ساعت و ساعت کوارتز

0

 

Y ممکن است به طالع بینی اعتقادی نداشته باشید ، اما هیچ سوالی وجود دارد که سیارات بر زندگی ما حکومت می کنند. با طلوع خورشید (یا مدتی) از جای خود بلند می شویم بعد) و وقتی غروب کرد به رختخواب بروید. ما تقویمی داریم براساس روزها ، ماه ها و سالها – دوره هایی از زمان که مربوط به چگونگی ماه و زمین در آسمان به دور خورشید حرکت می کنند. در بیشتر تاریخ ، مردم این نوع “زمان سنجی نجومی” را به اندازه کافی خوب ارزیابی کردند نیازهای آنها اما همانطور که جهان از کوره در رفته بود و افراد پیچیده نیاز به ثبت ساعت ، دقیقه و ثانیه و همچنین روزها ، ماه ها و سال ها. این بدان معنی بود که ما نیاز داشتیم روش های دقیق نگه داشتن زمان. ساعت آونگ و مکانیکی در گذشته ساعت ها بهترین روش برای انجام این کار بودند. امروزه افراد زیادی استفاده می کنند در عوض ساعت و ساعت کوارتز – اما آنها چه هستند و چگونه کار می کنند کار می کنید؟

عکس: کوارتز واقعا ارزان است و ساعتهایی که از آن استفاده می کنند به قطعات متحرک احتیاج ندارند. به همین دلیل است که اکنون حتی در ارزان ترین ساعت ها نیز از آن استفاده می شود. از آنجا که بسیار دقیق و قابل اعتماد است ، بسیار قابل فروش است – به همین دلیل ساعت های اینچنینی با افتخار کلمه “کوارتز” را به وضوح در صفحات شماره گیری خود گچ می کنند. توجه داشته باشید که این یک آنالوگ است ساعت (یکی با عقربه ها): ساعت و ساعت کوارتز لازم نیست دیجیتال باشد (دارای نمایشگر عددی باشد).

نحوه کار ساعت های معمولی

همه ما می دانیم که یک ساعت زمان را حفظ می کند ، اما آیا تا به حال متوقف شده اید فکر کنید چگونه این کار را انجام می دهد؟ احتمالاً ساده ترین ساعتی که می توانید داشته باشید make یک ساعت گفتاری است. اگر با تکرار عبارتی ثانیه شماری کنید این دقیقاً یک ثانیه طول می کشد تا بگویم (مانند “فیل یک” ، “فیل دو “،” فیل سه “…) ، متوجه خواهید شد که می توانید وقت را زیبا نگه دارید به درستی. امتحانش کن فیل های خود را از یک تا شصت بگویید و ببینید چقدر در مقایسه با ساعت خود بیش از یک دقیقه وقت را حفظ می کنید.

بد نیست ، ها؟ مشکل این است که ، بیشتر ما کارهای بهتری برای انجام همه کارها داریم روز از گفتن “فیل”. به همین دلیل مردم ساعت ها را اختراع کردند. برخی از اولین ساعت ها از آونگ های نوسان دار برای صرف وقت استفاده می کردند. آونگ یک است میله بلند یا وزنه ای روی رشته ای که عقب و جلو می چرخد. در سال ۱۵۸۳ ، فیزیکدان ایتالیایی گالیله گالیله (۱۵۶۴–۱۶۴۲) کشف کرد که یک آونگ با طول مشخص همیشه زمان معینی را به عقب می برد و جلو ، مهم نیست که چقدر سنگین باشد یا نوسان بزرگی ایجاد کند. او این را با تماشای یک لامپ عظیم درحال چرخش روی یک زنجیر از داخل فهمید سقف کلیسای جامع پیزا در ایتالیا ، و استفاده از نبض خود را به زمان آن را به عنوان حرکت می کند عقب و جلو در یک ساعت ، کار آونگ تنظیم سرعت است از چرخ دنده ها (چرخهای بهم پیوسته با دندانهایی که در لبه آنها بریده شده است). چرخ دنده ها تعداد ثانیه هایی که می گذرد و تبدیل می شوند را می شمارند آنها را به چند دقیقه و ساعت نشان دهید و روی دستهایی که دور آن را می چرخانند نشان داده شود صفحه ساعت به عبارت دیگر: چرخ دنده ها در ساعت آونگ قرار دارند واقعا فقط فیل ها را می شمارد.

ساعت و ساعت کوارتز

عکس: قدرت آونگ: این میله تاب دار (با وزنی در پایین) همان چیزی است که زمان را در ساعت پدربزرگ نگه می دارد. این یکی از اکتشافات بزرگی بود که مدیون گالیله هستیم.

