Felvevőfej, ami a rögzítendő, nagyfrekvenciára szuperponált hangfrekvenciás jelet mágneses térré alakítja és az előtte elhaladó szalagra rögzíti. c) Lejátszófej, ami az előtte e elhaladó, korábban már felmágnesezett magnószalagon levő fluxusváltozások hatására, azzal arányos hangfrekvenciás váltakozófeszültséget állít elő. d) Kombináltfej, ami egyaránt használható felvevő-,, ill. lejátszófejként és a hozzákapcsolt erősítőrendszer működésmódjától függően hol fel-vevő-,, hol lejátszófejként funkcionál. A rögzített, ill. lejátszott sávok száma szerint, a következő magnófej fajtákat különböztetjük meg, függetlenül azok rendeltetésétől: a) Teljessávos fej, ami a szalagot teljes szélességében égében felmágnesezi, ill.letapogatja. b) Félsávos fej, ami a szalagot fél szélességben mágnesezi fel, ill. tapogatja le. Így a szalag megfordítható és még egy fél sáv áll rendelkezésre. c) Kétszer negyedsávos fej, ami a nemzetközileg egységes sávbeosztás szerint két negyedsávban vagy egy negyedsávban mágnesezi fel, ill. tapogatja le a szalagot. Kétszer negyedsávos rögzítésnél kétszeresen, negyed-sávos rögzítésnél négyszeresen használható ki a szalag mágnesezhető oldala. d) Kétszer félsávos fej, ami két félsáv szélességben mágnes ezi fel, ill. tapogatja le a magnószalagot. e) Négyszer negyedsávos fej, ami egyszerre négy negyedsávban mágnesezi fel vagy tapogatja le a magnószalagot. 74

75 9.11. Fotooptikai hangrögzítés: a film hangja A fotooptikai vagy optikai hangrögzítés volt az első eljárás, amely hangot helyezett el a filmen, és manapság is ez maradt az egyik legnépszerűbb eljárás. A film fényérzékeny felületére a hangsávok váltakozó erősségű feketedés vagy azonos feketedésű, de változó szélességű hangcsík formájában kerülnek rögzítésre. Lejátszáskor a felvételi sebességgel azonosan egyenletes sebességgel továbbított filmszalag hangcsíkját egy keskeny fénysugár világítja át. A hangcsíkon keresztüljutó fénysugár egy fotocellára vetítődik. A fotocellára jutó fény erőssége a hangcsík feketedésének vagy szélesség ingadozásának megfelelően váltakozik a fotocellában a változások ritmusának megfelelő váltakozó hangfrekvenciás feszültséget kelt. A fotocellában keletkező hangfrekvenciás feszültség felerősíthető és ismét hallhatóvá tehető. A hangfrekvenciás rezgések felvétele és lejátszása optikai, kémiai eljárás kombinációjával történik. A rögzítendő hangot mikrofonból vagy egyéb hangfrekvenciás feszültségforrásból egy erősítő bemenetére kapcsolják, amely megfelelő nagyságú hangfrekvenciás váltakozó árammá alakítja át. Ezt a hangfrekvenciás váltakozó áramot egy hangfényképező készülékbe vezetik, amelyet fénykamerának neveznek. A film szabadon futó része fényérzékeny oldalával felfelé egy fényrekesznyílás előtt halad el, amely a perforáción belüli sávra egy fénycsíkot vetít. A fotooptikai eljárás széleskörű elterjedéséhez számos előny járult hozzá. Először is a hangcsíkot a filmmel egy időben helyezik a filmszalagra. Vagy egy másik fontos előnye, hogy a hangcsík ugyanolyan hosszúságú, mint a filmszalag. Ezenkívül előnyt jelent, hogy a vetítéshez használatos projektorban elhelyezett optikai fej gazdaságos és könnyen karbantartható. 75

76 10. Analóg képrögzítés CAMERA OBSCURA Lyukkamera - a fényképezőgép, a laterna magica és a vetítőgép őse. Egy szoba vagy egy doboz egyik falán megfelelően kicsi lyukat vágva, a kinti tárgy fordított, színes képe a szoba vagy a doboz szemközti, belső oldalfalára vetül. A kép mélységélessége igen nagy, de életlen. A lyuk méretének csökkentésével egy ideig javítható az élesség, de aztán ismét romlik. A tárgy képe annál nagyobb, minél távolabb van a hátsó fal a lyuktól. A camera obscurában lezajló jelenséget már Arisztotelész is ismerte, de Ibn Al Haitham (Alhazen), ( ) arab tudós jegyezte fel először. Az arab tudósok a nap- és a holdfogyatkozások vizsgálatára használták. A történetkutatók némelyike a nagy, angol polihisztornak Roger Baconnak ( ) tulajdonítja megalkotását. Camera obscura rajzasztallal, 1711Leonardo da Vincitől ( ) származik az első, pontos, gyakorlati kísérleteken alapuló leírás a camera obscurában végbemenő optikai jelenségről. Megfigyeléseit tükörírással írt kéziratában a Codex Atlanticusban rögzítette, melyet csak a 18. században sikerült megfejteni. A reneszánsz építészeknek rajzaik átmásolásában segített a camera obscura. Giovanni Baptista della Porta 1553-ban kiadott Magiae Naturalis című művében vált ismertté a jelenség. Daniel Barbaro ( ) 1568-ban megjelent La practica del perspettiva című könyve szerint, akkor már ismerték a konvex lencse alkalmazásának módját és az élességnövelést elősegítő rekeszt is alkalmazták. G. Cardano ( ) használt először bikonvex lencsét, azt a camera obscura nyílásába helyezve, hogy elősegítse a kép fényerejének, élességének növelését. A hordozható camera obscurák első leírásait J. Zahn 1665-ben megjelent Oculus artificialis telediopticus c művéből ismerjük. Ezek közt található olyan, amely már állítható gyűjtőlencsével rendelkezett. Camera obscura lencsével, 1830, Országos Müszaki Múzeum tulajdonaa 17. század végén a lencse mögé építettek be egy 45 fokos tükröt, mely a tárgy képét a doboz tetején elhelyezett opálüvegre vetítette. Így használták másolásra az építészek és a tájképfestők is. A 19. század elejére már alkalmassá vált a camera obscura az éles, hű képalkotásra. A képrögzítő eljárásokkal való kísérletek elkezdődtek, de a megoldás még váratott magára, annak ellenére, hogy a 18. század elején Heinrich Schulze már felfedezte az ezüstsók fényérzékenységét Dagerrotípia Louis Jacques Mandé Daguerre ( ) párizsi, színházi díszletfestő 1837-ben sikeres kísérletet végzett Niépce próbálkozásainak folytatásaként. Jódgőzzel kezelt, ezüstözött rézlemezen a keletkező ezüst-jodidból látens kép alakult ki, melyet Daguerre melegített higanygőzzel tett láthatóvá. Az ezüst-jodid és a higany egymásra hatásával ezüstamalgám jött létre, mely a világos tónusokat, a fényeket adta. A sötétebb ezüstalap jelenítette meg az árnyékokat. Részletgazdag, közvetlen pozitív kép alakult ki.daguerre: Boulvard de Temple, 1939 Daguerre felfedezését Arago, francia csillagász és akadémikus január 9-én jelentette be a francia akadémián. A találmányt a francia állam megvásárolta és közkincsé tette, így bárki szabadon próbálkozhatott a dagerrotípia- eljárással: "A dagerrotípiákat ezüstréteggel bevont rézlemezre készítjük. Bár a rézlemez feladata elsősorban az, hogy ezen ezüstréteget hordozza, nem kétséges, hogy e két fém harmóniája a hatást a tökéletességig fokozza. Az ezüst a lehető legtisztább legyen. A rézlemez ne legyen 76

77 túl súlyos, de mégis kellően vastag ahhoz, hogy megakadályozza a kép deformálódását. Az ezüstréteg és a rézlemez együttes vastagsága ne haladja meg egy nehezen hajlítható kártyalapét. Az eljárás öt műveletből áll. Először lecsiszoljuk és megtisztítjuk a lemezt. Ezután fölvisszük rá a fényérzékeny ezüstréteget. Behelyezzük a sötétkamrába, ahol - a fény hatására - a valóság képe rögződik e lemezen. Negyedik műveletünk célja e most még rejtőző kép előidézése. Végül - ötödik művelet gyanánt - eltávolítjuk a fényérzékeny réteget, amely - ha még fény éri - a továbbiakban teljesen tönkre tenné a kialakult képet." (A Daguerrotypiának nevezett eljárás gyakorlata és annak leírása. Ezen eljárással a valóságból származó képeket sötétkamrában rögzíthetjük, nem természetes színeikben ugyan, de az árnyalatok igen finom fokozataiban. Daguerre, festő, a Dioráma feltalálója a Becsületrend kitüntetettje, számos Akadémia tagja által. Párizs, 1839.) A film, mint hordozó megjelenése " ben Eastman - a fényképészeti eszközöket és készülékeket gyártó W. H. Walker közreműködésével egy, minden forgalomban levő, szabványméretű, síkfilmmel működő géphez felhasználható tárat szerkesztett. A tárban emulzióval borított, huszonnégy felvételre elegendő papírtekercs-negatívot helyeztek el. A felorsózott negatívot kulccsal továbbították. Nem Eastman volt az első, aki megkísérelte, hogy fényérzékeny réteggel bevont papírtekercset használjon hordozóként, de ezek az újítók - Eastmannel ellentétben - nem találtak követőre. Eastman és Walker tekercsnegatívja viszont ben - azonnal átütő sikert aratott. A tár jól és megbízhatóan működött, a finomszemcsés, zselatinemulziós papírnegatív minősége egyenletesnek bizonyult. Előhívás és fixálás után a negatívot a kálotípiák viaszolásához hasonlóan - paraffin- olajjal kezelték. Röviddel később Eastman is áttért a lehántolt film készítésére és amerikai film néven vezette be a piacra. Az új, lehántolható film egyesítette az üveglemez és a papír előnyeit azok rossz tulajdonságai nélkül: könnyű volt, mint a papír, és áttetsző, mint az üveg." A színrögzítés kezdetei A Lumiére fivérek dolgozták ki az első, gyakorlatban is alkalmazható, autokróm színes eljárást. Louis Lumiére-t 1892-től foglalkoztatta a színek reprodukciójának lehetősége. A háromszínű, szubtraktív, színes eljárással sikerült is jó minőségű színes felvételeket készítenie, azonban az eljárást túl bonyolultnak találta. Minden idejét a kutatásnak szentelve fáradozott azért, hogy a színes fényképezés éppoly egyszerűvé váljon, mint a fekete-fehér. Steichen egyike volt azon szerencséseknek, akiknek sikerült a forgalomba hozatal előtt kipróbálni az autókróm lemezeket. Elsőként tapasztalta meg és - sokakkal ellentétben - értékelte az autokróm lemezek finom, de egyenlőtlen szemcsézettségét. Az autokróm lemezek színei ma is élvezhetőek, szemben a színes tekercsfilmekével, melyek nem állják ki az idő próbáját A fotózás kémiai alapelvei: mi történik a filmen exponáláskor? Fekete-fehér film felépítése: A film hajlékony, áttetsző celluloid-szalag, melyet több, különböző feladatot betöltő réteg borít. A fekete-fehér film rétegei: A fényérzékeny rétegben zselatinba ágyazva igen finoman eloszlatott, csekély mennyiségű ezüst-jodiddal, - bromiddal elegyített ezüst-bromid kristályok találhatóak. Ebben a rétegben történik változás a fény hatására. A tapadóréteg a hordozóra rögzíti, a védőréteg pedig megóvja a fényérzékeny réteget a karcolásoktól. A hordozó anyagról visszaverődő fény zavarná a körvonalak élességét, ezért szükséges egy úgynevezett fényudvarmentesítő réteg is, 77

