کوارتز یک ماده پیزو الکتریک است که وقتی جریان به آن وصل می شود ارتعاش می کند.
***کلیه حقوق مقالات درج شده در سایت نیوسادسازه متعلق به این شرکت است و هر گونه کپی برداری از آن پیگرد قانونی دارد***
ممکن است به طالع‌بيني اعتقادي نداشته باشيد اما شکي نيست که سيارات و ستاره‌ها بر زندگي ما حکم مي‌کنند. زماني از خواب برمي‌خيزيم که خورشيد طلوع کند (يا مدتي پس از آن) و زماني به رختخواب مي‌رويم که خورشيد غروب کند. تقويمي داريم بر اساس روزها، ماه‌ها و سال‌ها، دوره‌هاي زماني که به چگونگي حرکت ماه و زمين به دور خورشيد در آسمان مرتبط هستند. تقريبا در بيشتر تاريخ مردم اين نوع از زمان‌نگاري نجومي را به اندازه کافي براي نيازهاي خود مناسب مي‌يافتند. اما همچنان که دنيا بيشتر و بيشتر آشفته و پيچيده مي‌شد، مردم نياز بيشتري براي در اختيار داشتن ساعات، دقايق و ثانيه‌ها و همانطور روزها و ماه‌ها و سال‌ها پيدا کردند. اين بدان معني بود که به روش‌هاي دقيقي از زمان‌نگاري احتياج داشتيم. ساعت‌هاي پاندولي و مکانيکي بهترين روش براي اين منظور بودند. امروزه، افراد زيادي از ساعت‌هاي کوارتز به جاي ساعت‌هاي مکانيکي و پاندولي استفاده مي‌کنند. اما ساعت‌هاي کوارتز چه هستند و چگونه کار مي‌کنند؟
ساعت‌هاي معمولي چگونه کار مي‌کنند؟
همه مي‌دانيم که ساعت زمان را نشان مي‌دهد، اما آيا تابحال با خود فکر کرده‌ايد که آن ساعت چگونه اين کار را انجام مي‌دهد؟ احتمالا ساده‌ترين ساعتي که مي‌توانيد ايجاد کنيد يک ساعت سخن‌گوست. اگر ثانيه‌ها را با تکرار عبارتي که دقيقا يک ثانيه گفتن آن طول مي‌کشد بشماريد (مانند هزار و يک، هزار و دو و ...) متوجه مي‌شويد که مي‌توانيد تقريبا به صورت دقيق زمان را دنبال کنيد. امتحانش کنيد. از هزار يک تا شصت را بگوييد و ببينيد چگونه در مقايسه با ساعت خودتان زمان را دنبال مي‌کنيد.
بد نبود، نه؟ مشکل اينجاست که همه ما کارهاي مهمتري براي انجام دادن داريم تا اينکه بگوييم «هزار و يک». به اين دليل است که مردم ساعت را اختراع کردند. برخي از ابتدايي‌ترين انواع ساعت‌ها از پاندول‌هاي آويزان براي دنبال کردن زمان استفاده مي‌کردند. پاندول يک ميله بسيار دراز يا يک وزنه در انت‌هاي يک طناب است که به عقب و جلو تاب مي‌خورد. در سال 1583، فيزيکدان ايتاليايي گاليلئو گاليله (1564-1642) کشف کرد که يک پاندول با طول مشخص همواره زمان يکساني را براي تاب خوردن به عقب و جلو طي مي‌کند؛ فرقي نميکند که چقدر سنگين باشد يا چه تاب بزرگي بخورد. او اين نکته را با مشاهده يک لامپ بزرگ که بر روي زنجيري آويزان از سقف کليساي پيزا در ايتاليا تاب مي‌خورد و به کمک نبض خود براي اندازه گيري زمان عقب و جلو رفتن آن، متوجه شد. در يک ساعت، وظيفه پاندول تنظيم سرعت چرخدنده‌ها است (چرخ‌هاي درگير با هم با دندانه‌هاي ايجاده شده در لبه‌هاي آنها). چرخدنده‌ها تعداد ثانيه‌هايي که مي‌گذرند را مي‌شمارند و آن را به دقيقه و ساعت تبديل مي‌کنند که توسط عقربه‌ها در صفحه ساعت نمايش داده مي‌شوند. اگر بخواهيم به صورت ديگري اين را بيان کنيم، چرخدنده‌ها در يک ساعت پاندولي مانند همان «هزارويک»ها هستند.