با گره زدن وزنه به یک تکه می توانید ساعت آونگ درست کنید رشته اگر طول این رشته حدود ۲۵ سانتی متر (۱۰ اینچ) باشد ، آونگ طول می کشد تقریباً هر ثانیه یک بار به عقب و جلو بروید. رشته های کوتاه تر رشته های سریعتر و آهسته تر می چرخند. مشکل با یک ساعت مانند این به این معنی است که آونگ متوقف خواهد شد. مقاومت هوا و اصطکاک به زودی انرژی خود را مصرف می کند و متوقف می کند. از همین رو ساعت های آونگ دارای فنرهای هستند. روزی یکبار یا بیشتر ، یک درون فنر برای ذخیره انرژی بالقوه برای حرکت آونگ به داخل برای ۲۴ ساعت آینده همانطور که فنر از سیم پیچ خارج می شود ، چرخ دنده ها را نیرو می دهد داخل ساعت از طریق مکانیزم اره برقی بنام فرار پاندول چرخ دنده ها را وادار می کند تا با سرعت دقیق بچرخند – و این چنین است چرخ دنده ها زمان را نگه می دارند یک ساعت جیبی بدیهی است که نمی تواند یک ساعت جیبی داشته باشد پاندول داخل آن ، بنابراین از مکانیسم دیگری استفاده می کند. به جای a آونگ ، دارای یک چرخ تعادل است که ابتدا به یک طرف می چرخد ​​و سپس دیگری ، با یک فرار بسیار کوچکتر از آنچه در آن کنترل می شود ، ساعت آونگ

در مورد همه اینها می توانید در مقاله جداگانه ما در مورد آونگ اطلاعات کسب کنید. ساعتها .

نحوه کار ساعت های کوارتز

ساعت و ساعت کوارتز

عکس: بلورهای کوارتز. عکس با مجوز از سازمان زمین شناسی ایالات متحده .

مشکل ساعت آونگ و ساعتهای معمولی این است که شما هستید باید به یاد داشته باشید که آنها را باد کنید. اگر فراموش کنید ، آنها متوقف می شوند – و شما هیچ ایده ای ندارم که ساعت چند است مشکل دیگر ساعت های آونگ این است که ساعت های آونگ دارند به نیروی جاذبه بستگی دارد ، که از مکانی به مکان بسیار کمی متفاوت است. این بدان معناست که ساعت آونگ زمان را در ارتفاعات متفاوت از سطح دریا می گوید! آونگها همچنین با تغییر دما تغییر می کنند ، در روزهای گرم اندکی در حال انقباض و در روزهای سرد منقبض می شوند ، که این باعث می شود دقت آنها کمتر باشد دوباره.

ساعت های کوارتز تمام این مشکلات را برطرف می کند. آنها باتری تغذیه می شوند و چون استفاده می کنند برق کم ، باتری می تواند اغلب چندین سال دوام بیاورد قبل از اینکه شما نیاز به تعویض آن داشته باشید. همچنین دقت آن ها بسیار بیشتر از ساعت های آونگ است. ساعت کوارتز به روشی کاملاً متفاوت برای ساعتهای آونگ و ساعتهای معمولی کار کنید. آنها هنوز دنده هایی در داخل خود دارند تا ثانیه ها ، دقیقه ها و ساعت ها را بچرخانید و عقربه های ساعت را بکشید اما چرخ دنده ها هستند توسط یک کریستال کوچک کوارتز به جای آونگ چرخان تنظیم می شود یک چرخ تعادل متحرک. جاذبه به هیچ وجه یک ساعت کوارتز در کار نیست زمان صعود به قله اورست را به همان اندازه که در دریا هستید نیز می گوید.

Tiny quartz oscillator from inside a quartz watch

عکس: اسیلاتور کوارتز از ساعت. با مشاهده آخرین عکس در این صفحه می توانید ببینید که چقدر کوچک است. این قسمت با شماره “۵” در آن تصویر است.

کوارتز عجیب به نظر می رسد – با “q” و “z” ، کلمه ای عالی برای بازی در آن است دستمالی کردن – اما در واقع یکی از رایج ترین آنهاست مواد معدنی روی زمین. این ماده از یک ترکیب شیمیایی به نام سیلیکون ساخته شده است دی اکسید (سیلیکون همچنین مواردی است که از آن تراشه های رایانه ساخته می شود) ، و می توانید آن را در شن و ماسه و بیشتر انواع سنگ پیدا کنید. شاید جالب ترین نکته در مورد کوارتز این باشد که پیزوالکتریک است . این بدان معناست که اگر شما یک کریستال کوارتز را فشار دهید ، این یک ریز تولید می کند ولتاژ برق عکس این نیز صادق است: اگر ولتاژ را به یک قطعه کوارتز ، با فرکانس دقیق ارتعاش می کند (تعداد دقیقاً هر بار ثانیه را لرزاند).

