Zegarek kwarcowy

…pierwszy zegarek kwarcowy powstał w 1929 roku. Wynalazł go anglik Warren A.
Marrison. W roku 1924 przygotował protokół, w którym zawarł schemat i zasadę działania
oraz wszelkie konieczne szczegóły konstruowanego właśnie zegara. Do publicznej
wiadomości podał jego opis i przedstawił prototyp w 1929 roku. Już rok później dwaj
niemieccy uczeni U. Adelberger i A. Scheibe opublikowali opis podobnego urządzenia.
Podstawową częścią zegara jest specyficznie wygięta płytka z kwarcu. Płytka pod wpływem
napięcia elektrycznego ulega elektrostrykcji, czyli niewielkiemu odkształceniu
mechanicznemu.
W zegarku elektronicznym mechanizm przekładniowy obracający koła minutowe i
godzinowe oraz wskazówki jest taki sam, jak w zegarku mechanicznym. Różnica polega na
innym źródle zasilania (bateria) i innym mechanizmie regulującym, którym w tym przypadku
jest kryształ kwarcu, drgający i wytwarzający impulsy elektryczne o określonej
częstotliwości. Układ scalony przetwarza je na impulsy o mniejszej częstotliwości regulujące
obroty silniczka.
Pod wpływem napięcia zmiennego odkształcenia powstają w sposób zmienny. Stając się w
ten sposób oscylatorem kwarcowym, płytka zaczyna drgać w takt częstotliwości napięcia
elektrycznego. Gdy częstotliwość napięcia elektrycznego zostanie odpowiednio dobrana do
kształtu i wymiarów płytki, drgania stają się szczególnie silne. Jest to tak zwane zjawisko
rezonansu. Okazuje się, że dla danej płytki częstotliwość rezonansowa, przy której płytka
drga najintensywniej jest stała i ściśle określona wymiarami płytki.
Częstotliwość rezonansowa może być zaburzona tylko w bardzo nieznacznym stopniu przez
wpływy otoczenia, głównie temperaturę. Zanim powstały układy scalone, płytki kwarcowe
zawieszano w bańce opróżnionej z powietrza i zamkniętej w termostacie.(termostat- komora o
automatycznie regulowanej, praktycznie niezmiennej temperaturze). Tam można było
uzyskać prawie zupełną niezależność częstotliwości drgań płytki kwarcowej od warunków
otoczenia. Przy zastosowaniu jeszcze kilku innych czynników stabilizujących, płytka stawała
się urządzeniem zdolnym do nieomal idealnie równomiernego „chodzenia”. Urządzenie
znacznie przewyższało w tej dziedzinie wahadła i inne urządzenia czysto mechaniczne. Przy
stanie techniki z pierwszej połowy XX wieku można było osiągnąć równomierność biegu
tego rodzaju urządzeń, wyrażającą się odchyleniem 1 sekundy w okresie 3 lat. Odpowiada
to dokładności pomiaru odcinka 100 km z precyzją 1 mm.
Obecnie wiemy, że zjawisko piezoelektryczne występuje w kryształach mających osie
biegunowe. Typowym jest kwarc, występujący w dwóch odmianach: prawo- i lewoskrętnej.
Kwarc ma zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji. Ta zdolność związana jest ze
śrubowym ułożeniem komórek elementarnych sieci krystalicznej kwarcu. Kwarc wycięty
prostopadle do osi polarnej nazywa się piezokwarcem. W wykonaniu praktycznym zegary
kwarcowe posiadały jeszcze dodatkowy mechanizm transmisyjny. Przetwarza on
równomiernie drgania płytki kwarcowej na ruch obrotowy wskazówek.
Obecnie wiele

zegar

ów i zegarków ma oscylatory zrobione z kwarcu. Regulują one wskazania

1

wyświetlacza lub ruch wskazówek. Prąd pobierany z małej baterii wymusza drgania
kryształu, a ten z kolei wytwarza impulsy prądu elektrycznego o ściśle określonej
częstotliwości. Specjalny mikroukład scalony redukuje częstotliwość drgań do jednego na
sekundę, a impuls ten steruje silnikiem obracającym wskazówkami lub wyświetlaczem.
Dzięki zegarom kwarcowym można było udowodnić, że prędkość obrotu Ziemi wokół osi,
stanowiąca naturalny wzorzec czasu, bynajmniej nie odznacza się absolutną stałością. Jej
odchylenie dobowe, które udało się wykryć, sięga 1/40000 sekundy.
W zegarkach automatycznych wykorzystuje się energię kinetyczną ruchu ręki noszącego je
człowieka. W pierwszych rozwiązaniach energia ta służyła do nakręcania sprężyny. Obecnie
w niektórych nowoczesnych zegarkach kwarcowych zmienia się energię kinetyczną na
elektryczną, dzięki czemu zbędna staje się bateria. Generator zamienia ruch wahnika w
elektryczność do zasilania silniczka i utrzymania oscylacji kryształu kwarcu, który wytwarza
impulsy elektryczne regulujące zegarek.

MT

2