78 amely meggátolja a visszaverődéses fényudvar keletkezését. A hordozó alap maga a celluloid szalag. A film érzékenységét elsősorban a kristályszemcsék átlagos nagysága határozza meg. Ennek megfelelően megkülönböztethetünk alacsony, közepes és magas érzékenységű filmeket. (Minél érzékenyebb a film, annál kevesebb fényt igényel, tehát annál jobban szűkíthetjük a blendét.) Az érzékenység viszont sajnos fordítottan arányos a vonalélességgel és a szemcsézettséggel, így egy magasabb érzékenységű film rajza kevésbé részletgazdag, mint egy alacsonyabbé A fény hatása a filmre: Az anyagok egyik csoportja fényérzékeny, bennük a fény kémiai átalakulást okoz. Ez az átalakulás lehet fotolízis, mely során a fény bomlást idéz elő; ez az alapja a fényképészeti eljárásoknak: a fény felbontó hatása az ezüsthalogenidekre. A felvétel készítésének pillanatában fény éri a film zselatinrétegébe ágyazott fényérzékeny ezüsthalogenid szemcséket. A fénysugarak rárajzolják a felvétel tárgyának képét a rétegre: a fény energiája kémiai változásokat okoz a kristályokban, a fényérte szemcsékben fémezüst csírák, ezüstgócok keletkeznek. Annál erősebb a hatás, mennél erősebb és mennél tovább tart a fénysugárzás. A fénysugárzás mennyisége a sugárzás erősségének és a megvilágítás időtartamának szorzatával arányos. (Ennek megfelelően rövidebb ideig tartó erős fény egyenértékű a többszörösen gyengébb, de ugyanannyiszor hosszabb ideig tartó megvilágítással.) A közbenső árnyalatok függnek a fény színétől, a fény és a film típusától is, nemcsak a fény mennyiségétől. Ezzel kialakul az ún. latens ( lappangó, rejtett ) kép, amely még szemmel nem látható. Ennek láthatóvá tétele történik a film előhívásakor, a kidolgozáskor. (A tiszta ezüst-bromid réteg csak a kék és az ibolya színű sugarakat nyeli el, tehát csak ezekre érzékeny. A többi színre való érzékenységet különböző színezékekkel érik el, amelyeket a rétegbe adagolnak, és hozzákötődnek a szemcsék felületéhez, és ez által fokozzák az elnyelőképességet. Az ezüst-bromidot minden színre érzékennyé tehetjük megfelelő színezékek kiválasztásával, mely tulajdonságot pánkromáciának nevezzük.) Mit kell tennünk a továbbiakban? Az előhívás folyamata: Az előhívás során a megvilágított helyeken fémezüst keletkezik a megvilágítás mértékétől függően. A kidolgozás során a megvilágítással megindított kémiai folyamat fokozottan továbbfejlődik: az ezüstgócok környezetében az előhívó hatására a megvilágított kristályok feketednek. A film a legnagyobb fényhatás helyén lesz a legfeketébb, a közepes erősséggel megvilágított részeken gyengébb a feketedés, ahol pedig egyáltalán nem érte fény a filmet, ott a negatív átlátszó lesz. Tehát így egy negatív kép keletkezik, amely a valóságos árnyalatok fordított sorozatából áll Fixálás: A fixálás során a fényre érzéketlenné tett negatívon a képet állandóvá tesszük. A megvilágított ezüst-bromid kristályok ezüstgócaiból az előhívó hatására kialakult ezüstszemcsék mellett meg nem világított, ám még fényérzékeny ezüst-bromid szemcsék is vannak a rétegben. Az előhívás után tehát ezeket a képalkotásban részt nem vevő (meg nem világított) szemcséket ki kell oldani, illetve a kristályokat további fényhatásra érzéketlenné kell tenni, azaz a képet fixálni (rögzíteni) kell. A meg nem világított kristályok eltávolítása után már csak a képet alkotó fekete ezüstszemcsék maradnak a rétegben. 78

79 Kidolgozás: A negatív film és a papírkép kidolgozása elvileg azonos. Fontos különbség azonban az eltérő színérzékenység: a negatív film előhívásakor teljes sötétségben kell dolgoznunk, papírkép kidolgozásakor viszont speciális vörös vagy zöld lámpával világíthatunk Színes film A színes fotózás kissé bonyolultabb, de itt is az ezüst-halogenidek adják a "fényérzékeny alapot" a három alapszínnek megfelelő szűrőzött rétegben elhelyezve. A hívás során ezek képezik az alapszín rétegek negatív képcsíráit és a hívás során ezek mentén alakulnak ki a megfelelő színű szerves vegyületekből álló negatív alapszín rétegek. A színes film három réteg emulziót tartalmaz, amelyek mindegyike alapvetően ugyanolyan, mint a fekete-fehér film esetén, de csak a saját színére (kék, zöld, vörös) érzékeny. Fotózás során egy három rétegű fekete-fehér látens negatív kép jön létre, amely mindhárom rétegben előhívódik és oxidációval illetve a megfelelő színképző vegyületek reakcióival kialakulnak az alapszínek a negatív egyes rétegeiben. A következő hívási lépésben kioldják a kolloid ezüstöt és kialakul a kész színes negatív. Ezt átvilágítva a fotópapírra, kialakul a látens pozitív kép, melyet az előbbiekhez hasonló módon előhívnak és a kolloid ezüst kioldása után kialakul a kész színes, pozitív papírkép. 79

80 7.7 Összefoglaló kérdések: Mi az analóg jel? Mi a digitális jel? Mi a jel? Régen milyen eszközzel rögzítették a hangot, ismertesse ezt az eszközt. Ismertesse a mechanikai hangrögzítés elvét! Ismertesse a mágneses hangrögzítés elvét! A mozifilm hangja hogyan van tárolva a mozifilmen? Ismertesse, hogyan működik a hanglemez lejátszása! Ismertesse, hogyan működik a szalagos magnetofon! (Főbb fizikai elvek) Ismertesse az analóg kép készítés elvét! Ismertesse a fénykép fotokémiai előhívási, rögzítési folyamatát! Hogyan készítek az analóg jelből digitális jelet? 80

81 11. Input/Output eszközök Input eszközök Billentyűzet A billentyűzet az egyik legfontosabb input eszköz. Egyéb utasítás hiányában a számítógép innen várja a bemenő információkat, adatokat, parancsokat. A szabványos magyar billentyűzet 102 nyomógombos az ékezetes betűk nagy száma miatt. A hardver szempontjából a billentyűzet, egy szinkron kommunikációs port. Az adatforgalom kétirányú is lehet, mert a gép küldhet vezérlőparancsokat a billentyűzetnek, de a legtöbb esetben a billentyűzet felől érkeznek az adatok a számítógépbe. A kétirányú adatforgalom az esetleges hibákat jelezni, az átvitelt ismételni képes. A PC billentyűzete maga is egy különálló számítógép, amelynek csupán annyi a feladata, hogy a billentyű kapcsolómátrixot folyamatosan letapogassa, majd a letapogatás eredményét kódolva elküldje a gépnek. Mindez automatikusan történik, egy adott karakter lenyomását illetve felengedését az IRQ1 vonalon érkező megszakítás jelzi a processzornak. Az IRQ1 vonalhoz az INT 09h-t rendeli hozzá a megszakításvezérlő. Az INT 09h megszakítás kiszolgáló rutinja a ROM BIOS-ban található, ez végzi el azokat a szükséges műveleteket, amelyek eredményeképpen a billentyűzet bufferben megjelenik a lenyomott billentyűzetnek megfelelő kód. A kódról azt kell tudni, hogy tulajdonképpen két külön kód létezik: a billentyű ASCII kódja és a letapogatási (sorrendi), azaz a scan kód. A scan kód tulajdonképpen egy olyan sorrendi kód, amelyet a billentyűzetillesztő rendel hozzá az adott billentyűhöz. A scan kódok 01h-el kezdődnek és hét bitesek. A két kód együtt határozza meg a billentyűt. Egy-egy gombnak több jelentése is lehet az éppen érvényben lévő állapottól, valamint a billentyűvel együtt megnyomott funkcióváltó billentyűktől függően. A billentyűzet lenyomási és felengedési kódokat használ. A lenyomási kód maga a billentyűkód, a felengedési kód esetén egy F0H prefix előzi meg a billentyűkódot. Minden billentyű lenyomásakor a vezérlő 2 byte-ot küld át a pufferbe. Azoknál a billentyűkombinációknál, amelyekhez ASCII kód rendelhető, az átküldött byte-ok közül az egyik az ASCII kódot, a másik a billentyűkódot (scan code) tartalmazza. Azoknál a kombinációknál, amelyek valamely funkcióbillentyűhöz tartoznak, az átküldött byteok közül az első a 0 értéket, a második a billentyűkódot foglalja magában. Érdekesség: Tetszőleges karakter (a 0 kivételével) bevihető a billentyűzetről az ALT billentyű lenyomásával és vele egyidőben a számbillentyűzeten a decimális kódérték bebillentyűzésével. Nézzük a billentyűzet működését! Mi történik, ha megnyomunk egy billentyűt? Ehhez előbb egy kis áttekintés szükséges: hogyan érdemes jegyezni, hogy éppen melyik billentyű van lenyomva? Az első, kézenfekvő megoldás, hogy minden gombhoz egy-egy érzékelőt kell rendelni, ez viszont elég anyagigényes. Célszerűbb egy mátrixba rendezni a billentyűket. A billentyűzetben lévő mikroprocesszor a mátrix oszlopaira egyenként jeleket küld, s figyeli, hogy mikor melyik soron jelenik meg a megfelelő kimenő jel. Ez egyértelműen meghatározza, hogy melyik gomb lett lenyomva. Ez alól csak egy kivétel van: régebbi 81

