Как работают кварцевые часы?

Когда-то единственным действующим инструментом для измерения времени была воткнутая в землю палка с нарисованным вокруг неё «циферблатом». Изобретение вначале маятникового, а затем и пружинного механизма внесло значительные изменения в эту ситуацию. В наши дни, когда практически во всей бытовой технике имеются электронные компоненты, время измеряют обычно при помощи кварцевого резонатора. Это устройство используется компьютерами, смартфонами, а также наручными, стенными и напольными часами.

Принцип действия

Если разместить на пластинке, вырезанной из кварца, разместить контактные полоски, соединенные с проводами, и подать на них напряжение, то возникнет механическая деформация материала. Сжатие кристалла вызовет так называемый пьезоэлектрический эффект – во внешней цепи возникнет ЭДС, направленная в противоположную сторону относительно исходной. После того, как пластинка вернётся к своей прежней форме, на контактных полосках вновь возникнет напряжение и весь цикл повторится. Так действует кварцевый генератор, создавая постоянные электрические импульсы.

Изменяя размеры и конфигурацию пластинки, можно варьировать резонансную частоту таких колебаний. При изготовлении часов этот параметр должен составлять 32 768 Гц. Как нетрудно заметить, такое число равно двум в пятнадцатой степени. Это даёт возможность применения двоичного счётчика для получения на выходе ровно одного управляющего импульса в секунду, после чего уже нетрудно использовать резонатор для измерения времени.

Основные элементы конструкции

Чтобы создать кварцевые часы, потребуются следующие узлы:

• Шаговый электродвигатель. Поворачивает стрелки на циферблате после получения управляющего импульса.
• Аккумулятор или батарейка. Используются также и фотоэлементы, вырабатывающие ток.
• Система шестерней, соединяющая стрелки с валом электродвигателя. Отдельно предусматривается возможность перевода стрелок.
• Кварцевый генератор.
• Двоичный счётчик-делитель частоты.

Точность такого устройства намного выше, чем у любых механических часов. Секундное отклонение от эталонного времени может проявиться лишь через несколько месяцев непрерывной эксплуатации. В то же время стоимость кварцевых часов относительно невелика, так что их единственным недостатком можно считать необходимость приобретения новых элементов питания.