第二章 磁性油墨印刷

　　磁性油墨印刷（Magnetic Ink Printing）作为一种特种油墨的防伪印刷技术，是指利用掺入氧化铁粉的磁性油墨进行印刷的方式（磁性油墨印刷下文中简称磁性印刷。）。

　　磁性印刷属于磁性记录技术的范畴，通过磁性印刷完成磁性记录体的制作，使之具有所要求的特殊性能。目前，磁性印刷在很多领域都得到应用，例如车票、月票、印花、银行存折、身份证等均可采用磁卡形式；价目表示卡上采用了磁性膜；资料登记表、支票上也可用磁性油墨印刷金额等项目。磁性印刷的用途日益广泛。

第一节 磁性印刷的信息记录与显示原理

一、磁学的基本概念

　　按照电磁学理论，可把磁性体假定是由许多非常细小的磁畴所构成的。磁畴的体积很小，较大的磁畴只有10^-7～10^-3cm，每一个磁畴包含有10¹²～10¹⁵个分子，本身有南极和北极，相当于一块小小的永久磁铁。磁性体在未经磁化的情况下，这些磁畴的排列是杂乱无章的，这时，彼此的磁性互相抵消，就整体来说，对外并不显示磁性。这种情况可以用图2－1（aa）表示。如果我们使磁性体外面的线圈通上电流，磁性体由于处于磁场内，磁畴受到磁化力的影响，就产生一种趋向于统一排列的趋势，成为图2－1（b）的样子。如外部磁化力不够强，磁畴排列的方面还不能完全一致，彼此互相抵消磁力的现象不能完全消除，磁性体对外所显示的磁性还不能达到最大值。如果使用磁性体磁化强度再增加，磁畴的排列就更趋整齐，以致最后达到图2－1（c）所示的完全整齐的程度，这时磁性体的磁性达到最大值。此后，尽管再增加线圈的电流，磁性体也不会有更大的磁性。换句话说，磁性体在此时的磁力线已经达到饱和的程度。当外界的磁场消失，磁性体磁畴的排列仍保持整齐的状态，这就是永久磁体。



图2－1 磁畴原理

(a)电流为零 (b)小电流 (c)大电流

　　（一）磁场、磁力线、磁通、磁感应强度

　　在棒形磁铁的附近，指南针会偏转，铁屑会按一定的方向排列，这些现象起因于磁极间的相互作用。磁极和载电体在自己周围的空间产生一种场－磁场，磁场的基本性质之一是它对置于其中的磁极和载电体施加作用力。

　　磁场的情况可以用一种假想的磁力线来形象地描述。棒形磁铁的磁力线如图2－2所示。



图2－2 棒形磁铁的磁力线

　　磁力线的方向与指南针N极所指的方向一致，通过磁场内某一截面积的磁力线总数叫磁通，用φ表示，单位为韦（Wb）。

　　通过与磁力线垂直方向的单位面积的磁力线数目叫磁力线的密度，也叫磁通密度或磁感应强度，用B表示，单位为特（T）。

　　（二）磁场强度和磁导率

　　磁通、磁感应强度皆因介质而异。为了定义一个与介质无关的量，把真空中的磁感应叫做磁化力或磁场强度，用H表示，单位为安每米（A／m）。B与H的比值叫磁导率，用 表示，即μ＝B／H。
实验证明：空气的μ＝1；铁磁材料（铁、坡莫合金等）的μ可达几千或几万。

　　（三）磁滞回线

　　在各种磁介质中，最重要的是以铁为代表的一类磁性很强的物质，它们叫铁磁体。在铁磁材料中，磁导率μ不是常数，它随H而变，也因原来的磁化情况而异。

　　铁磁材料在磁化过程中的B－H关系，即磁化曲线，如图2－3所示。



图2－3 铁磁材料的B－H曲线




图2－4 磁滞回线

　　从磁化曲线可以看出B－H存在非线性关系。在曲线起始磁化段oa，磁化力不超过磁化曲线脚背。由于磁畴惯性，当H增加时，B不能立即很快上升，曲线较平稳，而且弱磁化力的作用是可逆的，去掉磁化力，磁性自行消失。

　　在ab段，磁化力在磁化曲线的脚前和膝盖之间。由于大部分磁畴在外磁场作用下，都趋向于H方向，且B增加很快，曲线较陡，称为直线段。

　　在bc段，由于大部分磁畴方向已转向H方向，随着H增加，只有少数磁畴继续转向，B增辊变慢，曲线变缓，形成膝部。

　　c点以后，由于磁畴几乎全部趋向H方向，并随着H增加，B几乎不增加，称为饱和阶段。

　　各种不同的铁磁材料有不同的B－H磁化曲线。见图2－4图。如果铁磁材料原来处于中性状态，使H由零逐渐增大，直到饱和H值，B循着oa线变化；当到达a点后，如果使H逐渐减小，直到H＝0，这时B循着ab线变化；如果从b点使H反向增大，直到当B=0，这时B循着bc变化；如果从c点继续反向增大H值，直到饱和值，B循着cd变化；此后，从d点反向减小H值，直到H＝0，B循着de变化；如果再从e点使H值正向增大，直到饱和值，B循着ea变化。显然abcdefa是闭合曲线，故称为“回线”。因为B滞后于H（例如在b点，H＝0，但B＞0;在c点，H＜0，而B＝0），故称“磁滞”，图中ob值叫“最大剩磁感应”，常用B_m表示，oc值叫“矫顽磁力”，用H_c表示。ga值叫饱和磁感应，用B_s表示。