82 billentyűzetek több billentyű egyszerre történő lenyomásakor gyakran egy harmadik gombot is érzékeltek. Ezt az újabb gyártmányokon már kiküszöbölték. Ehhez az kell, hogy egy billentyű leütésekor összekapcsolja a megfelelő sort és oszlopot. A rugót megnyomva a fémlapkák összenyomódnak, így hozva létre az érintkezést. A mátrixba szervezésnek van egy kis hibája is, ami csak a régebbi billentyűzeteknél jön elő: ha több billentyűt nyomunk le egyszerre, akkor más gombok jeleit is "érzékeli" a mikroprocesszor, annak ellenére, hogy ahhoz hozzá sem nyúltunk. Most térjünk át a szerkezeti felépítésre. A billentyűzetek megszokott változatain 84 illetve 101/102 gomb található. Az előzőket manapság főleg a notebook-on lehet látni, és abban különböznek 101/102 gombos társaiktól, hogy nem tartalmazzák a külön számbillentyűket. A billentyűzetek a külső megjelenési formájukon kívül a gombok működtetése, illetve a jelvevő mechanika és/vagy elektronika tekintetében térnek el egymástól. Ezekre általános, csak a billentyűzetekre vonatkozó előírások léteznek, de ezeket csak kevés gyártó veszi valóban komolyan. Ilyen előírások szabályoznák az anyagösszetételt, a zajkeltést vagy például a nyomóellenállást. A felhasználók zöme szinte kizárólag afelől érdeklődik a vásárlásnál, hogy a billentyűzet angol vagy magyar karakterkiosztású-e. Pedig vizsgálatok kimutatták, hogy a billentyűzeten nap mint nap dolgozók között a régebbi (pl.: mikrokapcsolós) típusokat használóknál gyakoribb az ínhüvely-gyulladásos és más izomfájdalommal járó panasz. Nézzük meg tehát, hogy milyen szerkezeti típusokat különböztetünk meg, ezeknek milyen előnyei és hátrányai vannak, és nem túlságosan részletekbe menően a működésüket is bemutatnám. Magyarországon és Európában eleinte főleg alacsony áruk miatt a mikrokapcsolós billentyűzetek terjedtek el. Ezek a billentyűzetek a gumimembrános felépítésűekkel együtt a piac 70%-át uralják. A mikrokapcsolós gombokkal ellátott billentyűzetek használata közben apró kattanásokat hallhatunk minden gomb lenyomásakor. Élettartamuk - átlagos használat esetén- körülbelül néhány év. Hátrányuk, hogy a gyakran használt billentyűk idő előtt elfáradnak, azaz megjelennek a kettőzött betűk, a végső stádiumban pedig már alig vagy egyáltalán nem reagálnak a lenyomásra. Előnyük azonban, hogy áruk a többi billentyűzethez képest a legolcsóbb. A gombok alatt itt rugózó gumimembránok helyezkednek el, amelyek egyúttal érintkezőként is szolgálnak. Előnyük, hogy a garantált évet valóban kibírják, ezenkívül a gumiszőnyeg szinte teljesen elzárja az elektromos részeket a külvilágtól, így a portól és piszoktól is megvédi a belső részeket. Az úgynevezett Hall-generátoros technikával viszonylag ritkán találkozhatunk. E megoldás lényege, hogy valamennyi billentyűhöz egy-egy tekercs tartozik, amelyben vasmag mozdul el a billentyű lenyomásakor. Itt nincs olyan alkatrész, amely elkophatna vagy elfáradna, ezért az előzőekhez képest ennek a billentyűzetnek a leghosszabb az élettartama, de a technikai megoldás miatt mérete igen robosztus, kevésbé tűri a port és a rázkódást, ezenkívül körülbelül duplája a mikrokapcsolós árának. Az utolsó megoldást csak érdekességként említem meg; a fénynyalábokat megszakító módszerre épülő billentyűzetek - mint a nevük is mutatja - optikai elven működnek. A gomb lenyomásakor kis henger kerül a fény útjába, és fotocella érzékeli az egyes karaktereket. A Hall-effektus lényege, hogy ha egy árammal átjárt fém (eredetileg arany) vagy félvezetőlapkára merőlegesen mágneses teret bocsátunk, a lapkában töltéseltolódás lép föl. Feszültség keletkezik, amely egyenes arányban van a mágneses indukcióval. A lapka 82

83 vastagságának kicsinek kell lenni a lapka másik két méretéhez képest. A feszültség elérheti az 1,5 V-ot. Érdekes megoldást kínál a felhasználóknak a billentyűzet problémáik megszüntetésére az izraeli VKB. A Cebiten bejelentett újdonságnak komoly jövőt jósolnak Siemens szakemberei is. Az alapgondolat, miszerint a PDA-kon, egyéb kisméretű digitális eszközökön nehéz nagyobb mennyiségű szöveget begépelni, sokunkban felmerült. A megoldás is kézenfekvő: kell egy billentyűzet. Az azonban még senkinek nem jutott eszébe, hogy ezt a billentyűzetet csak egy mini-projektor vetítse elénk. Bármilyen sík felületre vörös fénnyel vetített virtuális billentyűzet, az általunk ismert és használt normál méretű billentyűzetet jelenít meg. A szerkezet a kivetített billentyűzeten való mozgásokat érzékeli, forradalmasítva az adatbevitelt számos területen. Felhasználását mobil telefon, laptop, PDA vagy steril orvosi műszerek adatbevitéhez ajánlják. Az eszközt a CeBIT-en debütált a Simens színeiben. A kis projector, mely érzékeli a felhasználó mozdulatait a felületen, még egy egérpadot is képes szimulálni. 83

84 Egér, madár Az egér története azzal kezdődött, hogy Douglas Engelbart a Stanfordi Kutatóintézetben új adatbeviteli eszközöket létrehozásával próbálkozott. Sok megoldás közül ban egy fából készített kis, kézbeillő tárgyban az egyenes vonalú mozgást forgó fémkorongok közvetítették. Az első IBM PC-hez készült egereket a Mouse System cég dobta piacra még 1982-ben. Kezdetben az új, háromgombos eszközt inkább önmagáért vették, hiszen megfelelő szoftverek hiányában nem sokra lehetett használni közepén a Microsoft is megjelentette a saját, két nyomógombos változatát. Az első számítógép, amely kihasználta az eszköz tulajdonságait és nagyközönség elé került, az Apple cég LISA nevű gépe volt. Úgynevezett grafikus felhasználói környezettel látták el és az ebben való eligazodás fő eszköze egy mozgatható nyíl (cursor) volt, mozgatásra pedig az egér szolgált. Ez a géptípus mégsem lett igazán sikeres, talán az elsietett piacra dobás és az ebből adódó gyermekbetegségei miatt. Az Apple cég átütő sikerű gépe végül a Macintosh lett. A PC-piacnak válaszolnia kellett az Apple kihívására. Ez a feladat a Microsoft cégre hárult, amely sok új, az egér használatára épülő szoftvert jelentetett meg, mint az Excel, Works, és mindenek felett a Windows, amely ugyanazt a grafikus környezetet biztosítja a PC-n, mint az Apple Macintosh (lényegében csak a külcsínben vannak eltérések, a filozófia azonos). Ma már az egér a legtöbbet használt beviteli eszköz a billentyűzet mellett, messze maga mögé utasítva a tablet-et, a fényceruzát, az érintéses képernyőt, de még a hozzá legjobban hasonlító track-ballt is. A számítástechnika hajnalán a felhasználóhoz való közelség nem volt igazán szempont. A számítógépek nagyon drágák voltak, ezért inkább a felhasználónak kellett alkalmazkodnia és lehetőség szerint a legjobban a gép segítségére lenni. Az alapvető adatbeviteli eszköz a billentyűzet volt. A felhasználónak tehát minden adatot, legyen az bármilyen természetű, először "begépelhető" formátumra kellett átalakítania, ami meglehetősen nehézkes, időrabló tevékenység, nem beszélve a hibázási lehetőségről. A grafikus adatok bevitelére alkalmas úgynevezett pozícionáló eszközök már léteztek, mint a tablet vagy a digitalizáló asztal, azonban ezek is meglehetősen drágák és ezért kevéssé elterjedtek voltak. A megoldás egy felhasználó-barát környezet kialakítása volt, melynek segítségével a ki- és bemeneti adatok elszakíthatók a gépi ábrázolástól és az ember által egyszerűen és gyorsan értelmezhetővé tehetők. Ehhez azonban egy új beviteli eszközre, egy "rámutatóra" is szükség volt és erre alkalmas lett az egér. Az egér működése: Az egér egy szappandoboz méretű tárgy, melynek segítségével a kéz természetes, síkban történő mozgása leképezhető a számítógép számára. Ebben hasonlít a pozícionáló eszközre, de amíg ezek abszolút helyzetet adnak vissza, addig az egér csak relatív 84