در داخل ساعت کوارتز یا ساعت ، باتری برق را به ساعت می فرستد کریستال کوارتز از طریق یک مدار الکترونیکی . بلور کوارتز در a نوسان می کند (به عقب و جلو ارتعاش می کند) فرکانس دقیق: دقیقاً ۳۲۷۶۸ بار در هر ثانیه. مدار تعداد ارتعاشات را شمرده و از آنها برای تولید استفاده می کند پالس های الکتریکی منظم ، یک در ثانیه. این پالس ها یا می توانند یک انرژی را تحریک کنند صفحه LCD) = “how-stepper-motors-work.html”> موتور پله ای ، در واقع چرخش چرخ دنده ای که عقربه های دوم ، دقیقه و ساعت ساعت را می چرخاند.

داخل ساعت کوارتز

Artwork showing how a quartz watch works

از نظر تئوری ، اینگونه عمل می کند:

  1. باتری جریان مدار میکروچیپ را تأمین می کند
  2. مدار میکروچیپ باعث ایجاد بلور کوارتز می شود (دقیقاً برش خورده و به شکل یک شکل درآمده است) چنگال تنظیم) ۳۲۷۶۸ بار در ثانیه نوسان (لرزش).
  3. مدار میکروچیپ نوسانات کریستال را تشخیص داده و آنها را تبدیل می کند پالس های الکتریکی منظم ، هر ثانیه.
  4. پالس های برقی موتور پله برقی مینیاتوری را هدایت می کنند. این انرژی الکتریکی را به توان مکانیکی تبدیل می کند.
  5. موتور پله ای برقی چرخ دنده می چرخد.
  6. چرخ دنده ها برای نگه داشتن زمان دور صفحه ساعت را می کشند.

در عمل …

و این همان چیزی است که داخل ساعت کوارتز در واقعیت به نظر می رسد. در هر شرایطی ، اگر می خواهید دوباره کار کند ، خود را جدا نکنید. فقط با برداشتن پشت ساعت نمی توانید همه این قسمت ها را ببینید. ساعتی که در اینجا نشان داده شده است همراه با بسته ای از دانه های ذرت (به طور جدی!) و قبل از باز کردن آن شکسته بود. اما بعد از آن حتی بیشتر شکسته شد …

ساعت و ساعت کوارتز

  1. باتری.
  2. موتور پله ای برقی.
  3. ریز ​​تراشه.
  4. مدار میکروچیپ را به سایر اجزا متصل می کند.
  5. نوسان ساز کریستال کوارتز.
  6. پیچ تاج برای تنظیم زمان.
  7. چرخ دنده ها با سرعت های مختلف ساعت ، دقیقه و عقربه های دوم را می چرخانند.
  8. شافت مرکزی کوچک دستها را در جای خود نگه داشته است.

چرا ساعت های کوارتز اصلاً وقت خود را از دست می دهند یا از دست می دهند؟

اگر کوارتز بسیار شگفت انگیز باشد ، ممکن است این سوال برای شما پیش بیاید که چرا ساعت کوارتز برای همیشه وقت را با دقت کامل حفظ نمی کند. چرا هنوز این ثانیه ها ثانیه ها را از دست می دهد یا از دست می دهد؟ پاسخ این است که کوارتز در دما و فشارهای مختلف با فرکانس کمی متفاوت ارتعاش می کند توانایی زمان سنجی آن تحت تأثیر گرم شدن ، خنک کننده و همیشه در حال تغییر جهان پیرامون ما است. از لحاظ تئوری ، اگر شما همیشه ساعت را روی مچ خود نگه دارید (که این مقدار کم و بیش ثابت است) دما) ، بهتر از زمان روشن و خاموش نگه داشتن آن خواهد بود (باعث تغییر دما کاملاً چشمگیر می شود) هر زمان). اما حتی اگر کریستال کوارتز بتواند با فرکانس کاملاً ثابت لرزش داشته باشد ، نحوه نصب آن در مدار خود ، نقص های کوچک در چرخ دنده ، اصطکاک و غیره نیز می تواند خطاهای جزئی در زمان سنجی را ایجاد کند. تمام این جلوه ها برای ایجاد یک عدم دقت حداکثر تا یک ثانیه در روز در ساعتهای معمولی کوارتز و ساعتها کافی است (به خاطر داشته باشید که ثانیه ای که یک روز از دست داده است ممکن است با ثانیه ای که روز بعد بدست آورده جبران شود ، بنابراین ممکن است دقت کلی بدست آید به اندازه چند ثانیه در ماه).

