Ceasul cu cuarţ

Mulţi dintre noi au ceasuri cu cuarţ. Dar v-aţi întrebat vreodată cum funcţionează? Care este misterul preciziei lor şi de ce sunt atât de ieftine? Ce proprietăţi tainice are acest element folosit în calcularea timpului? Ştiaţi că PC-ul dv are, de asemenea, un oscilator cu cuarţ?

Majoritatea celor trecuţi de 30 de ani au primit sau şi-au cumpărat măcar o dată în viaţă un ceas clasic de mână şi au văzut în casele bunicilor, sau măcar la Muzeul Ceasului, o pendulă. Problema ceasurilor de mână obişnuite sau a pendulului este că posesorul trebuie să-şi amintească zilnic de ritualul de "întoarcere" a ceasului. Totodată, în ceea ce priveşte precizia, există mereu loc de mai bine când vorbim despre ceasurile mecanice clasice.

Ceasurile cu cuarţ rezolvă aceste probleme. Ele sunt alimentate de o mică baterie şi pentru că nu consumă decât o cantitate infimă de electricitate, aceasta rezistă ani buni până este nevoie să fie înlocuită. Sunt, desigur, şi mult mai precise decât ceasurile de mână clasice sau decât cele cu pendul. Sunt şi ele prevăzute în interior cu angrenaje cu roţi dinţate cu ajutorul cărora numără minutele şi secundele, indică timpul în continuare în mod clasic, cu ajutorul acelor şi nu al ecranelor de tip LED, dar noutatea este că îşi datorează precizia şi ritmul unui mic cristal de cuarţ.

Modelul original, inventat în 1927 de J.W. Horton şi Warren A. Morisson, ocupa aproape în întregime o cameră de dimensiuni mici. Astăzi, ceasurile care au la bază cristalul de cuarţ sunt omniprezente, iar oscilatoarele din cuarţ sunt cele care marchează cuantele de timp după care procesoarele calculatoarelor personale iţi sincronizează funcţionarea. Sunt de departe cele mai populare modele de ceasuri şi, în funcţie de dimensiuni şi de frecvenţa de oscilaţie a cristalului de cuarţ pot atinge o precizie de o secundă la 10 ani.

Cuarţul

Deşi denumirea sa ne-ar putea duce cu gândul la un element rar, cuarţul este de fapt unul dinte cele mai des întâlnite minerale de pe Terra. Este vorba despre dioxidul de siliciu (siliciul este elementul care intră în compoziţia chip-urilor electronice), care poate fi găsit în nisip şi în majoritatea tipurilor de roci. Cea mai importantă caracteristică a cuarţului este piezoelectricitatea.

Efectul piezoelectric

Efectul piezoelectric descrie proprietatea unor cristale (cum ar fi cuarţul) de a genera un potenţial electric între feţele opuse, atunci când sunt supuse stresului mecanic (întindere sau compresie) şi, reciproc, de a se extinde sau contracta atunci când sunt supuse unei tensiuni electromotoare. Prima demonstraţie a efectului piezoelectric a fost făcută în 1880 de către fraţii Pierre şi Jacques Curie. În afara cuarţului, efectul poate fi pus în evidenţă cu ajutorul turmalinei, topazului, trestiei de zahăr sau sării Rochelle (tartratul de sodiu şi potasiu). Cuarţul şi sarea Rochelle posedă cele mai puternice caracteristici piezoelectrice dintre materialele amintite mai sus.

Aşadar, dacă se deformează un cristal de cuarţ, se generează un mic potenţial electric, iar la aplicarea unei tensiuni electrice unui asemenea cristal, el va vibra (îşi va schimba forma) cu o anumită frecvenţă, această din urmă proprietate fiind cea folosită în cadrul mecanismelor din interiorul ceasurilor cu cuarţ. S-a observat şi că tăindu-le sub diferite forme, cristalele de cuarţ pot vibra la aproape orice frecvenţă. În 1927, Warren Marrison a produs primul ceas care funcţiona pe principiul numărării vibraţiilor unei bucăţi de cuarţ.

Interiorul unui ceas cu cuarţ

În interiorul unui ceas cu cuarţ (vezi imagine), bateria conectată la cristalul de cuarţ îl face pe acesta să vibreze cu o frecvenţă precisă şi bine determinată din fabricaţie de forma cristalului. Un microcip divide această frecvenţă înaltă într-un impuls electric de frecvenţă scăzută, care este aplicat unei bobine, bobină care activează un magnet de dimensiuni reduse (este vorba deci de un motor electric în miniatură). Astfel, i se imprimă magnetului o mișcare regulată şi extrem de precisă. Un mic pinion este conectat la magnet şi pune în mişcare angrenajul cu roţi dinţate al ceasului.

În cadrul acestei animaţii pot fi observaţi paşii descrişi anterior.

Înainte de apariţia ceasurilor cu cuarţ, secunda era definită ca reprezentând 1/86400 din durata unei zile, deci din durata medie a rotaţiei Pământului în jurul propriei axe. Această invenţie nu a adus o nouă definiţie a unităţii de măsură a timpului, una mai precisă, dar a ajutat la detectarea unor neuniformităţi în rotaţia planetei, fapt care a descalificat mişcarea de rotaţie a Terrei de pe poziţia de referinţă perfectă pentru măsurarea timpului. Ceasurile cu cuarţ nu au adus cu ele noua definiţie a secundei şi pentru că, după lungi perioade de timp, din cauza schimbărilor de temperatură sau a impurităţii cuarţului, cristalele își modifică frecvenţa de oscilaţie.

Noua secundă a trebuit să aştepte până la apariţia ceasurilor atomice.