85 elmozdulást érzékel. Tehát az egeret felemelve és máshol lerakva a számítógép nem érzékel helyzetváltozást. A mozgatás lényege azonban még nem nyújt érdemi információt egy gép számára. Azt is meg kell mondanunk, hogy egy pozíciót másképp kezeljen, mert azzal valami célunk van. Például egy egyenes kiindulási pontját jelöljük ki rajzolás esetén vagy egy alkatrészre mutatunk rá egy gépészeti tervezés során. Ezért az egéren minimálisan egy billentyű kell, hogy legyen. Ezzel jelezzük, hogy "itt és most" valamiféle akció veszi kezdetét. Az egy gomb elegendő, de bizonyos alkalmazásokhoz nagyon kényelmetlen lehet, ezért ma már egy egéren általában kettő vagy három billentyű van. Alternatív megoldásként a gyártók kitalálták, hogy bizonyos jelzések kiadásához többször, gyorsan egymás után kell a billentyűt lenyomni. Az eddigiek alapján úgy tűnhet, hogy az egeret csak olyankor van értelme használni, ha grafikus információkat kívánunk a számítógépbe bevinni. Ez azonban nincs így. Bármilyen felhasználás esetén meg lehet tenni, hogy a bevihető információk választékát a képernyőn megjelenítjük és az egérrel a kívánt választás mezőjére mutatva elvégezhető a bevitel. E feladat megoldása a számítógéptől ugyan többletmunkát igényel, hiszen tudnia kell, hogy egy adott helyen a képernyőn milyen információ áll, de a felhasználó számára nagy könnyítés, ugyanis nem kell megjegyeznie semmit, ha csupán a gép által egy adott helyzetben értelmesnek talált lehetőségek közül kell kiválasztani a számára legkedvezőbbet. Az egér térhódításának ma már semmi sem állja útját, hiszen egyedül a Microsoft több mint 2x106 egységet adott el. Úgy tűnik, hogy a track-ball még meg tud élni a piacon bizonyos alkalmazásokra specializálódva, de az egér hosszú időre nem adja ki a megszerzett lehetőséget. Az IBM-kompatibilis számítógépekhez csatlakoztatható egereket többféleképpen csoportosíthatjuk: - működési elv, - számítógéphez csatlakozás módja, illetve - pontosság szerint. Működési elve szerint az egereket két csoportra oszthatjuk: mechanikus és optikai. A mechanikus egér lényege, hogy a mechanikus szerkezet közvetíti a mozgást. Az elmozdulást elektromos impulzusokká átalakító szerkezettől függően lehet elektromechanikus vagy optomechanikus Az elmozdulást (DX, DY) keménygumi golyó közvetíti a derékszögű koordináta rendszer két irányának (X,Y) megfelelő forgó tárcsáknak elfordulás formájában (Dx, Dy). A golyó átmérő (d2) és a kapcsolódó dörzshengerek (d1) áttétele (n=d2/d1) a felbontás finomságát is befolyásolja. Az elektromechanikus belső szerkezet esetében a forgó tárcsa kettős érintkező párok alkotta áramkört szaggat. Az optomechanikus megoldásnál tárcsánként két LEDfotodióda-pár fény-útját szaggatja a tárcsa forgása. Ez a megoldás azonos a kvantáló helyzetérzékelőknél alkalmazott mozgás irány (előre-hátra) meghatározási módszerrel. Így ezt az impulzus sorozatot mozgatási koordináta értékekké számlálókkal alakítják át és 85

86 a koordináta irányonként a fény-út sorrend szaggatási elsőbbségének figyelembe vételével a számlálás fel vagy le történik. Az elektromechanikus elvű egerek általános jellemzője, hogy olcsóak, de hátrányuk, hogy viszonylag kicsi a felbontásuk (pontosságuk). Igen nagy pontossági kívánalmak esetén jobb az optomechanikus ill. optikai egér. Az optikai egér működési elve Több mint egy évtizede léteznek már optikai egerek igaz, az ős szemüveges működése némileg eltérő volt a mai kor optikai egereiétől. Az ős-optoegér egy erősen fényt reflektáló felületet igényelt a megfelelő működéshez, amelyet fekete színű huzalokból, csíkokból álló finom rács szőtt át. Az egér kibocsátotta a fényt, amely visszatükröződött a felületről, s mikor egy fekete vonal megszakította a fényt, akkor az egér logikája tudta, hogy mozdult az eszköz. Azonban a megfelelő működéshez teljesen sík fekvésben kellett lennie az egérnek a speciális padon, s ha az megsérült vagy tönkrement, akkor bizony használhatatlanná vált az egér is. A ma használatos optikai rágcsálókat 1999-ben mutatta be az Agilent Technologies. Az optikai egérben nem a golyó forgásának hatására kezd el mozogni a kurzor a képernyőn, hanem itt az optika készít felvételeket az alatta lévő talajról. Az optika munkáját segíti az a piros LED, amely oldalról megvilágítja az alatta lévő felületet. Nos, az optika készít egy felvételt, majd kis idő múlva megismétli ezt a folyamatot, és a képek közötti különbségből következteti ki az elmozdulást. Ha a képek megegyeznek, akkor az egérkurzor nem mozdul el a képernyőn. Minél több képet tud feldolgozni az egér képfeldolgozó processzora, annál pontosabb működést kapunk. Ez az egér felbontása, amelyet dpi-ben (dots per inch) adnak meg. Mivel a területet megvilágító LED fényének színe piros, ezért általában ezeknek az egereknek gondot szokott okozni a piros felületen való látás. Problémásak még a nagyon sima felületek és az erősen tükröződő anyagok. Ezeken ugyanis nem tud az egér megfelelő támpontokat értékelni. A számítógéphez való csatlakozás történhetett soros vonalon keresztül, illetve bővítőkártya segítségével. Kezdetben kizárólag bővítőkártyás egerek voltak, ugyanis nem tudták a jelek kezelésére szolgáló elektronikus áramköröket egérméretűvé integrálni. Ebben az időben csak a billentyű funkciókat és az impulzus sorozatokat szolgáltatta maga az egér a bővítő kártya számára, amely a számítógép számára az elfogadható formátumokat állította elő ben a Microsoft olyan új egeret fejlesztett ki, amely az általános célú soros jelátviteli csatornán (COM1 vagy COM2) keresztül csatlakozott a PC-hez. E konstrukcióban az egér a szükséges táplálást az RS232C szabványú kapcsolat egyik vezetékén kapja. A soros vonal maximális sebessége 9600 Baud. Ez bőven elég, ha tekintetbe vesszük, hogy egy tipikus egér 1200 Baud-dal adja jeleit. A felbontáson azt értjük, hogy mekkora az a legkisebb elmozdulás, amelyet az egér már érzékel. Az esetek többségében ezzel a kérdéssel nem szoktak foglalkozni, hiszen az emberi kézmozdulatok eléggé durvák. A felbontás igen széles intervallumot foghat át: dpi. Nagy felbontású egér csak speciális alkalmazások esetén szükséges, így a számítógéppel támogatott tervezés (CAD), térképészet stb. esetén Hogyan működik a Leonar3Do madár? A Leonar3Do interaktív asztali VR (virtuális valóság) eszköz legfontosabb hardverelemei: egy hat szabadságfokú, térbeli beviteli eszköz (madár), egy 3D szemüveg és a monitor tetejére elhelyezhető szenzorok. A hat szabadságfok a gyakorlatban azt jelenti, hogy a madárral nem csupán megfogni tudom a virtuális tárgyakat és arrább helyezni, hanem el is tudom forgatni őket, sőt a két műveletet együtt, egyszerre is elvégezhetem. A speciális 3D szemüveg fejpozíció-követéssel lehetővé teszi, hogy a monitor síkjában 86

87 megjelenő sztereo képet térbeli valóságként érzékeljük. A szenzorok folyamatosan nyomon követik mind a madár, mind a szemüveg pozícióját, a központi egységen keresztül információkkal látják el a számítógépre feltelepített Leonar3Do rendszerszoftvert. Az alkalmazások a feldolgozott adatoknak megfelelően állítják elő és kezelik a létrehozott virtuális valóságot, s jelenítik meg a térben Képalkotás A digitális képalkotás megértése előtt nézzük, hogyan alakul ki a valóság látképe a az emberi szervezetben. A fény elektromágneses hullám. A látható fény hullámhossza: nm. A fény hullámhosszát színként érzékeljük. A szemünk gömb alakú szerv, melynek elülső része kisé kidomborodik. Elől az átlátszó szaruhártya védi. A szemlencse leképezi a világot a szem hátsó belső felét burkoló ideghártyára, a retinára. A legélesebb látás a retina középső részén, a sárga folt területén, és azon belül a foveán alakul ki. A retina ingerületeit idegszálak továbbítják az agyba. A szemfenéken elhelyezkedő ideghártyán (a retinán) találhatók a látás érzékelő elemei (receptorok) a fényérzékeny pigmenteket tartalmazó csapok és a pálcikák. Kétféle fényérzékelő sejtet ismerünk: a csapot és a pálcikát. Nevüket alakjukról kapták. A csapok jó megvilágítás mellett a finom részletek és a szín látásáért felelősek. Gyenge fényben a pálcikák működnek hatékonyan, de csak szürke árnyalatos képet tudnak alkotni. A csapok és a pálcikák pigmentjei a fény hatására lebomlanak, és a bomlástermékek ingerlik a receptorokhoz csatlakozó idegvégződéseket. Az idegvégződésekhez csatlakozó idegpályák egymással bonyolult kapcsolatokban álló pályákon keresztül továbbítják az információt az agyba. A csapok foglalják el a látógödör legérzékenyebb területét. A látómező széle felé jelentősen ritkulnak, a periférikus látásunk színérzékelése gyenge. A csapok a látógödör közelében helyet engednek a pálcikáknak, amelyek itt helyezkednek el a legsűrűbben. A látómező széle felé a pálcikák is ritkulnak. A látóidegek kilépési pontja a vakfolt, itt sem csapok, sem pálcikák nem találhatók. Egy szemünkben kb. 6,5 millió csapocska és mintegy 120 millió pálcika gondoskodik az éjszakai és nappali látásról. A szemben lezajló kémiai folyamatok teszik lehetővé a sötéthez alkalmazkodást. Sötétben mintegy ¾ óráig a látásunk egyre javul, egészen addig, hogy a pálcikát egyetlen foton is képes gerjeszteni. 87

88 Háromfele csap gondoskodik a színes látásról. Ezek érzékenységi görbéjének maximuma a vörös (R, Red, 580 nm), a zöld (G, Green, 540 nm) es a kék (B, Blue, 450 nm) színek hullámhossztartományába esnek. A csapok az ábra szerinti érzékenységi görbe szerinti súlyozással integrálják az őket érő fényt. Szerencsére nem tudunk különbséget tenni a monokromatikus es az összetett fény által keltett ingerület között, ez teszi lehetővé a képmegjelenítő eszközök megalkotását. A szemünkben a színek érzékeléséért felelős háromféle csap érzékenységi görbéinek maximuma környékén keltett ingerületek összeadódnak és színérzetet keltenek. A szemünkbe jutó fény komponensei összegződnek (additív színkeverés). Az additív színrendszer alapszínei a vörös (R), a zöld (G) és a kék (B). A komponensek kezdőbetűiből ered a színrendszer másik elterjedt elnevezése: RGB. A színrendszer elemeinek szabványos hullámhosszát az előállíthatóságuk figyelembevételével állapították meg: R: 700 nm, G: 546 nm, B: 435 nm. A szín megadása a háromdimenziós tér egy pontjának kijelölését jelenti. A számítógépes számábrázolás elterjedése miatt a korábbi 1 helyett 255- re szokás normálni az értékeket, tehát az egyes alapszínek a tartományt foglalják el. A három alapszínből mintegy 16 millió szín és árnyalat állítható elő a számítógépes képfeldolgozás során, amelynek szemünk csak töredékét képes megkülönböztetni. Valahol, valamikor egy kép elkészül. Lehet az festmény, rajz vagy fényképfelvétel, feltehetőleg abból a célból keletkezik, hogy máshol és máskor valaki megnézze azt. Ha az elkészülés és a megtekintés között akár egy pillanatra is digitális formába kerül a kép, máris megérkeztünk a digitális képalkotás világába. No de mit is jelent az, hogy digitális? A "digitális" szó egyik jelentése: számjegyet használó. A digitális adatrögzítés mindent számmal próbál meg leírni. Mivel a természet végtelen, ezért a digitális ábrázolással a dolgokat csak "megközelítően" tudjuk leírni. Például senki sem tudja az éhségét vagy a fizikai állapotát csupán számokkal elmondani. Ha viszont azt mondjuk, hogy ha éhes vagyok, akkor az "1", ha nem,az pedig "0", akkor már néhányan tudnak digitálisan válaszolni. Ilyenkor a nagyon éhesek és az "elég" éhesek ugyanannyira éhesnek számítanak majd. Ugyanakkor, ha az éhséget egy ig terjedő skálán kérdezzük, akkor már a válaszadás nehezedik meg. Legalábbis az emberek számára, hiszen a számítástechnika mai fejlettségi szintjén egy fényképezőgép vagy egy számítógép gond nélkül végez el 88

