Wie funktioniert eine Festplatte?

Die meisten Menschen sind erstaunt, wenn sie entdecken, dass sie auf einem iPod, der nicht größer als ein Kartenspiel ist, Musik auf Hunderten von CDs speichern können. Der ursprüngliche iPod war nicht viel mehr als eine Festplatte: ein unglaublich effizientes Computer-Speichergerät, das sich den Magnetismus zunutze macht, um große Mengen an Informationen zu speichern. Festplatten wurden vor über 50 Jahren erfunden und werden seit Mitte der 1980er Jahre in Personalcomputern eingesetzt (obwohl sie in den letzten Jahren in vielen Geräten durch Flash-Speicher ersetzt wurden). Der Mikroprozessor in Ihrem Computer ist der Teil, der das „Denken“ und die Berechnungen übernimmt – aber es ist die Festplatte, die Ihrem Computer seinen enormen Speicherplatz gibt und auf der Sie digitale Fotos, Musikdateien und Textdokumente speichern können. Wie funktioniert sie? Schauen wir uns das mal genauer an!

Wie man mit Magnetismus Informationen speichert

Die Wissenschaft des Magnetismus ist komplex. Aber wenn Sie schon einmal mit einem Magneten und ein paar Nägeln herumgespielt haben, werden Sie wissen, dass die Technologie – die Wissenschaft in Aktion – ganz einfach ist. Eisennägel sind zunächst unmagnetisch, aber wenn man mit einem Magneten darüber reibt, können sie magnetisch werden, so dass sie aneinander haften. Magnetismus hat einige einfache, praktische Anwendungen. Auf Schrottplätzen werden z. B. Elektromagnete (riesige Magnete, die mit Strom ein- und ausgeschaltet werden können) verwendet, um Schrotthaufen aufzusammeln und zu transportieren.

Der Magnetismus hat noch einen weiteren sehr wichtigen Nutzen. Angenommen, Sie müssen einem Freund eine Nachricht hinterlassen und haben nur einen Magneten und einen unmagnetisierten Eisennagel. Nehmen wir an, die Nachricht ist ganz einfach: Entweder du siehst deinen Freund später am Tag oder nicht. Sie könnten mit Ihrem Freund vereinbaren, dass Sie einen Nagel in seinen Briefkasten werfen. Wenn der Nagel magnetisiert ist, bedeutet das, dass Sie ihn später sehen werden; wenn der Nagel nicht magnetisiert ist, werden Sie ihn nicht sehen. Ihr Freund kommt von der Schule nach Hause und findet einen Nagel auf der Fußmatte. Sie nehmen ihn mit zum Küchentisch und versuchen, eine Büroklammer aufzuheben. Wenn die Klammer am Magneten haftet, muss sie magnetisiert sein – und das bedeutet, dass Sie sie später sehen wollen. Das ist eine ziemlich seltsame Art, jemandem eine Nachricht zu hinterlassen, aber es veranschaulicht etwas sehr Wichtiges: Magnetismus kann zum Speichern von Informationen verwendet werden.

Wenn Ihr Computer eine 20-Gigabyte-Festplatte hat oder Sie einen 20-GB-iPod oder MP3-Player besitzen, ist das ein bisschen wie eine Schachtel mit 160 Milliarden mikroskopisch kleinen Eisennägeln, von denen jeder ein winziges Stück Information, ein Bit, speichern kann. Ein Bit ist eine binäre Ziffer – entweder eine Null oder eine Eins. In Computern werden Zahlen nicht als Dezimalzahlen (Basis 10) gespeichert, sondern als Muster von Binärziffern. Die Dezimalzahl 382 wird zum Beispiel als Binärzahl 101111110 gespeichert. Auch Buchstaben und andere Zeichen können als Binärzahlen gespeichert werden. So speichern Computer einen Großbuchstaben A als Dezimalzahl 65 oder als Binärzahl 1000001. Angenommen, Sie wollen die Zahl 1000001 in Ihrem Computer in der großen Schachtel mit Eisennägeln speichern. Sie müssen eine Reihe von sieben unbenutzten Nägeln finden. Du magnetisierst den ersten (um eine 1 zu speichern), lässt die nächsten fünf entmagnetisiert (um fünf Nullen zu speichern) und magnetisierst den letzten (um eine 1 zu speichern).

Wie eine Festplatte funktioniert

In der Festplatte deines Computers gibt es eigentlich keine Eisennägel. Es gibt nur eine große, glänzende, runde „Platte“ aus magnetischem Material, die so genannte „Platter“, die in Milliarden winziger Bereiche unterteilt ist. Jeder dieser Bereiche kann unabhängig voneinander magnetisiert (zum Speichern einer 1) oder entmagnetisiert (zum Speichern einer 0) werden. Magnetismus wird für die Speicherung von Daten in Computern verwendet, da die Informationen auch dann gespeichert werden, wenn der Strom abgeschaltet wird. Wenn Sie einen Nagel magnetisieren, bleibt er magnetisiert, bis Sie ihn entmagnetisieren. Genauso bleiben die auf der Festplatte Ihres PCs oder iPods gespeicherten Informationen (oder Daten) auch dann erhalten, wenn Sie den Strom ausschalten.

Die Plattenteller sind die wichtigsten Teile einer Festplatte. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um Platten aus einem harten Material wie Glas, Keramik oder Aluminium, das mit einer dünnen Metallschicht überzogen ist, die magnetisiert oder entmagnetisiert werden kann. Eine kleine Festplatte hat in der Regel nur eine Platte, die jedoch auf jeder Seite mit einer Magnetschicht versehen ist. Größere Laufwerke haben eine Reihe von Platten, die auf einer zentralen Spindel gestapelt sind, mit einem kleinen Zwischenraum zwischen ihnen. Die Platten rotieren mit bis zu 10.000 Umdrehungen pro Minute (U/min), so dass die Schreib-Lese-Köpfe auf jeden Teil der Platte zugreifen können.

Für jede Platte gibt es zwei Schreib-Lese-Köpfe, einen für die Oberseite und einen für die Unterseite, so dass eine Festplatte mit beispielsweise fünf Platten zehn separate Schreib-Lese-Köpfe benötigt. Die Schreib-Lese-Köpfe sind an einem elektrisch gesteuerten Arm angebracht, der sich von der Mitte des Laufwerks zum äußeren Rand und wieder zurück bewegt. Um die Abnutzung zu verringern, berühren sie den Plattenteller nicht: Zwischen dem Kopf und der Oberfläche des Plattentellers befindet sich eine Flüssigkeits- oder Luftschicht.

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