　　下面看看B随着磁化状况而变化的情况。图2－4中的0、b、e三点都是H＝0，但是磁化情况不同，所以B值也不同。

　　磁记录中往往会遇到剩余磁感应（简称剩磁感应）的概念。我们再观察图2－4。如果B循着ac段变到m点（H=H₁)后，便逐渐反向减小H值，直至H＝0，这时得到剩磁感应B₁；如果B循着ac段变到n点(H=H₂）后，逐渐减小H值，直到H＝0，这时得到剩磁感应B₂。
每一种铁磁材料各有不同的磁滞回线，磁滞回线是研究铁磁材料磁特性的基础。

　　（四）剩磁感应曲线

　　如果把初始磁化曲线（图2－5）上各点对应的剩磁感应画出来，即得到图2－6所示的剩磁感应曲线。



图2－5 初始磁化曲线



图2－6 剩磁感应曲线

二、磁记录原理

　　用于防伪磁性印刷的磁记录原理与录音磁带的磁记录原理基本相同，只是防伪磁性印刷的磁记录的要求相对较低，对感磁后的磁性材料的磁性质量要求也较低。

　　记录磁头如图2－7所示，由内有空隙的环形铁芯和绕在铁芯上的线图构成。磁卡是由一定材料的片基和均匀地涂布在片基上面的微粒磁性材料制成的。在记录时，磁卡的磁性面以一定的速度移动，或记录磁头以一定的速度移动，并分别和记录磁头的空隙或磁性面相接触。磁头的线圈一旦通上电流，空隙处就产生与电流成比例的磁场，于是磁卡与空隙接触部分的磁性体就被磁化。如果记录信号电流随时间而变化，则当磁卡上的磁性体通过空隙时（因为磁卡或磁头是移动的），便随着电流的变化而不同程度地被磁化。磁卡被磁化之后，离开空隙的磁卡磁性层就留下相应于电流变化的剩磁。

　　当然，磁头表面的外形要做得使磁卡平滑地移过磁头，利用压力使磁卡和磁头表面保持接触。磁卡穿过部分的磁场分布如图2－8所示。这里，除了通过缝隙和穿过非铁磁性的片基产生一些漏磁通外，大部分磁通都通过磁卡上的氧化物磁性层，而最大磁通密度在两极靴之间的空间。



图2－7 磁记录原理图



图2－8 穿过磁头的磁极靴上的磁通

　　如果电流信号（或者说磁场强度）按正弦规律变化，那么磁卡上的剩余磁通也同样按正弦规律变化。当电流为正时，就引起一个从左到右（从N到S）的磁极性；当电流反向时，磁极性也跟着反向。其最后结果可以看作磁卡上从N到S再返回到N的一个波长，也可以看作是同极性相接的两块磁棒。这是在某种程度上简化的结果，然而，必须记住的是，剩磁B_r是按正弦变化的。当信号电流最大时，纵向磁通密度也达到最大。记录信号就以图2－9所示的正弦变化的剩磁形式记录，贮存在磁卡上。

　　磁卡记录的信号波长是记录电流完成一周变化的长度，它与磁卡移动速度成正比，与记录电流的变化频率成反比，如图2－10所示。即：

　　λ＝v/f

　　式中－记录在磁卡上的信号的波长，cm；

　　v－磁卡移动速度，cm/s；

　　f－记录信号的频率，Hz。

　　磁卡面上的磁通密度和波长成反比。即当记录信号电流一定时，磁卡面上的磁通密度以正比关系与频率同时俱增。



图2－9 正弦电流形成磁通的示意图



图2－10 记录频率与波长关系

三、磁卡工作原理

　　磁卡上面剩余磁感应强度B_r在磁卡工作过程中起着决定性的作用。磁卡以一定的速度通过装有线圈的工作磁头，磁卡的的外部磁力线切割线圈，在线圈中产生感应电动势，从而传输了被记录的信号。当然，也要求在磁卡工作中被记录信号有较宽的频率响应、较小的失真和较高的输出电平。