89 több millió számítást egy másodpercen belül. Így amikor egy képet digitális formában akarunk rögzíteni, akkor fel kell bontanunk pontokra és minden pontnak egy számmal kell megadnunk a színét. Ez olyan, mintha egy sűrű szitán át néznénk a világot és a szita minden egyes résén keresztül csak egy-egy, előre meghatározott palettáról választott színű pontot látnánk. Ezzel a módszerrel persze csak közelíteni tudjuk a valóságos képet, de ha kellően sűrű a szita, és kellően sok színt tartalmazhat a palettánk, akkor ez a közelítés észrevétlen marad Kérdések (zöld hátterű prezentációval együtt) Scanner Ismertesse az emberi látás természetét! (szem felépítése, fényérzékelő sejtek működése, fény útja a szemben, hol van a legélesebb látás helye, mi vakfolt) Hogyan látunk színeket? Hogyan alakul ki monokróm fénysugarak összességéből a színérzet? A technikai színábrázolások köze az emberi látás természetéhez (RGB, HLS) Mi az additív színkeverés? Mi a szubsztraktív színkeverés? Ismertesse az RGB színmodellt! Ismertesse a HLS színmodellt! Hogyan alakul ki a digitális kép? Milyen fő jellemzői vannak a digitális képnek? A szkenner olyan adatbeviteli eszköz, ami a képet apró pontokra bontja, és minden pontnak meghatározza a színét, a színösszetevő intenzitását, és ezt az adatot a számítógép felé továbbítja. Bár minden scanner típust más-más módon használnak fel, azonban a működési elvük nagyon hasonló. Majdnem minden scannerben megtalálhatók ezek az elemek: olvasófej (amely egy fénycsövet és egy tükröt tartalmaz), üvegfelület (amelyre a beolvasandó anyagot tesszük), érzékelő (CCD), fejmozgató motor, elektronika. A scannereknek két általános működési elvét alkalmazzák. Az első a hagyományos CCD érzékelő technológián alapul. Amikor az olvasófejet a léptetőmotor bordásszíj segítségével mozgatja fémsíneken az üveglap alatt. A fejegység fénycsöve alulról megvilágítja a beolvasandó anyagot, majd a visszavert fényt a tükör (vagy tükrök) segítségével egy lencsén keresztül (amely a kép kicsinyítését végzi) a szkenner belsejében található, fix pontra rögzített CCD érzékelőre fókuszálja; majd az érzékelő digitális képpé alakítja a beérkező fényt. A másik lehetséges működési elv ugyan ezen a CCD technológián alapul csak itt LEDes megvilágítást használnak. A CIS, azaz Compact Immage Sensor (kompakt képérzékelő) egy kisebb helyigényű fejegység. Ebben az esetben a fejegység nem tartalmaz tükröt, mert az érzékelő itt már benne van. A megvilágítást három különböző színű LED segítségével (RGBRGBRGBRGB ) oldják meg. Itt a fehér fényt az RGB (vörös, zöld és kék) színekből keverik ki. Kétféle megvilágítást alkalmaznak: a reflexiós és a transzmissziós megvilágítás. Az alulról megvilágított olvasást nevezzük reflexiós eljárásnak (visszavert fényt használ a készülék a képalkotáshoz). Az alulról megvilágított olvasást reflexiós eljárásnak nevezzük (visszavert fényt használ a készülék a képalkotáshoz). A transzmissziós megoldást filmek, diák, negatívok beolvasásához használjuk. Ez esetben nem a fejegység 89

90 része világítja meg alulról a beolvasandó felületet, hanem a felülről érkező, a beolvasandó anyagot átvilágító fény képe kerül az érzékelőre. Kézi szkenner: A kézi szkenner esetében a kézben tartandó fejben található a fényforrás, az érzékelő és az elektronika. A beépített fényforrás a készülékkel együtt mozog. A számítógéphez a soros, a párhuzamos porton, vagy a billentyűzetcsatlakozón keresztül kapcsolódik. A kézi szkenner hátránya, hogy nem tudjuk állandó sebességgel mozgatni a kezünket, széles képek esetén csíkokból kell összerakni a képet. A rollscanner a képet a szkenner húzza keresztül az olvasó egység felett, tehát a kép mozog, de a megvilágítás szempontjából ez is transzmissziós elven működik. Némelyik típusnál a papírvezető feltétet le lehet venni, és így olyan képeket is be tud olvasni, amit egyébként nem tudna behúzni. 90

91 A dokumentumszkenner nagy mennyiségű dokumentumok beolvasására lett kifejlesztve. A dokumentumszkennerekben a szkennelőfejek állnak, a dokumentumok pedig egy zárt pályán mozogva elhaladnak a szkennelőfejek között, így keletkezik a kép. Az így beolvasott dokumentumokat archiválási célokra mentik le, vagy OCR (karakterfelismerő) alkalmazásoknak adják tovább, amikor is a beolvasott képfájlt ismét karakteres anyaggá konvertálják vissza. A munka típusából adódóan elsősorban fekete-fehér képet kell produkálniuk, de ma már szinte az összes ilyen készülék képes a színes kép előállítására is.( dualstream esetében ezt egyidőben végzik). Könyv scanner, amely egy speciálisan kifejlesztett típus. Ennek a scannernek a feladata könyvek beolvasása. Automatikusan lapozza a könyveket és az olvasófej külön minden lapot megvilágít és olvas. Ilyen készülék az Alexandria, amely egy 45 fokban kinyitott könyvet tud olvasni, valamint az osztrák Treventus cég ScanRobot nevű gépe, amely 60 fokban nyitja ki a könyvet. (Ez régi könyvek másolásánál nagy segítség, hisz nem kell szétnyitni teljesen, így nem károsodni.) A képminőséget befolyásoló tényezők A lapolvasók beolvasott képének minősége igen eltérő. Mi okozza ezeket az eltéréseket? Nos, a szkenner felépítését ismerve következtethetünk arra, hogy a fejléptető motor vibrációkat kelt, melyek mivel berezonáltatja az egész készüléket (természetesen némi túlzással) nem tesznek éppen jót a kép élességének. A fejegységet mozgató sínrendszer minősége is lényeges, hiszen minimális görbületek vagy anyaghibák megint pontatlan olvasást eredményezhetnek. A rezonanciák keltette káros bemozdulást ki lehet védeni a készülék megfelelő súlyával (minél nehezebb egy szkenner, annál kevésbé befolyásolja károsan a rezgés), valamint a megfelelő kialakítású gumitalpakkal. Minél egyenletesebb a tükör felülete, minél zajmentesebb az érzékelő és az elektronika, s minél jobb minőségű polikarbonátból (üvegből) van a lencse, annál jobb minőségű lesz a beolvasott kép. Nem mindegy, milyen az adott lapolvasó optikai felbontása. Alapfogalmak denzitás: a szkenner beolvasott képének részletgazdagságát jelenti. Minél nagyobb a denzitás, annál jobban látszanak a hajszálvékony, igen finom részletek a képeken. színmélység: minél magasabb a színmélységet jelölő szám (pl. 24 bit, 42 bit, 48 bit), annál több színárnyalatot képes megjeleníteni az adott készülék. csatoló: régebben léteztek olyan kézi szkennerek, amelyek saját kis vezérlőkártyával rendelkeztek, majd lehetett kapni soros és párhuzamos portra csatlakoztatható lapolvasókat is. Gyorsabb alternatívák voltak a SCSI felületen kommunikáló, de jóval drágább (és profibb) szkennerek. A manapság leginkább elterjedt csatoló az USB szabvány felbontás (dpi): inch-enkénti képpontok száma, a szkennerben található fényérzékeny cellák számától függ. Optikai: amit az eszköz fizikailag képes megvalósítani. (Technikai adatok feltüntetésénél a kisebbik szám.), Logikai: az optikai interpolációjával létrejövő hardveres képpont-sokszorozás. 91

92 Fényképezőgép A fizikai alapot a "lyukkamera" (camera obscura) adja. Bárki könnyen kipróbálhatja, ha egy megközelítően kocka alakú doboz egyik oldalának közepére egy pici lukat szúr, a szemben lévő oldalára meg a teljes felületen egy pauszpapírt ragaszt és letakarja magát egy fekete lepellel, mint régen a fényképészek, akkor jó külső fényviszonyok esetén a tárgyak képe fordított helyzetben megjelenik a pauszra kivetítve. Elvileg készen is lennénk a fényképezésre csak egy fényérzékeny valami kell a pausz helyére. Ha a luk helyére egyetlen lencsét teszünk, mint a mobiltelefonos fényképezőgépekben, akkor kicsit jobb a helyzet, de azért egy lencsével nem lehet igazán használható képet készíteni. A jó képhez kell egy "rendes", sok lencséből és bonyolult bevonatokból álló, fényerős objektív a luk helyére. Az utóbbi időben a filmezésből átvett varioobjektivek (zoom) egyre inkább átkerültek a fényképezőgépekre is. Főleg kényelmi okokból (ne kelljen sokat mászkálni vagy csereberélni). Rekesz (blende) A fényképezéshez szükséges egy "szükítési lehetőség" (rekesz vagy blende) is, amivel a bejövő fény mennyiségét lehet szabályozni, mert elég nagy fényerő különbségek vannak mondjuk a téli szürkület és a nyári derült délidő között. Az objektívekben a lencserendszer fősíkjának közelébe építik be. A rekeszszerkezettel az áthaladó fény mennyiségét - ezzel közvetve a kameraexpozíciót szabályozhatjuk. Zárszerkezet (központi zár, relatív expozíciós idő, redőnyzár) A fényképezéshez szükséges valami olyan szerkezet is, ami lehetővé teszi, hogy a fény csak akkor érjen a pausz helyére kerülő fényérzékeny rétegre (filmre vagy képérzékelőre), amikor akarjuk. Ezt zárnak nevezik. A megvilágítás idejét szabályozza. A digitális fényképezőgép a képeket nem filmszalagra fotózza, hanem digitális formátumban tárolja. Az eltárolt képeket ezután áttölthetjük számítógépünkre, feldolgozhatjuk valamilyen grafikai programmal, vagy akár ki is nyomtathatjuk. A filmszalagra készült képekkel szemben, melyek felbontása szinte végtelennek tekinthető, a digitális képek felbontása mindig limitált, amely a fényképező képdigitalizálási mechanizmusának optikai felbontásától, a fényképező memóriakapacitásától, valamint a kép kinyomtatására használt eszköz kimeneti felbontásától függ. 92

