Подавляющее большинство устройств для измерения времени, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, относятся к категории кварцевых часов. Электронные часы в наших телефонах и компьютерах, таймеры в бытовой технике, промышленные таймеры, немеханические наручные и настенные часы, – всё это примеры кварцевых часов.
Кварцевые часы являются одним из самых простых устройств на свете, при том, что в точности измерения времени они уступают только атомным часам.
Для изготовления кварцевых часов применяется один из наиболее распространённых на Земле минералов – кварц. Знакомый каждому из нас самый обыкновенный песок является не чем иным, как кварцевой крошкой.
Понять, как устроены кварцевые часы, весьма несложно. Состоят они, по сути, из трёх элементов:
1. Кристалл кварца, который колеблется с постоянной частотой в несколько тысяч колебаний в секунду.
2. Счетчик, который считает эти колебания и подаёт электрический сигнал, когда отсчитанное количество колебаний становится эквивалентным отрезку времени в одну секунду (или какому-либо другому заданному интервалу).
3. Небольшой двигатель, который, получив сигнал от счётчика, перемещает секундную стрелку на одно деление вперёд. (В часах с цифровым дисплеем цифры на дисплее переключает микросхема).
Вероятно, всё же не будет лишним дать по каждому из пунктов чуть более подробные пояснения.
1. Какой постоянный циклический процесс лежит в основе кварцевых часов и служит заменой маятнику. Итак, в кварцевых часах в качестве постоянного цикличного процесса используются колебания кристалла кварца, которые происходят под воздействием электрического поля. Частота этих колебаний весьма постоянна. Качественные бытовые кварцевые часы имеют точность ±15 секунд/месяц (а в особо точных хронометрах до 0,3 секунды/месяц). Важно знать, что современные технологии позволяют без проблем производить кварцевые резонаторы с любой предустановленной частотой колебаний.
2. Как считают колебания кварца. В отличие от осуществляемых при помощью зрения астрономических наблюдений, на основе которых древние формировали понятие о времени, колебания кристалла кварца человек увидеть не в состоянии, а даже если бы мог их увидеть, то не сумел бы посчитать, потому что кварц выполняет несколько тысяч колебаний в секунду. Функцию подсчёта числа колебаний осуществляет специальный чип-счётчик. Такие счётчики относятся к категории простейших устройств.
3. Как в итоге мы всё-таки узнаем, сколько прошло времени. Интерфейс взаимодействия системы с человеком следующий. Когда счётчик отсчитает количество колебаний кварца, равное продолжительности времени в 1 секунду, то посылается электрический сигнал, который заставляет секундную стрелку «перепрыгнуть» на одно деление. Ещё через одну секунду действие повторяется., и так далее. Это очень простая процедура для современной электротехники, выполняет её так называемый шаговый электродвигатель. В часах же с цифровым дисплеем, как уже было сказано, цифры на дисплее переключает микросхема.
Теперь несколько подробнее о принципе работы кварцевых часов.
Кварцевые часы стали возможны, благодаря существованию в природе так называемого пьезоэлектрического эффекта.
Сущность пьезоэлектрического эффекта заключается в том, что при механическом воздействии на кусочек кристалла (например сжатии или изгибе), в нём возникает электрический заряд, и наоборот – при подаче электрического напряжения, кристалл изменяет форму (сжимается, изгибается и т.п., – параметры деформации зависят от индивидуальных особенностей образца).
Попробуем рассмотреть весь процесс в динамике.
Итак, пьезоэлектрический эффект заключается в том, что под внешним механическим воздействием воздействием в некоторых материалах (в частности – в кристаллах кварца) возникает электрический заряд. (Если говорить точнее, то происходит поляризация электрического заряда в кристалле – то есть одна часть кристалла приобретает положительный электрический заряд, а другая – отрицательный). Как только эта поляризация электрических зарядов произошла, созданное этими зарядами электрическое поле запускает обратный пьезоэлектрический эффект, что приводит к "возвратной" механической деформации кристалла. А эта деформация, в свою очередь, вызывает новую поляризацию электрического заряда в кристалле, а новое электрополе вновь вызывает деформацию кварца, … ну и так далее. В общем, возникает колебательный процесс.