اما بیت کریستال کوارتز در واقع چگونه کار می کند؟

ممکن است به اندازه کافی توضیح دهید و اگر چنین است ، اکنون می توانید مطالعه را متوقف کنید. آنچه در زیر می آید بحث مفصل تری درباره چگونگی نوسان ساز بلور کوارتز است در واقع برای کسانی که می خواهند کمی بیشتر عمق داشته باشند کار می کند. من باید به شما هشدار دهم که مگر اینکه مدرک الکترونیکی داشته باشید مهندسی ، مدارهای کریستال کوارتز خیلی زود پیچیده می شوند. من قصد دارم به شما بدهم نسخه بسیار مختصر و ساده از آنچه اتفاق می افتد و برخی از اشاره گرها برای مطالعه بیشتر بنابراین شما اگر مراقب باشید می تواند عمیق تر شود.

نکته کلیدی که باید در مورد کوارتز به خاطر بسپارید این است که پیزوالکتریک است: هنگامی که برق را در آن قرار می دهید ، ارتعاش پیدا می کند یا هنگامی که آن را لرزانید ، برق خارج می شود. یک نوسان ساز کریستال کوارتز از پیزوالکتریسیته به هر دو روش استفاده می کند – همزمان!

روشی که من نمودارم را در بالا رسم کرده ام باعث می شود کریستال کوارتز از آن جدا باشد مدار میکروچیپ اما در واقع ، کریستال بخشی صمیمی از آن مدار است که به آن سیم کشی شده است توسط دو الکترود. می توانید آنها را به وضوح در عکس بزرگ داخل ساعت و داخل آن مشاهده کنید عکس خود اسیلاتور: آنها دو پایه کوچک نقره ای رنگ هستند که از فلز استوانه ای بیرون می آیند مورد. در واقع ، اسیلاتور کریستال کوارتز فقط یکی دیگر از اجزای متصل شده به مدار میکروچیپ است ، دقیقاً مانند مقاومت یا خازن.

من می گویم “مدار” اما ساده ترین است که فکر کنیم نوسانگر بخشی از دو مدار جداگانه است ، هر دو در یک ریز تراشه هستند. اولین مدار (ما آن را ورودی می نامیم) بلور کوارتز را با انفجارهای برق تحریک می کند. تغذیه برق با کوارتز باعث ارتعاش (یا در صورت تمایل ، نوسان یا تشدید) می شود از طریق آنچه گاهی اوقات اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده می شود (جایی که برق ارتعاشات را ایجاد می کند). اسیلاتور تنظیم شده است بنابراین کوارتز دقیقاً ۳۲۷۶۸ بار در ثانیه ارتعاش می کند. اما اکنون اثر پیزوالکتریک معمولی را به خاطر بسپارید: هنگامی که یک قطعه کوارتز لرزید ، ولتاژ الکتریکی ایجاد می کند. مدار دوم روی میکروچیپ این “ولتاژ خروجی” را تشخیص می دهد (با نوسان ۳۲۷۶۸ بار در ثانیه) و فرکانس آن را تقسیم کرده و یک بار در ثانیه تولید می کند پالس هایی که موتور را به چرخ دنده تحریک می کند. در یک ساعت مجهز به نمایشگر دیجیتال ، به جای استفاده از چرخ دنده ، یک تراشه بارها و بارها فرکانس نوسان ساز را تقسیم می کند تا قسمتهای ساعت ، دقیقه و ثانیه را هدایت کند (همانطور که در کارهای هنری زیر نشان داده شده است).

Quartz oscillator, binary divider, counters, and display drivers in a typical Timex digital watch from US Patent 3,863,436.