93 A digitális képfelvevő eszközök az érzékelő áramkörök fizikai elhelyezkedése miatt a képsíkban diszkrét pozíciókban érzékelik a fényt. A mintavételezett képpontok számát általában technikai korlátok határozzák meg. Ha egy képet nagyítani akarunk, nincs az a felbontás, amely feleslegesen finom lenne. Ellentétben a hangokkal, ahol a hallható frekvenciatartomány korlátozza a sávszélességet, a képek részletgazdagságának nincs természetes korlátja. A képpontokat az angol picture element rövidítéseként pixel néven emlegetjük. (Egyesek már ezt is túl hosszúnak tartják, megjelent az irodalomban a pel elnevezés.). A katódsugárcsöves képfelvevő eszközök elektromágneses eltérítése túlságosan pontatlan volt a képen végzett mérésekhez. Nagy áttörést jelentett a CCD kamerák megjelenése, ahol a pontosságot a félvezető eszközök elhelyezkedése határozta meg, ami nagyságrendi javulást okozott. Nem beszélve a kisebb méretről és energia felhasználásról, az öregedési jelenségek elmaradásáról, vagy az élettartam növekedéséről. A CCD (Charge Coupled Device, töltéscsatolt eszköz) talán meglepő módon nem a képfelvétel új módjáról, hanem a jelek továbbítási eljárásáról kapta a nevét. Képzeljük el, hogy tüzet oltanak, vödrökkel. Ahelyett, hogy mindenki odaszaladna a kúttól a tűzhöz a tele vödörrel, láncba állnak és mindenki átönti a vizet a szomszéd vödrébe. Hasonló módon továbbítják a CCD áramkör elemei a töltéseket a kimenetre. Az RGB alapszínekre érzékeny cellák elhelyezkedésénél nem lehet szó nélkül elmenni azon sajátosság mellett, hogy a zöld cellákból rendszerint kétszer annyit találunk, mint vörös és kék társaikból (Bayer szűrő). Ismét a szemünk relatív érzékenységi görbéje bukkan fel. Az utóbbi időben növekvő népszerűségnek örvend a CMOS képfelvevő áramkör. Tovább csökkenő fogyasztás mellett minden egyes képpontja külön címezhető, akárcsak a memóriák. Az érzékelő cellák elhelyezkedhetnek egy vonalban, ilyen áramkörök működnek a szkennerekben. A fényképezőgépek és kamerák érzékelői az ábrán látható mátrix alakzatba rendeződnek Vonalkód olvasó A vonalkód olvasót tárgyak beazonosítására használják boltokban, patikákban, könyvtárakban stb. A vonalkód meghatározott szabályok szerint felépülő, világos és sötét mezők váltakozásán alapuló optikailag érzékelhető kód. A vonalkódnak két alapvető, de egymásnak ellentmondó követelményt kell kielégítenie. Egyrészről a lehető legkisebb helyen a lehetséges legtöbb információt kell hordoznia, másrészt nagy biztonsággal lehetővé kell tennie az olvasást. Működése: 93

94 A vonalkód különböző szélességű, egymástól megfelelő távolságra lévő fekete és fehér csíkokból áll, melyeket leolvasáskor a vonalkód olvasó megvilágít. A fekete és a fehér csíkok eltérő mértékben verik vissza a fényt, amit a készülék érzékel és értelmez (dekódol), majd az adatokat továbbítja a számítógépnek. A sikeres leolvasást hang- és fényjelzés szokta kísérni. A vonalkód olvasás folyamata: A vonalkód olvasás a megvilágítás és kódérzékelés viszonyára épül. A vonalkód olvasóknál alkalmazott fényforrásokat 3 csoportba sorolhatjuk be. Nem koherens és nem monokróm. Ilyen például a nap, vagy egy izzólámpa. Ez azt jelenti, hogy a fény nem egy irányba terjed és ráadásul még különböző sebességű fotonokból áll. Nem koherens és monokróm. Ilyen például a LED, vagy néhány gáztöltésű fényforrás. Itt a fotonok azonos sebességűek, de széttartók. Koherens és monokróm. Ilyen például a lézersugár. Itt a sugárnyaláb párhuzamos és azonos sebességű fotonokból áll. Az olvasók szempontjából fontos: A fényerő: A vonalkód olvasók működése a térben elhelyezkedő vonalkódról visszaverődő fény szóródó sugarainak érzékelésére alapozott. Miután az olvasóba jutó visszavert sugarak csak egy tört részét képezik az olvasóba jutó fénymennyiségnek, annál könnyebb ezt érzékeltetni, minél több fény verődik vissza a nagyon rossz kontraszttal rendelkező szimbólumról. A divergencia: Mennél inkább szóródó a fénysugár, annál nehezebb a távolság növekedésével érzékelni a kódot, hiszen nő a sugár átmérője és ez alkalmatlanná teszi a keskeny szimbólumelemek érzékelésére. A hullámhossz: Ez a vonalkód alkalmazásának kritikus kérdése. Mint tudjuk, a vonalkód olvasás a visszaverődő sugarak érzékelésére alapozott. Így például, ha monokróm fénnyel dolgozunk, kérdés, hogy ezen a hullámhosszon az olvasandó kódnak milyen a kontrasztja. Összefoglalva tehát a kódérzékelés nem más, mint a visszavert szóródó fénysugarak felfogása. A vonalkód kontrasztossága A vonalkód sötét eleme (vonal) és a világos közök között megfelelő kontrasztosságnak kell lennie. A kontraszt meghatározásához szükséges fényvisszaverési értéket mindig az alkalmazni kívánt (ill. szabványosított) olvasó berendezés hullámhosszán kell értelmezni Ujjlenyomat- olvasó Az ujjlenyomat-olvasók rendkívül magas hatásfokkal dolgoznak, kis hibaszázalékkal. A hibázás lehetősége persze sosem kizárt. Két lehetőség fordul elő, a rendszer nem engedi be a megfelelő személyt, illetve összekever két személyt. Mindkét hibafaktor csak a másik rovására javítható, és hogy melyik legyen az, azt mindig az adott felhasználási terület dönti el. Egy gyári beléptető rendszernél sokkal fontosabb a gyorsabb, és egyszerűbb használat, mint a biztonság, egy banki rendszernél azonban elfogadható, ha a gép újrakér egy-egy ujjnyomatot. A gép átverése igen nehéz Az ujjnyomat olvasásakor a gép figyeli a rajzolatot, ami akár el is térhet valamennyire az eredeti képtől, kisebbnagyobb elfordulások még elfogadhatóak (a gép körülbelül +/- 30 fokos elfordulást tolerál). 94

95 Persze az ujjnyom rajzolatának leolvasásánal több kell. Nem elég egy egyszerű kétdimenziós képet mutatni a gépnek, hiszen a leképezést a totálreflexiós elv használatával valósítja meg a rendszer. Emellett nem működik az akciófilmekben látható ujjlevágásos technika sem, hiszen a rendszer egy a cég tulajdonában lévő nemzetközi szabadalommal védett technológiával képes detektálni, hogy a transzparens felületen élő emberi szövet van-e. A tervezők a kényszerítést is figyelembe vették, mint lehetőséget, ezért a szoftver rendelkezik ún. csendes riasztás funkcióval. Ha valaki kényszer hatására cselekszik, azt úgy tudathatja a rendszerrel, hogy nem azt az ujját teszi a leolvasóra, mint rendesen, az ajtók azonban így is nyílnak, csak "mellékfunkcióként" a gép riasztja a hatóságokat is. Piszkos trükkök A gép gyári munkásoknál tökéletesen működik, forradásos, időnként nem makulátlanul tiszta kezeknél, azonban egy bemutató alkalmával kiderült, hogy a gép nem szereti a frissen mosott kezet, mivel azok túlságosan természetellenesek. Hátrányban vannak a szokatlanul nedves bőrrel rendelkezők is, hiszen őket a rendszer egyszerűen hullának minősíti, ennek kivédésére szolgál a kiegészítő pin kód és kártya használata. A rendszert használó száraz-, illetve nedvesbőrűeknek azt javasolja a fejlesztő cég, hogy a leolvasás előtt töröljék ujjukat a homlokukhoz, az izzadékonyaknak pedig az ellenkezőjét, azaz használat előtt töröljenek kezet Érintőképernyő Az első érintésérzékeny beviteli eszköz már az 1960-as évek végén elkészült, ám az érintésérkézeny felület az Apple iphone megjelenése után vált igazán elvárt szolgáltatássá, vagy ha úgy tetszik, divattermékké. Cikkünkben megnézzük, hogyan működnek a legnépszerűbb típusok. Az első érintésérzékeny felület megalkotására vonatkozó kutatások az 1960-as évek második felében kezdődtek meg, beviteli eszközként pedig első alkalommal a PLATO project keretein belül használták, 1972-ben. A technológia ezután elindult hódító útjára, a 90-es években pedig már számos olyan eszköz létezett, amely esetében ezt a fajta beviteli mód volt az elsődleges. Itt gondoldhatunk például a PDA-kra, de számos más hardverbe is került ilyen megoldás, GPS-ekbe, fényképezőgépekbe, tábla PC-kbe, stb. Érintőképernyő Az érintőképernyőknek a világhódításhoz szükséges lökést az iphone megjelenése adta meg, de manapság egyre több noteszgépet és asztali konfigurációt is felszerelnek érintőképernyővel. Ez utóbbi nem is annyira furcsa, mint amilyennek elsőre tűnik, hiszen hamarosan megjelenik a Windows 7, amely natív módon kezeli majd az érintőképernyőket. De most lássuk, hogyan is működnek pontosan az érintőképernyők főbb tipusai - mivel érintésérzékeny felületet többféleképpen is ki lehet alakítani. Rezisztív A korai eszközök túlnyomó részt ezt a fajta megoldást használják, és még ma is sok olyan készülék van, amelybe ilyesfajta panel kerül, egyszerűen azért, mert olcsó alternatíva. A rezisztív felület alapvetően két hajszálvékony, eltérő feszültségű fémrétegből áll, amelyek között alapesetben egy vékony rés húzódik. Ha megérintjük a panelt, a két fólia között fizikai kapcsolat alakul ki, amely megváltoztatja a fóliák elektromos töltését. A vezérlőchip a változás mértéke alapján képes kiszámolni, hogy pontosan hol érintettük meg a panelt. A rezisztív kijelzőt egyébként könnyű felismerni, ha ugyanis megérintjük a panelt, akkor az valóban benyomódik. 95