Эти колебания в кристалле должны были бы неминуемо очень быстро, за ничтожные доли секунды, затухнуть, если их не поддерживать. По аналогии с механическим маятником, колебания которого можно поддерживать очень малыми затратами энергии (главное раскачивать маятник в резонанс с его собственными колебаниями!), тот же самый способ применяется и в генераторе кварцевых колебаний. Усилитель колебаний, работающий в резонанс с собственной частотой колебаний кристалла, выполняет эту задачу. Энергии крохотной батарейки хватит на многие месяцы работы такого кварцевого резонатора.
Для подсчёта числа колебаний кварца подходящим вариантом может быть двоичный счётчик, на основе простейшей полупроводниковой схемы. Для 15-разрядного двоичного счётчика, подходит генератор колебаний с частотой 32768 Гц (2 в 15-й степени = 32768). Таким образом, когда 15-й регистр счётчика «активизируется», электросигнал от счётчика запускает перемещение секундной стрелки на одно деление вперёд.
История изобретения кварцевых часов такова:
Пьезоэлектрические свойства кварца были обнаружены Жаком и Пьером Кюри в 1880 году.
В 1912 году был изобретен первый ламповый генератор.
Первый электромеханический резонатор, на основе сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году Александром Николсоном.
Первый кварцевый резонатор был построен Уолтером Кэди в 1921 году.
В 1923 году Д.У.Дай и Уоррен Маррисон выполнили настройку сигналов точного времени с помощью кварцевого резонатора.
В 1927 году Джозеф У. Хортон и Уоррен Маррисон построили первые кварцевые часы с частотой 50 000 циклов в секунду.
В 1932 году с помощью кварцевых часов смогли измерить незначительные отклонения в скорости вращения Земли.
В 1932 году была разработана технология огранки кристалла, которая обеспечила высокую стабильность и точность работы, что позволило, начиная с 1940-х годов, проводить качественные измерения времени во всем мире на основе кварцевых часов.
Более широкое использование технологии кварцевых часов стало возможным после разработки дешевых полупроводниковых микросхем в 1960-х годах.
В 1969 году компания Seiko выпустила первые в мире коммерческие кварцевые наручные часы Seiko-Quartz Astron. Эти часы имели точность 0,2 секунды в день, 5 секунд в месяц или 1 минуту в год.
К 1980-м годам кварцевые часы существенно потеснили механические часы во всех сферах применения и стали использоваться повсеместно, как бытовые таймеры, будильники, замки банковских хранилищ, часовые взрыватели на боеприпасах, промышленные таймеры и т.д.. Кварцевые часы занимают абсолютно доминирующую позицию на рынке наручных и домашних часов, начиная с 1980-х годов.
Несколько слов собственно о кварце:
Кварц — один из самых распространённых минералов. Свободное содержание в земной коре — 12 %. Он находится на втором месте по распространённости в земной коре после полевого шпата.
Химическая формула кварца: SiO2.
Для промышленного производства обычно используют искусственный кварц, полученный гидротермальным способом. Преимуществами такого синтетического кварца являются однородность распределения примесей и более высокая химическая чистота.
Примеров кварца в природе много: аметист, горный хрусталь, оникс, халцедон, и десятки других, в том числе – песок, который состоит из мелких кристаллов кварца.
Согласитесь, это довольно странно, что несколько тысячелетий назад цивилизации древнего мира начали наблюдать за течением времени с помощью Солнца, Луны и звёзд, а сегодня мы измеряем время буквально при помощи песка под нашими ногами, да ещё и достигаем в этом удивительной точности.
© 2023
#время #календарь #хронология #пространствавремени #книги #литература #история #наука #техника #искусство #культура #вселенная #time #calendar #chronology #spacesoftime #books #science #technology #culture #universe #кварц #кварцевыечасы #пьезоэлектричество #физика #полупроводники #микроэлектроника #часы
Ссылки:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Кварцевые_часы
https://en.wikipedia.org/wiki/Quartz_clock
Литература:
Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. 1981.
Пипуныров В. Н. История часов с древнейших времён до наших дней. 1982.
Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. 1970.
Cook A. Time and the Royal Society. 2001.
Leo Schelbert. Historical Dictionary of Switzerland. 2007.
Marrison W.A.The Evolution of the quartz crystal clock. 1948.