نمایش زمان با ساعت‌های كوارتز

امروز انسان قادر است حتی ثانیه‌ها را هم تقسیم‌بندی كند و ساعت‌های دقیق‌تر از قبل بسازد. یكی از این ساعت‌ها، ساعت‌های كوارتزی است. اما براستی این ساعت‌ها چگونه كار می‌كنند؟

ساعت کوارتز متشکل از یک حلقه از جنس کوارتز در یک مدار الکتریکی است که باعث می‌شود تا بین ده هزار هرتز (دور بر ثانیه) نوسان کند.درواقع قلب یك ساعت كوارتزی، یك تكه كریستال كوارتز است كه به صورت چند شاخه تراش خورده و شكل داده شده است ،بسامد نوسان بستگی به اندازه و شکل بلور کوارتز دارد و معمولا این بلورها را طوری می‌تراشند که با بسامد صد هزار هرتز نوسان داشته باشند. این پدیده را با عنوان خاصیت پیزوالکتریک کوارتز (Piezoelectric) می‌شناسند.درواقع این خاصیت باعث می شود كه تكان‌ها و نوسان‌های ناگهانی الكتریكی در آن ایجاد لرزش و ارتعاش می‌كند كه این نوسان‌ها و تكان‌ها، سیگنال‌های الكتریكی منظمی را پدید می‌آورند. این نوسان‌ها و ارتعاش‌ها به صورت الكترونیك به فواصل یك ثانیه از هم تكرار می‌شوند و از تكرار آنها زمان در ساعت منظم شده و دقیقه‌ها به‌وجود می‌آیند. ساعت شما تنها با یك قطعه كریستال كوارتز كار می‌كند و زمان را به طور دقیق نشانتان می‌دهد .

نخستین بار در سال 1929 از بلور کوارتز برای زمان سنجی استفاده شد. این ابداع دقت زمان سنجی را بسیار فراتر از ساعتهای آونگ دار الکتریکی افزایش داد و در سالهای دهه 1930 به عنوان استاندارد اندازه گیری زمان جایگزین ساعت شورت (Shortt Clock) گردیدند. ساعتهای کوارتز اکنون بخاطر هزینه کم و عملکرد عالی ، رایجترین شکل ابزارهای زمان سنجی را تشکیل می‌دهند.

فرکانس (بسامد) بالای نوسان بلور به جریانی متناوب بدل می‌گردد که بسامد آن تا حدی که بیشتر در زمان سنجی قابل استفاده باشد کاهش داده می‌شود. جریان از یک موتور می‌گذرد و سپس با استفاده از یک شبکه چرخ دنده مکانیکی به صفحه ساعت یا نمایشگر دیجیتال (رقمی) می‌رسد. یک سیگنال (علامت) صد هزار هرتز که وارد یک مجموعه چرخ دنده مکانیکی 6000000:1 ترکیبی الکتریکی - مکانیکی می‌شود موجب گردش عقربه دقیقه شکار ساعت با سرعت دقیق یک بار در هر 60 ثانیه می‌گردد.

نوسانهای حاصل از بلور کوارتز بسیار دقیق هستند و حداکثر خطا برای دقیق ترینم آنها -/+ یک ثانیه در هر ده سال است. ساعتهای کوارتز نسبت به ساعتهای آونگ دار از دقت بسیار بیشتری برخوردارند، زیرا این ساعتها چرخ دنده یا چرخ تاجداری ندارند که موجب آشفتگی بسامدهای منظم آنها شود. دقت ساعتهای کوارتز محدود است، زیرا اندازه و شکل بلور بر ارتعاش مکانیکی تأثیر می‌گذارد و در واقع بروز خطا ناشی از این مطلب است که هیچ دو بلوری مشابه یکدیگر نیست.

در این ساعت باتری به طور منظم به كمك كریستال كوراتز، صدایی شبیه به تپش ایجاد می‌كند كه نشانه كار كردن ساعت است.

