Movimento al quarzo

- Nov 15, 2018 -

Chimicamente, il quarzo è una forma specifica di un composto chiamato biossido di silicio . Molti materiali possono essere formati in piastre che risuonano. Tuttavia, il quarzo è anche un materiale piezoelettrico : cioè, quando un cristallo di quarzo è soggetto a sollecitazioni meccaniche, come la flessione, accumula cariche elettriche su alcuni piani. In un effetto contrario, se le cariche sono posizionate sul piano di cristallo, i cristalli di quarzo si piegheranno. Poiché il quarzo può essere guidato direttamente (per flettersi) da un segnale elettrico, non è necessario alcun trasduttore aggiuntivo per utilizzarlo in un risonatore . Cristalli simili sono usati nelle cartucce fonografiche di fascia bassa: il movimento dello stilo (ago) flette un cristallo di quarzo, che produce una piccola tensione, che viene amplificata e riprodotta attraverso gli altoparlanti. I microfoni al quarzo sono ancora disponibili, sebbene non siano comuni. [ citazione necessaria ]

Il quarzo ha un ulteriore vantaggio in quanto le sue dimensioni non cambiano molto in quanto la temperatura fluttua. Il quarzo fuso viene spesso utilizzato per apparecchiature di laboratorio che non devono cambiare forma insieme alla temperatura. La frequenza di risonanza del piatto di quarzo, in base alla sua dimensione, non aumenterà o diminuirà in modo significativo. Allo stesso modo, poiché il suo risuonatore non cambia forma, un orologio al quarzo rimarrà relativamente preciso al variare della temperatura.

All'inizio del 20 ° secolo, gli ingegneri della radio cercarono una fonte precisa e stabile di frequenze radio e iniziarono inizialmente con i risuonatori in acciaio. Tuttavia, quando Walter Guyton Cady ha scoperto che il quarzo può risuonare con meno equipaggiamento e una migliore stabilità della temperatura, i risuonatori in acciaio sono scomparsi nel giro di pochi anni. Più tardi, gli scienziati del NIST (l'Ufficio Nazionale degli Standard degli Stati Uniti) scoprirono che un oscillatore di cristallo poteva essere più preciso di un orologio a pendolo .

Il circuito elettronico è un oscillatore , un amplificatore la cui uscita passa attraverso il risuonatore al quarzo. Il risonatore funge da filtro elettronico , eliminando tutto tranne la singola frequenza di interesse. L'uscita del risonatore ritorna all'ingresso dell'amplificatore e il risonatore assicura che l'oscillatore "ulula" con la frequenza esatta di interesse. Quando il circuito si avvia, anche un singolo colpo può essere collegato in cascata per portare l'oscillatore alla frequenza desiderata. Se l'amplificatore è troppo perfetto, l'oscillatore non si avvia.

La frequenza alla quale il cristallo oscilla dipende dalla sua forma, dimensione e piano di cristallo su cui viene tagliato il quarzo. Le posizioni in cui sono posizionati gli elettrodi possono leggermente modificare anche l'accordatura. Se il cristallo viene accuratamente sagomato e posizionato, oscillerà alla frequenza desiderata. In quasi tutti gli orologi al quarzo, la frequenza è di 32 768 Hz, [1] e il cristallo viene tagliato in una piccola forma di diapason su un particolare piano di cristallo. Questa frequenza è una potenza di due (32 768 = 2 15 ), abbastanza alta da far sì che la maggior parte delle persone non riesca a sentirla, ma abbastanza bassa da consentire a contatori economici di derivare un impulso di 1 secondo. Un contatore digitale binario a 15 bit pilotato dalla frequenza traboccherà una volta al secondo, creando un impulso digitale una volta al secondo. L'uscita impulsi al secondo può essere utilizzata per pilotare molti tipi di orologi.

Sebbene il quarzo abbia un coefficiente di espansione termica molto basso, i cambiamenti di temperatura sono la causa principale della variazione di frequenza negli oscillatori a cristallo. Il modo più ovvio per ridurre l'effetto della temperatura sul tasso di oscillazione è di mantenere il cristallo a una temperatura costante. Per gli oscillatori di laboratorio è usato un oscillatore a cristallo controllato da forno , in cui il cristallo viene tenuto in un forno molto piccolo che viene tenuto a una temperatura costante. Questo metodo è, tuttavia, poco pratico per i movimenti del quarzo e dell'orologio da polso dei consumatori.

I piani di cristallo e la messa a punto di un cristallo di orologio di livello consumer sono progettati per una sensibilità minima alla temperatura in termini di effetto sulla frequenza e funzionano al meglio a circa 25-28 ° C (da 77 a 82 ° F). A quella temperatura il cristallo oscilla al suo massimo. Una temperatura più alta o più bassa comporterà una velocità di oscillazione di -0.035 ppm / ° C 2 (più lenta). Quindi una deviazione di temperatura di ± 1 ° C rappresenterà un (± 1) 2 × -0,035 ppm = -0,035 ppm di variazione della velocità, che è equivalente a -1,1 secondi all'anno. Se, invece, il cristallo subisce una deviazione di temperatura di ± 10 ° C, la variazione di velocità sarà (± 10) 2 × -0,035 ppm = -3,5 ppm, che equivale a -110 secondi all'anno.

I produttori di orologi al quarzo utilizzano una versione semplificata del metodo dell'oscillatore a cristallo controllato dal forno, raccomandando che i loro orologi siano indossati regolarmente per garantire le migliori prestazioni. L'uso regolare di un orologio al quarzo riduce in modo significativo l'ampiezza degli sbalzi di temperatura ambientali, dal momento che una cassa da orologio progettata correttamente forma un forno a cristalli vantaggioso che utilizza la temperatura stabile del corpo umano per mantenere il cristallo nel suo intervallo di temperatura più preciso.


Un paio di: Che cosa è la lucidatura della cassa dell'orologio, l'effetto lucidante della cassa dell'orologio è cosa? IL prossimo Articolo: Che cosa è un cristallo di zaffiro orologio

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