Три иллюстрации: почему кварцевые часы идут так точно. Часть 1
Три иллюстрации: почему кварцевые часы идут так точно. Часть 1 Механические часы нужно подводить раз в несколько дней, а кварцевые спокойно работают на запястье месяц, погрешность почти незаметна. Как им это удаётся? В корпусе нет маленького человечка с секундомером и часовщик не приходит ночью для калибровки. За отсчёт времени отвечает незаметный кристалл кварца. Его основное вещество — диоксид кремния, тот же самый, что и в песке. Получается, главная деталь часов по происхождению — родственник песка. Не спешите смотреть на шестерёнки: сердце кварцевых часов вообще не вращается. Механические часы работают за счёт пружины, передающей усилие шестерёнкам, а ритм регулирует балансовое колесо. У кварцевых подход другой: вместо медленного движения балансового колеса маленький кристалл кварца совершает гораздо более стабильные механические вибрации, которые преобразуются в электрические сигналы. Это возможно благодаря уникальному физическому явлению — пьезоэлектрическому эффекту. В 1880 году французские физики Пьер и Жак Кюри обнаружили, что некоторые кристаллы при механическом сжатии создают электрический заряд. Год спустя они подтвердили обратный эффект: если подать на кристалл электрическое поле, он деформируется. Сжал — появилось электричество; подал ток — кристалл двигается. Объединив это свойство с электронной схемой, получают постоянные стабильные вибрации кристалла. Именно так начинается отсчёт времени в кварцевых часах. Иллюстрация 1. Почему именно кварц? Потому что он вибрирует стабильно. На балансовое колесо механических часов влияют трение, положение корпуса и температура. Кварцевый кристалл тоже зависит от температуры, но при правильной конструкции и работе электронной схемы он даёт очень стабильную частоту колебаний. В обычных кварцевых часах кварц вырезают в виде камертона, при подаче тока этот миниатюрный камертон непрерывно вибрирует. Сколько вибраций? Запомните число для кварцевых часов: 32768. Обычный кристалл в часах имеет частоту колебаний 32768 Гц — 32768 вибраций в секунду. На первый взгляд число странное: почему не 30000 и не 100000? Потому что 32768 = 2¹⁵. Электронные делители частоты легко делят значение на 2. 32768 / 2 =16384, дальше 8192, 4096, 2048, 1024… После 15 последовательных делений получаем 1 Гц — один импульс в секунду. Так кварцевые часы получают стабильную эталонную «секунду». Иллюстрация 2. Даже получив «секунду», стрелки сами не двигаются Электрический импульс — это только сигнал, стрелки ждут привода. Поэтому в кварцевых часах есть шаговый электродвигатель. Каждый раз, когда схема деления выдаёт импульс, соответствующий одной секунде, шаговый двигатель поворачивается на фиксированный угол и приводит систему шестерёнок. Именно поэтому секундная стрелка прыгает раз в секунду. Внутри корпуса кристалл совершает 32768 вибраций в секунду, схема преобразует их в один импульс в секунду, а двигатель превращает сигнал в видимый прыжок стрелки. Это красивое преобразование внутри кварцевых часов. Теперь сравним с механическими. Балансовое колесо механических часов совершает примерно 3–4 колебания в секунду. Кварцевый кристалл — 32768. Балансовое колесо — крупная подвижная деталь, на которую влияет положение часов, температура, магнитные поля и состояние смазки. Стабильность кварцевого осциллятора определяется свойствами самого кристалла. Для сравнения стандартов точности: хронометр COSC должен иметь среднюю суточную погрешность от -4 до +6 секунд в сутки. Обычные кварцевые часы часто имеют погрешность менее 0,5 секунды в день, зависит от механизма и температуры. Кварцевые часы точные не потому, что шестерёнки сделаны идеально, а потому что используется гораздо более стабильный осциллятор для отсчёта времени. Продолжение статьи #Китай #наука #технологии #кварцевыечасы