クォーツ時計。図面、説明

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クォーツ時計。子ども科学実験室

児童科学研究所

何時ですか？

私たちは時計を見ることでこの質問に対する答えを見つけることに慣れています。マニュアル、ポケット、デスクトップ、壁、ストリート、タワー。電話やラジオで時刻を確認できます。ソ連の放送局は XNUMX 日 XNUMX 回、正確な時報を送信します。

私たちの祖先はどのように時間を追跡しましたか？

XNUMX 年前、人々はこのために太陽時計を使用しました。これは垂直に設置され、一日のさまざまな時間にさまざまな長さと方向の影を落とす普通のポールです。

その後、水と砂時計を使って時間を測定しました。もちろん、これらの原始的な機器の精度は非常に近似的なものでした。

機械式塔時計の発明は西暦 XNUMX 世紀までに遡り、その XNUMX 年後には最初の春時計が登場しました。ただし、スピードコントローラー（バランサー）が不均一に変動するため、精度に大きな違いはありませんでした。この欠点は、自由に吊り下げられた振り子の振動周期を一定に保つ性質が発見されたことで解消されました。振り子を時計仕掛けに接続することにより、十分な精度で時間を測定するための装置が得られました。振り子時計の継続的な建設的な改良により、振り子時計は信頼できる時間計になりました。

要求の厳しい消費者

しかし、科学技術は立ち止まっていません。その開発と同時に、時間測定の精度に対する要求も高まりました。 XNUMX 秒単位の正確さは、多くの「消費者」を満足させることができなくなりました。彼らは、XNUMX 分の XNUMX 秒、XNUMX 分の XNUMX 秒、さらには XNUMX 分の XNUMX 秒の単位まで時間を知りたいと考えていました。

これらは天体の動きを研究する天文学者だけではありませんでした。船舶や航空機の航法士は、海上および空中で正確な方位を測るのに最も正確な時間を必要とし、地形学者や測量士はその地域を測量しました。地球上のどこにいるかを確認するには、地理的な緯度 (赤道からの距離) と経度 (特定の場所の子午線面と零子午線面の間の角度) を決定する必要がありました。経度はこれら XNUMX つの値の差から計算されるため、経度を正確に決定するには、現地時間と子午線ゼロ点の時間を最高の精度で知る必要があります。

ある場所の、ある瞬間、現在が 23 時間 30 分であることを星によって決定してもらいましょう。時計は子午線の時刻に設定され、ラジオで確認すると 21 時間 30 分を示しています。その差は360時間です。地球は360日にその軸の周りを西から東に24回転する、つまり15°回転し、30時間で30:XNUMX = XNUMX°回転することが知られています。 XNUMX時間後にはXNUMX度になります。したがって、観測者は東経 XNUMX 度にいます。

正確な時間は、地表のさまざまな点での重力の変化を研究する地質学者や重量測定者にも知られている必要があり、これは鉱物の探査にとって非常に重要です。

天体時計

人々の生活において重要な役割を果たしている正確な時間はどのようにして決まるのでしょうか？科学者が自分の時計をチェックするのは、どのような超高精度の時計ですか? これらの素晴らしい時計は自然そのものによって作られています。文字盤は夜空、時、分、秒の数字は星です。彼らは厳格な恒常性を持って、大空における永遠の道をたどります。常に、天文学者が設定したまさにその瞬間に、各星は最も高い位置に達し、天の子午線を横切ります。完璧なタイミングを知るには、この瞬間を捉えるだけで十分です。この課題に対処するために、天文学者は天時計の「針」、つまり通過計器と呼ばれる特別な天文管の助けを借ります。地球と同時に回転するこの通過計器は常に子午線に沿って方向付けられており、計器の視野内に細い垂直の糸によって示されます。天文学者は、星がこのフィラメントを通過するのを観察することで、時計をどの程度修正する必要があるかを計算します。

毎晩、世界中の天文台の天文学者が通過計器の前に座ります。しかし、天候が必ずしも観測に適しているわけではありません。彼らには晴れた空が必要で、たとえば、モスクワでは雲のない夜は年間約90日しかありませんが、晴れたタシケントでは約250日です。多くの場合、空はXNUMXか月連続で雲に覆われており、場合によってはそれ以上続くこともあります。天体観測から次の天体観測までの強制的な休憩中に、正確な時刻を設定する方法を見つける必要がありました。そこで問題になったのが時間の「保管」です。この複雑な問題の解決は、高精度の天文時計の作成によって促進されました。