96 Érintőképernyő A rezisztív technológia olcsó, további előnye, hogy nem szükséges hozzá speciális beviteli eszköz, egyszerű stylusszal vagy akár ujjunkkal is vezérelhetjük. A típus egyik legnagyobb hátránya az, hogy csak akkor pontos, ha egyszerre csak egy helyen érintjük meg, de emellett a felület fényáteresztő képessége is elég gyenge, csupán 70-75%-os. Ilyen panelt használnak szinte minden PDA-ban, PNA-ban és GPS-ben, de van több rezisztív érzékelővel szerelt mobiltelefon is. Kapacitív A kapacitív megoldás esetében egy kemény üveg- vagy műanyag lap alatt egy rácsos szerkezetű vezető réteget helyeznek el, aminek segítségével a kijelző felett egy elektromos mezőt alakítanak ki. Amikor ujjunkat közelítjük a panelhez, zavart okozunk ebben az elektromos mezőben (töltést vezetünk el a kezünkkel), amelyet a vezérlőchip érzékel, s ez alapján határozza meg a pozíciót. A működési elvből adódóan a legfontosabb tulajdonság, hogy a vezérlés egyszerre több ponton is képes érzékelni, így a kapacitív felület alkalmas multitouchra. További előnye a jó fényáteresztő képesség, viszont hátrány a relatív magas ár valamint az, hogy ezek a kijelzők csak csupasz kézzel vagy aktív stylusszal működnek. Kapacitív panel kerül számos mobiltelefonba (pl. Apple iphone, G1, LG Prada.) és a Palm Prebe, de egy sor más eszközbe, például fényképezőgépekbe, zenelejátszókba, stb. Multitouch képessége miatt ezt a típust használják notebookok, nettopok esetében is. Optikai Az infrás érintőképernyők esetében nincs szükség speciális felületre, helyette infra LED-ek segítségével egy láthatatlan szőnyeget alakítanak ki a megjelenítő előtt. Az érintési pont észlelése ebben az esetben is az érintéssel okozott zavaron alapszik, hiszen blokkoljuk a fény útját. Az infrás érzékelés legnagyobb hátránya az, hogy vagy olcsó, vagy pontos. A mobiltelefonok közül ilyen rendszert használ a Neonode N2. Egy másik fajta megközelítés az un. FTIR (Frustrated Total Internal Reflection), amelyet például az ujjlenyo mat-olvasóknál is használnak - érdekes, hogy érintésérzékeny felület kialakításánál ez a megoldás főleg nagyméretű kijelzők esetében költséghatékony. Láttunk ilyet a Comptexen is, például az nlighten standján. Ebben az esetben a megjelenítési felület alatt alakítják ki az infra szőnyeget, az érzékelők pedig az ujjunkról visszatükröződő fényt érzékelik. Ez a típus még viszonylag új, viszont tudása ígéretes, ugyanis szinte korlátlan mennyiségű érintési pontot képes egy időben megkülönböztetni. További típusok A fent említett verziók mellett léteznek további változatok is, amelyek rádióhullámmal vagy akár hanghullámmal működnek, ezek azonban nem túl elterjedtek, és várhatóan nem is lesznek azok, így ebben a cikkben nem foglalkozunk velük. 96

97 11.3. Output eszközök Nyomtatók, nyomat fénytana. A nyomtató segítségével színes, vagy fekete-fehér képeket készíthetünk különféle hordozóanyagokra (papír, műanyag, fém ). Hogyan alakul ki a szemünkben a színes kép érzete? A megvilágító fehér fény áthatol a felületi festékrétegen, a hordozó fehér felületéről visszaverődik és újra áthatol a festéken. Mivel a spektrum minden színét egyformán tartalmazó fehér fényből a festék a saját színének megfelelő hullámhosszakat engedi át, a többit elnyeli, ezt a fajta színkeverést szubsztraktív, vagyis kivonó színkeverésnek nevezik. Itt a vörös, zöld és kék színek komplementer párjait használják, amelyek a türkiz, bíbor és a sárga (komplementer párnak nevezünk két színt akkor, ha szubsztraktív színkeverést alkalmazva feketét adnak eredményként). Negyedik színként pedig megjelenik a fekete (black) is, így áll össze a CMYK modell. Felmerülhet a kérdés, hogy ha a türkiz, bíbor és sárga (CMY) színek keverésével megkaphatjuk a fekete színt, miért szükséges mégis a fekete színt külön szerepeltetni? A magyarázat egyszerű, jelenleg nem létezik olyan (ideális) CMY festék, amelyből a fekete szín kikeverhető lenne, ezek kombinálásával leginkább sötétbarna színt tudnánk előállítani. A nyomdatechnikában a nyomtatás előtt az adott képet négy részre bontanak fel, amely gyakorlatilag négy új képet jelent. Az egyes képek mindegyiket meg lehet feleltetni a CMYK színek egyikének. Miután ezeket a nyomdában egymásra nyomják, előáll az eredeti színes kép, immáron papíron. A hagyományos tintasugaras nyomtatók - a nyomdákhoz hasonlóan - a négy alapszín (türkíz, bíbor, sárga és a fekete) kombinációjaként próbálják megjeleníteni a kívánt színárnyalatot. Itt viszont az egymás mellé tett színpöttyök összhatásaként alakul ki a megfelelő árnyalat a papír felületén. A festékpöttyöket vagy beleütik a hordozóanyagba, vagy rálövik, ráfestik, illetve ráolvasztják. 97

98 Hogyan alakul ki a karakter, illetve a kép a papíron? Egyik megoldás, hogy mátrix elrendezésben függőleges oszlopokban, és vízszintes sorokban elhelyezünk festékszórókat (ez lehet tű, fúvóka, stb ) és pontokból rakjuk össze a képet, vagy komplett karakterek képét ütjük a papírra. Nyomtatók feladata az informácói papírra rögzítése. Csoportosítása Nyomtatási technika alapján impact (ütõ), többpéldányos nyomtatásra alkalmas non-impact (nem ütõ), csak egy példány nyomtatására alkalmas Karakter megjelenítés módja szerint teljes karaktert író - a akrakterkészlet minden elemének nyomóformája elõre adott, és ütéssel kerül a papírra raszteres - apró különálló pontokból épül fel a karakter képe, ide tartozik a mátrixnyomtató (ütõ) és a nem ütõ nyomtatók Egy írásmeneti nyomtatás alapján karakter nyomtató sornyomtató lapnyomtató Mûködési elvek Tûmátrix nyomtató - az utõ nyomtatókhoz tartozik, a karaktek nem folyamatos jelbõl hanem több apró pontból állnak, a karakterképet 9, 18, 24 apró tû segítségével nyomtatja ki (minél több a tû annál jobb minõségû a nyomtatás), az írófej és a papír között festékszalag található, a tûk ráütnek a festékszalagra, így kerül a festék a papírra, a pontokból történõ összerakás miatt nincs fix karakterkészlet, több jelet lehet összeállítani mint a teljes karaktert író nyomtatóknál, nyomtatás alatt a fej a papír (és a festékszalag) elõtt mozog jobbra majd balra, nyomtatás általában mindkét irányban történik (régebbi nyomtatók csak balró-jobbra tudtak nyomtatni) Gömbfejes nyomtató - az ütési elven mûködõ nyomtatók közé tartozik, teljes karaktert nyomtat, a karakterkészlet a göb alakú fej felszínén található, a gömbfej és a papír között festékszalag találéható, nyomtatás folyamán a fej a papír elõtt mozog és közben forog, karakterkészlet váltása a gömbfej cseréjével lehetséges, szép nyomtatási kép, de alacsony sebesség Margarétakerekes nyomtató - ütõ nyomtató, a nyomtatható kerekek egy betûhengeren találhatók mely az ütõfej elõtt forog, amikor a megfelelõ betühöz ér az ütõfej leüt és a festékszalag segítségével megjelenik a karakter képe a papíron, szép kép de alacsony sebesség Íróhengeres nyomtató - ütõ elvû sornyomtató, az íróhenger felületén a teljes jelkészlet annyiszor szerepel egymás mellet ahány karakter a sorban elfér, minden nyomtatási pozición található egy ütõfej (kalapács), az íróhenger folzamatosan forog amikor az adott pozición a kalapács elé kerül a megfelelö jel akkor az összes olyan kalapács leüt a sorban ami az adott karaktert akarja 98