　　一根很细的金属直线可以作为一个简单的重放设备。金属直线与磁卡紧贴，方向垂直于磁卡运行方向，如图2－11所示。磁卡运行时，金属直线切割磁力线而产生感应电动势，电动势的大小与切割的磁力线成正比。当磁卡的运行速度保持不变时，金属直线的感应电动势与磁卡表面剩余磁感应强度成正比，而导体中的感应电动热可由下式表示：

　　e=B_rWv

　　式中B_r－表面剩余磁感应强度；

　　W－记录道迹的宽度；

　　v－重放时磁卡的运行速度。

　　在B_r=2πf/vφ_rmcos2πft的情况下，综合B_r和e的关系式，得到

　　e=2πfWφ_rmcos2πft

　　当然，用一根金属线作磁卡工作设备，由于输出很小，故而是不实用的。

　　如图2－12所示，磁卡工作头是用高导磁系数的软磁材料制成的铁芯，上面缠有绕组线圈，磁头前面有一条很窄的缝隙，这时进入工作磁头的磁卡磁通量而言，可以看作是两个并联的有效磁阻，即空隙的磁阻和磁头铁芯的磁阻。因为空隙的有效磁阻远大于工作磁头铁芯的磁阻，所以磁卡上磁通量的绝大部分输入到磁头铁芯，并与工作磁头上线圈绕组发生交连，因而感应出电动势，在这种情况下，单根金属重放线所得到的感应电动势公式完全适用于环形磁卡工作磁头，只是比例系数不同而已。



图2－11 一根金属线重放原理



图2－12 环形磁卡工作原理

　　设N为线圈的匝数，m为与工作磁头铁芯的大小和磁性有关的系数，则环形工作磁头绕组中所产生的感应电动热为：

　　e=2πfWmNφ_rmcos2πft

　　图2－13为已知波长的一幅三维记录图形。磁通密度有三根轴；B_x是纵轴，B_z是横轴，B_y是从磁卡穿出的磁道。有用的成分是B_y，而且，当B_z为零时，或者B_y与B_x成90时，B_y最大。
假定在磁带上以相同的电流记录了一些不同的波长（如图2－13）。可以说在忽略了一切损失的情况下，B_x对于所有的波长都是一样的。B_y（由磁力线密度所决定的磁通密度）却随着波长的减小而增加，

　　即B_y∝1/λ∝f。



图2－13 磁图案的三维图解

　　因为在工作磁绕组中所感应的电动势正比于磁通的变化率，即电动势e∝B_y∝ 频率f。在记录时i=Isinwt，纵向剩磁密度B_x∝i（传递曲线的直线部分），所以，B_x=K₁Isinwt。由于B_y∝db_x/dt,e∝B_y，所以，e=K₂Iwcoswt。这里的K₂取决于工作磁头的效率、匝数、磁带材料等。这些公式还表明：输出电压正比记录电流；输出电压正比于信号频率；输出电压得到90°的相应变化（即由正弦项改变到余弦项）。

四、消磁的几种方法

　　某些用途的磁卡，如电话磁卡在使用过程中需要根据磁卡使用的时间，而逐渐地把磁性消除。下面介绍三种消磁的方法。

　　（一）高频消磁法

　　高频消磁是在消磁头的线圈中加入一个频率为40～200kHz的超声频电流。这时消磁头的磁场分布见图2－14所示，空隙中心平面的两边是衰减下降的，但上下是对称的，而磁场是交变的。当磁卡经过消磁头时，就受到超声频磁场的作用。

　　在消磁头缝隙宽度一定的情况下，为了提高消磁的质量，可以提高消磁电流的频率，但也不能把消磁电流频率提得太高，因为这样做势必加大消磁头的铁芯磁损耗，而使磁头发热，因为铁芯的磁损耗与信号频率的平方成正比。如果用加大消音电流来增加消音磁场，效果也不大，此时电流可能增加很多，而实际磁场却增加很少，原因是铁芯磁损耗随消磁电流的增大而加大。



图2－14 高频消磁原理

　　（二）直流消磁法

　　这种方法是对磁卡施加强大的直流磁场，将记录时产生的剩磁全部磁化到饱和点而达到消磁的目的。这种方法一般是使用磁头（抹磁头）或永久磁铁来消磁。

　　抹磁头和记录磁头相同，都是在有空隙的铁芯上绕上线圈而制成。当然圈通过强大的直流电流，磁卡按图2－15所示移动，那么磁卡在消磁头空隙处的部分将受到强大的直流磁场作用，并被磁化到饱和。因此，作为记录信号的剩磁全部到达饱和点a，记录时的磁化即被完全抹掉。磁卡经过抹磁头的空隙之后，磁卡上的剩磁便成为最大值（B_n），即达到一定的剩磁状态。这种消磁方法，用于磁滞变化曲线中的直线部分的磁卡机中。

　　（三）交流消磁法

　　交流消磁法是将强大的交流磁场加于磁卡的消磁方法。将强大的交流电加于消磁头上，并使磁卡移动，如图2－16所示，当磁卡经过空隙时，受到强大的交流磁场，立即被磁化到饱和状态，于是原记录的信号被完全抹去。随着磁带远离消磁头的空隙，磁卡受到的交流磁场由于在正负两个方向上反复地变换极性而逐渐减小，最终达到磁性的中性点，于是剩磁便转化为零状态，即达到磁卡的完全消磁。



图2－15 直流消磁法



图2－16 交流消磁法

[时间：2001-08-08  作者：张逸新 唐正宁 钱军  来源：《防伪印刷》·第二章 磁性油墨印刷]