XNUMX つの振り子

天文時計の主要かつ最も重要な部分は振り子です。それは明らかだ。結局のところ、時計の主な利点は、コースの均一性と不変性にあります。しかし、時計が均等に進むことができるのは、振り子の長さが常に厳密に一定であり、振り子の振幅が変わらない場合に限られます。これらの値に影響を与えるものは何でしょうか? まず、気温と気圧の変化です。したがって、振り子は温度変化の影響を最も受けにくい材料で作られていなければなりません。インバーはそのような材料であることが判明しました - 36％のニッケルと64％の鋼からなり、線膨張係数が鋼の10〜12倍小さい合金です。振り子はインバーから作られました。天文時計の設計者は他の予防策も講じました。彼らは時計を温度変化の少ない地下室に置き、ガラスのキャップを付けて密閉した銅製のシリンダーに入れました。空気はほぼ完全にシリンダーから排出され、シリンダー内の大気圧は常に水銀柱 20 ～ 25 mm の範囲内に維持されます。時計は建物から隔離された特別な基礎の上に設置されました。したがって、設置されている建物の振動にはあまり敏感ではありません。

また、振り子にたとえわずかな機械的負荷がかからないようにも注意を払いました。これが高精度天文時計の基本的な考え方です。私たちが説明した自由に揺れる振り子は、いかなる伝達機構や時刻表示機構とも接続されていません。それは「自由」振り子と呼ばれます。彼の使命は限られています。それは時間を測定するだけであり、すべての「黒」、つまり機械的な作業は別の補助振り子に割り当てられます。

自由振り子は 30 秒ごとに振動衝撃を受け取ります。それらは補助振り子によってワイヤーで彼に送られます。特別な電気装置の助けを借りて、自由振り子はいわば補助振り子に命令を出し、補助振り子をそれ自身と厳密に同期して振動させます。補助振り子が伝達機構を作動させて文字盤上の針を動かします。この XNUMX 番目の時計は電線で XNUMX 番目の時計に接続されており、真の時間の番人である主振り子から離れた場所にどこにでも設置できます。

現在、世界中のすべての天文台と計量研究所は、業務に 0,003 つの振り子を備えた時計を使用しています。このような時計の精度は非常に高く、調整された針路は日ごとに XNUMX 秒以内に変化します。このような精度は素晴らしいように見えますが、現代科学にとっては十分ではありません。数千分の XNUMX 秒の誤差でも、天文学者、計測学者、地球物理学者にとって興味深い特定の現象の研究が妨げられるからです。

水晶の不思議な性質

どこに出口を探せばいいでしょうか？機構はすべての可能性を使い果たし、限界に達したかのように見えました。振り子時計のこれ以上の改良は考えられないように思えました。そして、電気技師や無線技術者が天文時計の設計を始めました。

振り子は時代を超えて生き残った、と彼らは主張した。たとえ理想的な条件に置かれても、振り子は科学者の増大する要求に応えることができません。これは、一定周波数の発振を提供する別のレギュレーターと交換する必要があることを意味します。

そのようなレギュレーターを求めて、彼らはクォーツを思い出しました。

クォーツクリスタルとその軸

クォーツ時計
図。 1

1880 年に、いくつかの結晶の注目すべき特性が発見されました。これは石英で最も顕著でした。石英は通常、尖った角錐形の端を備えた六面体結晶の形で見られます（図1a）。 zz 線は結晶の光軸を表します。結晶を光軸に垂直に横切ると、すべての角度が 120°に等しい六角形が得られます (図 1b)。これらの角度の二等分線を通る線 xx、x1x1 X2X2 は電気軸を示し、線 yy、Y1Y1、Y2Y2 - 結晶の機械軸を示します。水晶からプレートが切り出され、その表面が電気軸の XNUMX つに対して垂直である場合、プレートが機械的に圧縮または伸張されると、その表面に電荷が発生することが判明しました。この現象は直接圧電効果と呼ばれます (古代ギリシャ語の「ピエゾ」は「押す、絞る」という意味です)。

逆圧電効果は、電場に置かれた石英板の変形として表現されます。

短波無線アマチュアは石英のこの特性をよく知っています。彼らは、水晶板には発振器の周波数を一定に保つ機能があることを知っています。水晶安定器はラジオ局で広く使用されています。

新しいタイムキーパーの作成者が使用することにしたのは、クォーツのこの安定化能力でした。

クォーツ時計

クォーツ時計の設計者は、クリスタルから断面 7x7 mm、長さ約 60 mm の長方形の棒を切り出します。棒の反対側の XNUMX つの表面に、最も薄い金の層を塗布しました。その結果、誘電体が棒で、プレートが XNUMX 層の金属からなるコンデンサが完成しました。クォーツ時計におけるこの装置の目的は、通常の時計における振り子の目的と同じであり、調整器です。そして完全に信頼できるレギュレーターです。

三極管の周波数設定回路の水晶振動子

クォーツ時計
図。 2

そして、ランプ発生器の回路に石英が組み込まれました。結晶をグリッド回路 - 発電機ランプの陰極 - 三極管に配置しました (図 2)。並行して、大きな抵抗も設置されました。回路のアノード回路にはインダクタとコンデンサからなる発振回路が含まれていました。これは、ランプのアノードとグリッドの静電容量を介した接続により、減衰しない発振を維持するための条件が作成されるために必要です。回路は、その固有周波数が石英棒の発振周波数よりも高くなるように調整されました。