99 nyomtatni (ha a sor egyforma betûkbõl áll akkor az összes kalapács üt), egy sor kinyomtatásához max. 1 teljes körbefordulás szükséges, jellegzetesen erõs hangja van, stabil, megbízható nyomtató, jelkészlet cseréje igen körülményes, a kalapácsokat vezérlõ elektromágneseket jól kell szinkronizálni, mert hiba estén "félrecsúszó" karakterek jelenhetnek meg a papíron (az alja vagy a teteje lemarad, nem egyenletes a sor képe) Íróláncos nyomtató - ütõ sornyomtató, a karakterkészlet egy vizszintesen körbefutó láncon helyezkedik el, a teljes láncon a jelkészlet 3-5-ször szerepel, a kalapácsokat bonyolultabb szerkezet vezérli mint az íróhengeres nyomtatónál, lassabb nyomtatás, de a betûk vizszintesen nem csúsznak el, a láncszemek cserélhetõsége miatt a nemzeti karakterkészlet elég egyszerûen beállítható Tintasugaras nyomtató - nem ütõ raszteres nyomtató, apró porlasztókból finom tintacseppek kerülnek a papírra, egy jel kialakításához sokkal több pont szükséges mint a mátrixnyomtatónál, írásképe szép (csepp átmérõje mm, sebessége 700 km/h, papíron 0.16 mm pont) Különbözõ megoldások: Tintacseppes nyomtató piezoelektromos kristály feszültségimpulzus hatására változtatja az alakját, ez a csõben megnöveli a nyomsát, aminek a hatására a fúvókából kilövel egy csepnyi festék festékbõl kiváló gõzbuborék segítségével, vezérlõ impulzus hatására a festékbõl kiválik egy gõzbuborék melynek hatására a térfogatnövekedés kilövell egy cseppet a fúvókából Folyamatos sugarú nyomtató - a festékcseppet elektrosztatikusan feltöltik amjd repülés közben elektrosztatikus tér segítségével irányítják a papírra, a felesleges festéket visszavezetik a tartályba Modern tintasugaras nyomtatókban 64 független apró porlasztó található, egy teli patron ~2000 oldal kinyomtatására alkalmas, csak egypéldányos nyomtatásra alkalmas Hõnyomtatók - nem ütõ, raszteres képalkotású nyomtató Típusai: Hagyományos hõnyomtató - speciális hõérzékeny papír szükséges, amely hõ hatására elszínezõdik, nyomtatófésû apró ellenállásokat tartalmaz melyek a rajtuk átfolyó áram hatására felmelegednek és nyomot hagynak a papíron, alacsony nyomtatási sebesség, idõvel a papír elszínezõdik ill. a szöveg kihalványul Modern hõnyomtatók - hõérzékeny festékszalag alkalmazása melyet a nyomtatófej a papírhoz szorít, a fejben keltett hõ hatására a szalagra felhordott speciális festékréteg megolvad és nyomot hagy a papíron, elõnye, hogy nem igényel speciális papírt, és a dokumentumok is idõtállóak, speciálsi szalagot sûrûn kell cserélni, színes nyomtatásra is alkalmas Elektrosztatikus nyomtatók - nem ütõ nyomtatók csoportjába tartozik Lézernyomtatók - egy gyenge lézersugárral az elektromosan feltöltött félvezetõ henger (szelén henger) felületére rajzolja a jeleket és a grafikákat, lézersugár eltérítése mozgó tükörrel történik, elérhetõ felbontás igen nagy (átlagosan 600x600 DPI), fény hatására a henger a megfelelõ helyen kisül (elveszti töltését), a feltöltött szilárd festék (toner) a megfelelõ helyekrõl lelökõdik, a hengeren csak a nyomtatandó helyen marad festék mely egy ellentéres tér hatására a papírra tapad, a papír azután felfûtött hengerek között ( ~200 fok) haladva a papírra olvad, a ahngeren maradt festéket kefék és elektromos erõtér eltávolítja, a lézernyomtatók mûködését - a nyomtatási folyamat bonyolultsága miatt - beépített számítógép vezérli, mára a lézernyomtatók szabvánnyá váltak, kitünõ nyomtatási minõség, nagy sebesség, alacsony üzemelési költség jellemzi, csak egy példényú nyomtatást végez 99

100 Ionsugaras nyomtatók - múködési elve hasonlít a lézernyomtatókéhoz, itt szelénhenger helyett különleges bevonatú kemény aluminium henger segítségével történik a nyomtatás, a hengert minden egyes pontját vezérelt ionnyaláb tölti fel, ezek a pontok magukhoz vonzzák a tonert és azt egy nyomóhenger sajtolja a papírba Mágneses nyomtatók - a mágneses nyomtatás elve az elektrosztatikus nyomtatási elvhez hasonlít, a kép egy mágneses dobra kerül pontonkéti mágnesezéssel, mágneses festékpor metapad a kívént helyeken majd sajtolással kerül a papírra Plotterek - Síkplotter - Dobplotter Monitorok CRT monitor A CRT angolul Cathode Ray Tube ami katódsugárcsöves képernyőt jelent. A CRT monitorban egy katódsugárcső található, elektronágyúval az egyik végén és egy foszforral bevont képernyővel a másik végén. Az elektronágyú elektronnyalábot lő ki, amit egy mágneses mező irányít. Az elektronnyaláb a foszforborításba ütközik és felvillan, majd elhalványodik. Ha elég gyorsan követik egymást az elektronnyalábok, akkor az a pont nem halványodik el. Az eltérítő tekercsek térítik el az elektronok útját és így írnak a képernyőre a számítógép utasításának megfelelően, balról jobbra, egy másodperc alatt többször is frissítve a képpontokat. Az első monitorok egyetlen szín árnyalatait tudták megjeleníteni, ezek voltak a monokróm monitorok: a fekete-fehér fehér mellett a borostyán sárga és a zöld színűek is elterjedtek voltak. Azt, hogy másodpercenként hányszor frissülnek a képpontok, képfrissítési frekvenciának nevezzük. A CRT monitoroknál a képfrissítési frekvencia egy kicsit mást jelent, mint például az LCD monitoroknál. Mértékegysége a Hertz (Hz). A mai monitorok hertzesek. A színes monitoroknak három alapszíne van: a piros, a zöld, és a kék (RGB). Ezek keverésével bármelyik szín előállítható. Mindegyik színhez tartozik egy elektronágyú. A CRT monitoroknál azért fontos a képfrissítési frekvenciát 100

101 minél magasabbra venni mert annál jobban kíméli a szemünket ugyanis 50Hz -nél még láthatjuk a vibrálást ami nagyon megerőlteti a szemet viszont ez a vibráció 85 és 130Hz között már észrevehetetlen. Luminofor ernyő, lumineszcencia A képcső belső felét foszfor, vagy cink alapú lumineszkáló réteggel vonják be, amely a nagy energiájú becsapódó elektronok hatására látható fényt bocsát ki. A fénykibocsátás lumineszcencia sugárzás formájában jelenik meg, melyet az alábbiakban ismertetünk. A lumineszcencia vagy hidegsugárzás az anyagoknak nem hőmérsékletük emelése következtében létrejövő fénykibocsátása. Két fajtája létezik, a fluoreszcencia vagy együtt világítás, és a foszforeszcencia vagy utánvilágítás. A gerjesztés történhet elektromágneses sugárzás, korpuszkuláris sugárzás, elektromos tér hatására, kémiai folyamatok következtében stb. A lumineszcens fény eredete minden esetben egy molekula vagy atomcsoport külső elektronpályái között történő átmenet, melynek során az elektron magasabb energiájú állapotból alacsonyabb energiájú pályára lép át és a különbségi energia fényfoton formájában emittálódik. Fluoreszcenciáról akkor beszélünk, ha az elektron ugyanabból a magasabb energiájú állapotból esik vissza valamelyik alacsonyabb energiájú állapotba, amelyikbe a gerjesztés révén jutott. Ez a fajta hidegsugárzás a gerjesztést követően viszonylag gyorsan (~10-9s alatt) lezajlik, ezért jelenlétét tulajdonképpen csak a gerjesztés ideje alatt érzékeljük. Foszforeszcenciáról abban az esetben van szó, ha a gerjesztett elektron, mielőtt emisszióra kerülne sor, a környezeti molekulákkal történő kölcsönhatás (elsősorban ütközések) következtében egy metastabil nívóra kerül, ahol viszonylag hosszú ideig (~10-6s-tól több percig vagy óráig) tartózkodhat, míg ismét alapállapotba jut, ezért a lumineszcenciának ez a formája a gerjesztés megszűnte után is egy ideig látható marad. Ha a lumineszcencia fény hatására következik be, akkor elmondhatjuk, hogy a lumineszcens fény hullámhossza általában nagyobb, mint a gerjesztő fényé (Stokes-szabály). Egy objektum lumineszcenciája tehát a gerjesztő hatás megszűnésekor nem szűnik meg azonnal, hanem rövidebb-hosszabb idő alatt alszik ki. A folyamat időbeli lefolyása kvantumfizikailag determinált, hasonlóan a radioaktív bomlásokhoz, ennek megfelelően matematikailag is ahhoz hasonló módon, exponenciálisan csökkenő függvénnyel írható le. A lumineszcencia élettartamának jellemzésére ily 101

102 módon a gerjesztett állapot élettartamának időállandója szolgál, amely azt az időt jelenti, amely alatt a gerjesztés megszűnése után a gerjesztett lumineszcens centrumok száma e-ad részére (az eredeti kb. 37%-ára) csökken. Ez az időtartam a fent leírtaknak megfelelően a másodperc milliomod (vagy még kisebb) részétől több óráig, egyes esetekben néhány napig is eltarthat. Monitorok esetében foszforeszcens anyagokat alkalmaznak, néhány ms élettartammal, hogy a képernyőt végigpásztázó elektronsugár hatására a képernyőnek minden egyes pixele nagyjából azonos intenzitással világítson. Ellenkező esetben egy kép kirajzolása után közvetlenül az alsó sor jobban világítana, mint a felső, ami villódzást eredményezne. Árnyékmaszk, színes technika Közvetlenül (kb. 1,5cm-rel) a luminofor ernyő előtt a képcsőben árnyékmaszk található. Ennek feladata az elektronsugár szóródásából származó képi zaj kiszűrése. A szóródó elektronok nem csak az adott pixelben okoznának fényfelvillanást, hanem a mellette lévőkben is, ami képi zajként jelentkezne. Az erőteljes melegedés miatt különleges fémötvözetből készült maszkba fúrt lyukakon az 102

103 elektronsugár áthalad, de a szóródó elektronokat kiszűri. A lyukak átmérője 0,2-0,25 mm közötti. A színek kép előállításának alapja két biofizikai felismerés. Az első, hogy az emberi szem felbontóképessége véges, ami azt jelenti, hogy egy meghatározott távolságnál közelebb lévő két pont az agyban egy képpé olvad össze, tehát egyetlen pontnak látjuk. A második elv az, hogy ha két színt összekeverünk, akkor azt egy harmadik színnek érzékeli az emberi szem. Az additív színkeverésnek megfelelően a képernyő színárnyalatait három alapszínből, vörösből, kékből és zöldből keverjük ki (RGBtechnika). A három alapszín megfelelő arányú additív keveréke kiadja a fehéret. Színes képernyő esetén mindegyik alapszínhez egy-egy elektronágyú tartozik, melyek mindegyike csak a hozzá tartozó színpixelt találja el. Ezt úgy érik el, hogy az elektronsugarak közvetlenül a lyukmaszkban keresztezik egymást, amire az elektronágyúk viszonylag nagy mérete miatt is szükség van. Régebbi típusú televíziókészülékekben, monitorokban az úgynevezett delta elrendezésű színpixel-hármas elrendezés volt használatos (48. ábra), ahol a vörös, zöld és kék színpixelek, valamint a három elektronágyú egymáshoz képest 120 -os elrendezésben helyezkedett el, ezért a lyukmaszk is ilyen elrendezésben tartalmazta a lyukakat LCD monitor Folyadékkristályok A folyadékkristályok olyan anyagok, amelyek ugyan folyékonyak, de sok fizikai tulajdonságuk a kristályokéhoz hasonlóan anizotrop. Az ilyen anyagok molekulái általában hosszú láncúak, hossztengelyük irányában kettőskötés rendszerük miatt merevek, nagy permanens dipólmomentumuk van és a láncvégeken könnyen polarizálható csoportok helyezkednek el. Ezek a hosszúkás molekulák hosszú távú rend kialakítására képesek úgy, hogy azért az anyag folyékonysága megmarad. Felfedezésük Friedrich Reinitzer, német biokémikus nevéhez fűződik, 103