آثار هنری: چگونه یک اسیلاتور کوارتز یک ساعت دیجیتال را با نمایش ساعت و دقیقه و یک کولون چشمک زن بین آنها (“۱۲:۳۲”) رانده تا ثانیه های گذشته را نشان دهد. اسیلاتور (زرد) ۳۲۷۶۸ بار در ثانیه ارتعاش می کند. یک تقسیم باینری (آبی ، چپ) این قسمت را ۱۵ برابر به دو تقسیم می کند (بنابراین این ۳۲۷۶۸ ÷ ۲ ÷ ۲ ÷ ۲ ÷ ۲ است ÷ ۲ ÷ ۲ ÷ ۲ ÷ ۲ ÷ ۲ ÷ ۲ ÷ ۲ ۲ ÷ ۲ ÷ ۲ ÷ ۲ = ۱) برای ایجاد یک پالس ۱ هرتز (یک در هر ثانیه) که کولون چشمک زن را هدایت می کند. سیگنال ۱ هرتز از تقسیم کننده به ۶۰ تقسیم می شود تا دقیقه را بسازد و ۱۲ ساعت دیگر را به ساعت بسازد. این سیگنال ها با یک سری درایورها (قرمز) کار می کنند که بخشهای موجود در نمایشگر دیجیتال را تغذیه می کنند. آثار هنری از ثبت اختراع ایالات متحده ۳،۸۶۳،۴۳۶: ساعت کوارتز حالت جامد توسط جک شوارتزیلد و ریموند باکسبرگر ، تایمکس ۴ فوریه ۱۹۷۵ ، با مجوز از اداره ثبت اختراعات و علائم تجاری ایالات متحده.

در یک فرم اولیه نوسان ساز کوارتز ، کریستال کوارتز دارای دو مجموعه الکترود بر روی آن بود. اولین مجموعه بود به مدار ورودی متصل شده و برق را به بلور تغذیه می کند تا باعث لرزش شود. وقتی کریستال لرزش ، ولتاژ پیزوالکتریک ایجاد می کند. این توسط مجموعه دوم الکترودها (گیر کرده) تشخیص داده شد به قسمت دیگری از همان بلور) و به مدار خروجی منتقل می شود. وقتی فناوری کوارتز برای استفاده در ساعتهای مچی جمع و جور کوچک شد ، مشخص شد که کوچکتر است اسیلاتورها مورد نیاز بودند و جای دو جفت الکترود وجود نداشت. به همین دلیل نوسانگرهای مدرن هستند از یک جفت الکترود استفاده کنید تا کریستال را با انرژی تحریک کرده و ارتعاشات آن را تشخیص دهد.

این به همان اندازه ای است که قصد دارم به شما بگویم. اگر می خواهید بیشتر بدانید ، بهتر است نگاهی به موارد زیر بیندازید منابع به شما هشدار داده شود که پیچیدگی ها و پیگیری آنها دشوار است ، مگر اینکه شما دانش مهندسی الکترونیک داشته باشید.

خواندن بیشتر

عمومی

  • نوسان ساز بلورین : معرفی مفصلی از ویکی پدیا. این مقاله یکی از مقالات کمی گیج کننده ویکی پدیا است که احتمالاً فقط برای افرادی که در وهله اول اطلاعات کافی برای نوشتن مقاله دارند ، منطقی است. با این وجود ، این یک نقطه شروع منطقی برای تحقیقات بیشتر است.
  • ساعت بلوری توسط W. A. ماریسون ، مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا ، جلد ۱٫ ۱۶ ، شماره ۷ (۱۵ ژوئیه ، ۱۹۳۰) ، ص ۴۹۶–۵۰۷٫ یکی از اولین مقالات مربوط به فناوری بلور کوارتز که توسط یکی از پیشگامان آن نوشته شده است.

تاریخ

  • تکامل ساعت بلوری کوارتز توسط Warren A. Marrison، The Bell System Technical Journal، Vol. XXVII ، صص ۵۱۰–۵۸۸ ، ۱۹۴۸٫ این مقاله عالی ، جذاب ، قطعی و مفصل است که تاریخچه زمان کوارتز را شرح می دهد. اما توجه داشته باشید که مقاله پیچیده از یک مجله فنی است. [از طریق Wayback Machine بایگانی شده و با فرمتهای مختلف دیگر از بایگانی اینترنت .]
  • پیشرفت های مدرن در ساعت های دقیق توسط AL Loomis (آزمایشگاه Loomis) و WA Marrison ، مهندسی برق IEE ، سال. ۵۱ ، شماره ۲ ، فوریه ۱۹۳۲٫ روایتی کلاسیک دیگر از بایگانی توسط دو پیشگام اصلی. (مقاله اشتراک در سال ۲۰۱۳ به صورت الکترونیکی بارگذاری شد.)
  • تغییرات و ترکیبات: اختراع و توسعه فناوری های ساعت کوارتز در AT&T توسط شائول کاتزیر ، آیکون ، کمیته بین المللی تاریخ فناوری (ICOHTEC) ، ش. ۲۲ (۲۰۱۶) ، ص ۷۸–۱۱۴٫ نگاهی دقیق به چگونگی تولید ساعت کوارتز توسط وارن ماریسون و همکارانش.

مطالب پیشنهادی

ممکن است شما دوست داشته باشید
ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.