Кварцевые часы

Точность астрономических часов Шорта была превзойдена кварцевыми часами, условия для появления которых были подготовлены развитием радиотехники и электроники.

История применения пьезоэлектрического кристалла кварца. Изучение физико-технических свойств кварца и их использование в технике (в частности, в области хронометрии) имеют свою небольшую, но интересную и во многом поучительную историю. Изучение свойств кварца привело к открытию пьезоэлектрического эффекта, который заключается в появлении на поверхности кристалла кварца при его сжатии или растяжении одинаковых по величине, но разноименных электрических зарядов. Этот эффект впервые обнаружили и изучили в 1880 г. братья П. и Ж. Кюри на кристаллах турмалина и кварца; он получил название прямого пьезоэлектрического эффекта. В 1881 г. немецкий ученый Липпман, ознакомившись с работами Кюри, предположил существование обратного пьезоэлектрического эффекта, или механической деформации кристалла кварца, пропорциональной напряженности электрического поля. В том же году братья Кюри экспериментально подтвердили существование такого эффекта. В настоящее время он используется в системе кварцевых часов.

Первая серьезная попытка использовать пьезоэлектрический эффект в электрической цепи была сделана в 1917 г. А.М. Никольсоном. Он применил сегмент сегнетовой соли (пьезоэлектрик), чтобы создать устройство для превращения электрической энергии в звук и обратно. На этой основе он создал громкоговоритель и микрофон. Никольсон был одним из первых, кто сумел использовать пьезоэлектрические свойства кварца для контроля частоты. В 1918 г. французский физик П. Ланжевен применил пьезоэлектрический эффект кварца для подводной сигнализации при помощи ультразвуковых колебаний.

Исследовательские работы по использованию пьезоэффекта кварца в технике в качестве эталона частоты и времени были начаты в 1921 г. американским ученым Кеди, однако лишь в 1927–1930 гг. В.А. Маррисону – сотруднику телефонной лаборатории Белла (США) – первому удалось применить высокочастотные колебания кварца для создания часов. С этой целью был вырезан кусок кварца в форме кольца из кристалла таким образом, чтобы изменения частоты его колебаний с изменением температуры были возможно малы. Кристаллическое кольцо было установлено в камере с управляемой температурой, ее колебания допускались только в пределах,01° С. В камере, где помещался кварц, атмосферное давление поддерживали на постоянном уровне. Камера находилась под герметическим колпаком. Колеба-ния кристалла были отрегулированы на частоту 100 кГц.

В 1937 г. большая работа по усовершенствованию конструкции кварцевых часов была проведена в Германии А. Шейбе и У. Адельсбергом, обратившими особое внимание на выбор наиболее рационального способа изготовления кварцевой пластинки. Они доказали существова-ние зависимости частоты резонанса от ориентации и форм волн упругих колебаний кварца относительно кристаллографических осей. Выводы из этих исследований позволили установить нужные направления среза кусков кварца для уменьшения влияния изменения температуры на резонансные частоты колебаний кварца.

В кварцевых часах, созданных Шейбе и Адельсбергом, применены кварцевые бруски длиной 91 мм со сторонами сечения 11,4 мм; частота их продольных колебаний составляла 60 кГц.: Кварцевый стержень помещался в трубку с разреженным водородом, где прикреплялся в узлах упругих волн. Опытами было установлено, что если вырезать стержни так, чтобы их ось была параллельна электрической оси кварца, то можно добиться весьма малого температурного коэффициента, меняющего при температуре 36° С свой знак.

Когда первый каскад установки помещали в совершенный термостат при температуре 36° С, то удавалось значительно снизить влияние колебания температуры на частоту колебаний кварца. Благодаря этому и другим усовершенствованиям кварцевые часы Шейбе и Адельсберга оказались высокого качества.

Исключительное значение для дальнейшего усовершенствования конструкции кварцевых часов имели результаты исследований Дайя и Эссена, проведенные в Англии в Национальной физической лаборатории над кварцем, вырезанным из кристаллического кварца в виде кольца. Эти исследования позволили английским инженерам в 1934 г. создать весьма совершенные кварцевые часы с осциллятором в виде кварцевого кольца, плоскость которого перпендикулярна оси Z. В том же году они были применены в Гринвичской обсерватории в качестве эталона частоты и времени вместо маятниковых часов Шорта.

Отличительные свойства кварца как осциллятора. Кварц является веществом физически и химически весьма стойким. Он имеет твердость, почти равную рубину и сапфиру. Кроме физической и химической стойкости, кварц обладает малым упругим гистерезисом и малым внутренним трением. Поэтому для поддержания его колебаний требуется небольшая энергия. Обладая слабым затуханием колебаний, кварц, как осциллятор, имеет высокую добротность (Q), равную 10–6 и более. В настоящее время нет другой колебательной системы, которая могла бы обладать такой остротой и стабильностью резонанса, как кварц.

Кристалл кварца имеет сложную структуру, которая характеризуется рядом кристаллографических осей: оптической (Z), трех электрических (X) и трех механических (У).