چرا در ساعت ها کوارتز به کار می رود ؟

کوارتز ، که از سیلیکون واکسیژن تشکیل شده ، مشهورترین ماده ی معدنی در کره ی زمین است.  میلیاردهانفر هر روز از کوارتز استفاده می کنند ، اما تعداد کمی از آن ها از این موضوع خبر دارند ، زیرا بلورهای ریز کوارتزی که از آن استفاده می کنند ،درون ساعت های مچی و دیواری پنهان شده است . اما این بلورهای سفید یا شفافکه در سراسر جهان یافت می شوند ، چه ارتباطی با اندازه گیری زمان دارند؟

برخی از مواد مانند برخی از سرامیک ها و بلورهای کوارتز ، هنگامی که تحت فشارمکانیکی قرار گیرند می توانند الكتریسیته تولید کنند .همان طور که در بالا شرح دادیم، توانایی تبدیل دوجانبه فشار مکانیکی و الكتریسیته را به یکدیگر « خاصیت پیزوالکتریک » مین امند.

بلورهای کوارتز که دارای این خاصیت هستند ، با یک ولتاژمعین برق همیشه با بسامد یا فرکانس خاصی مرتعش می شوند . بنابراین این بلورها معیار دقیقی از بسامد را حفظ کنند که به تنظیم حرکت ساعت کمک میکند و دقت آن را بسیار بالا می برد.

کاربردهای دیگر کوارتز

بشر از حدود 2000 سال قبل از میلاد مسیح از کوارتز در ساخت اشیاء هنری و زینتی استفاده می کرده است. بیشترین استفاده کوارتز در صنایع شیشه سازی است. بیش از 99 درصد ماده اولیه تولید انواع شیشه، کوارتز می باشد. از کوارتز و سیلیس در تولید آجرهای ماسه سیلیسی، آجرهای نسوز سیلیسی برای کوره ها، ماسه ریخته گری، صنایع سرامیک وچینی، رنگ سازی، پرکننده چوب، تولید ساینده ها و شستشوی ماسه ای استفاده می گردد.

از برخی از انواع کوارتز مثل آمتیست، کارنلین، کوارتز چشم ببری و عقیق به عنوان کانی زینتی و قیمتی استفاده می شود. با توجه به خاصیت پیزوالکتریک کوارتز، از این کانی در صنایع برق، الکترونیک و اپتیک به وفور استفاده می گردد. پس از تراش بلورهای بسیار شفاف کوارتز از آنها در ساخت منشورهای میکروسکوپ های مختلف استفاده می شود. به دلیل خاصیت پیزوالکتریک از کوارتز به عنوان نوسانگر رادیویی در فرستنده ها و گیرنده های امواج با فرکانس ثابت ،اندازه گیری فشارهای لحظه ای و زودگذر مثل فشار حاصل از شلیک توپ یا انفجار اتمی استفاده می شود. از سال 1900 به بعد استفاده از کوارتز در مصارف رادیو، بی سیم و انواع وسایل نقلیه ی دریایی، هوایی، زمینی و نیز مسایل نظامی افزایش چشمگیری یافت. بعد از جنگ جهانی دوم به علت پیدایش مواد دیگری که دارای خاصیت پیزوالکتریکی بودند، مصرف کوارتز کاهش پیدا کرد ولی در عوض مصرف آن در رادار، تلویزیون، مدارهای تلفنی اتوماتیک راه دور و وسایل مشابه بیشتر شد.

کاربرد اصلی کوارتزهای مناسب برای مصارف الکترونیکی تهیه واحدهای بلوری به منظور کنترل فرکانس صحیح فرستنده‌های رادیویی، مدارهای تلفنی با فرکانسهای رادیویی، و دسته‌ای از زمان‌نگارها است به علاوه از واحدهای بلوری کوارتز در دستگاههای الکترونیکی به‌عنوان صافیهای موج برای جدا کردن فرکانسهای نامناسب نیز استفاده می‌شود.

از موارد استفاده دیگر کوارتزهای بلوری کاربرد آنها در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی مانند دستگاههای بلندگو و غیره است.

برای صنایع نوری از قبیل تهیه منشورها، عدسی‌ها و بسیاری از دستگاه‌های صنعتی  دیگر نیز کوارتز بلوری به مقدار زیاد مورد نیاز است.

منبع: .jamejamonline- .roshd- aftabir- ngdir - mines