これは一般的に、クォーツ時計の主要部分である水晶発振器のデバイスです。それらの精度は発振器周波数の安定性に直接依存します。水晶の固有振動の定常性は非常に高いです。重力の変化や地殻の地震振動の影響を受けません。ただし、温度や気圧の変動には敏感です。クォーツの温度を一定に保つために、設計者は特別な措置を講じました。彼らは水晶発振器を多層壁を備えたサーモスタット内に配置し、その内部で1分の10度の精度で一定の温度が維持されました。この温度一定性は、水銀接触温度計によって制御されるサーモスタットの電気加熱によって実現されます。これにより、周波数が約 8*XNUMX-XNUMX の精度で保存されることが保証されます。石英自体は真空が作られた密閉容器に封入されていました。

分周器付き水晶発振器

クォーツ時計
図。 3

設計者は、固有振動数が 100 kHz になるような形状とサイズのブロックを水晶から機械加工しました。しかし、この周波数の電流は時計仕掛けを動かすモーターの回転には適していません。ブロック図 (図 3) に示すように、多数の中間デバイスを作成する必要がありました。

ここでは、電子機器が設計者を大いに助けました。

多くの電子発電機回路は、別の発電機の周波数が同期発電機の固有周波数よりも高いまたは低い倍数である場合、またはそのような倍数の値に十分近い場合に、その周波数と同期する機能を備えています。クォーツ時計の設計者は、マルチバイブレーターやブロッキング発振器などの回路の機能を利用して、独自の周波数よりも高い周波数に同期させました。このような同期された高周波発振器は、一般に分周器と呼ばれます。

同期モーターを駆動できる電流の最高周波数は約 1000 Hz です。ただし、分周比 1:100 の分周器は非常に不安定です。したがって、1000 kHzの水晶周波数と同期した100 Hzの周波数を得るには、1:4および1:5の比率で互いに同期する多数の分周器を設置する必要がありました。

分周器として使用される発生器には、多数の高調波が含まれています。安定性の低下を引き起こす可能性のある有害な高周波振動が水晶発振回路に侵入することを防ぐ必要がありました。

これを防ぐために、水晶発振器とグリッド電流なしで動作する最初の分周器の間にバッファアンプが接続されました。このモードは水晶発振器の負荷を軽減し、動作の安定性を高めるのに役立ちます。

分周器回路では、通常、低電力ランプが使用されます。供給される電流は、時計仕掛けの秒接点を駆動する同期モーターを回すには弱すぎます。したがって、分周器（周波数 1000 Hz の電流を与える）の後、アンプがオンになり、モーター巻線に数ワットの電力が与えられます。

安定性の点では、クォーツ時計は既存の振り子時計よりも優れています。航路の XNUMX 日の平均変動は XNUMX 分の XNUMX 秒です。

超精密時計の作成は、現代科学の卓越した成果です。

多くの科学機関はすでにクォーツ時計を取得しています。モスクワの測地学・航空写真・地図作成中央研究所では、PS ポポフが製作した初の国産クォーツ時計が精力的に秒を計測しています。電波測定研究所、シュテルンベルク天文研究所、その他の研究所や天文台にはクォーツ時計があります。

新しい時間測定方法の愛好家は、クォーツ時計が間もなく振り子時計に完全に取って代わり、時間を管理する唯一の時計になるだろうと主張しています。こうした主張に異議を唱える懐疑論者もいる。彼らはクォーツ時計の明らかな利点を否定することなく、欠点も指摘しています。

クォーツ時計の利点についてはすでに説明しました。これは、もちろん、ほぼすべての外部要因から独立している、その比類のない精度と恒常性です。

彼らの欠点は何ですか？

天文学者は、時間を測定するために使用する時計が XNUMX 年、XNUMX 年、あるいはそれ以上ノンストップで動作することを要求します。クォーツ時計はこの要件を満たしていますか? 完全ではありません。電力網からの電流によって電力が供給されていることを思い出してください。ステーションは電流の供給を停止し、時計が停止します。しかし、時計がネットワークからではなくバッテリーから電力を供給されている場合、これは起こりません。

- そうです - 懐疑論者も同意します。 - そして、ラジオ管の磨耗によるクォーツの経年変化についてはどうですか?

実際、クォーツは時間の経過とともに劣化し、振動周波数が変化します。どのランプでも突然故障しないという保証はできません。しかし、クォーツ愛好家はそのような事故を恐れていません。彼らは研究室に XNUMX つの時計ではなく XNUMX つの時計を設置し、同期して動作させています。どちらかが止まっても問題ありません。修理が終わるまで、残りのXNUMX台が時間を守ります。

論争は続いているが、その間にも数十のクォーツ時計が定期的に科学に貢献している。現在、その精度は、最も繊細な研究を行う科学者を満足させています。そして明日は何が起こるでしょうか？より正確な新しい標準時刻を見つけることはできるのでしょうか? おそらく、そのような基準の基礎は分子、あるいはむしろその振動の周波数になるでしょう。ソ連の科学者たちはすでにこの方向に取り組んでいる。

著者: A. ブロツキー

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