شما مي‌توانيد با بستن يک وزنه به يک طناب ساعت پاندولي بسازيد. اگر طول طناب در حدود 25 سانتيمتر (10 اينچ) باشد پاندول هر ثانيه تقريبا يک بار به جلو و عقب تاب مي‌خورد. طناب‌هاي کوتاه‌تر سريع‌تر تاب مي‌خورند و طناب‌هاي طولاني‌تر آرام‌تر. مشکلي که در مورد اين ساعت‌ها وجود دارد اين است که پاندول پس از مدتي متوقف مي‌شود. مقاومت هوا و اصطکاک انرژي آن را مي‌گيرند و آن را به ايست کامل مي‌کشانند. به همين دليل است که در ساعت‌هاي پاندولي فنر وجود دارد. روزي يک بار فنر درون ساعت را مي‌پيچانيد تا انرژي پتانسيل لازم براي در حرکت نگه داشتن پاندول در 24 ساعت را در آن ذخيره کنيد. همچنان که فنر باز مي‌شود چرخدنده‌هاي درون ساعت را به حرکت وامي‌دارد. از طريق يک مکانيزم الاکلنگي به نام چرخ دنگ (escapement)، پاندول چرخدنده‌ها را مجبور به چرخيدن در يک نرخ دقيق مي‌کند؛ و اينگونه است که چرخدنده‌ها زمان را نشان مي‌دهند. يک ساعت جيبي مشخصا براي داشتن يک پاندول بسيار کوچک است، بنابراين از يک مکانيزم متفاوت استفاده مي‌کند. ساعت جيبي به جاي پاندول، يک چرخ تعادل دارد که ابتدا يک دور در يک جهت مي‌چرخد و سپس در جهت مخالف مي‌چرخد. اين چرخ تعادل با يک چرخ دنگ بسيار کوچکتر از چرخ دنگ ساعت پاندولي کنترل مي‌شود.
ساعت‌هاي کوارتز چگونه کار مي‌کنند؟
مشکل ساعت‌هاي پاندولي و ساعت‌هاي جيبي معمولي در اين است که بايد به ياد داشته باشيد که هر بار فنر را کوک کنيد. اگر فراموش کنيد ساعت از کار باز مي‌ايستد و نمي‌توانيد زمان را متوجه شويد. مشکل ديگر ساعت‌هاي پاندولي اين است که وابسته به نيروي گرانش هستند، نيرويي که به طور جزيي از جايي به جاي ديگر تفاوت مي‌کند. اين بدان معناست که ساعت پاندولي زمان را در ارتفاعات بالاتر از سطح دريا به طور متفاوتي نشان مي‌دهد. همچنين طول پاندولها با تغيير دما تغيير مي‌کند؛ در روزهاي گرم قدري منبسط شده و در روزهاي سرد منقبض، که مجددا باعث کم دقت شدن آنها مي‌شود.
ساعت‌هاي کواترز تمام اين مشکلات را رفع مي‌کنند. آنها با باطري تغذيه مي‌شوند و از آنجا که الکتريسيته بسيار کمي مصرف مي‌کنند، باطري آنها اغلب مي‌تواند پيش از آنکه نياز به تعويض پيدا کند، سال‌ها کار کند. آنها همچنين بسيار دقيق‌تر از ساعت‌هاي پاندولي هستند. ساعت‌هاي کوارتز به روشي بسيار متفاوت با روش ساعت‌هاي پاندولي و جيبي کار مي‌کنند. البته آنها هم از چرخدنده‌ها براي شمارش ثانيه‌ها، دقايق و ساعت‌ها و گرداندن عقربه‌ها به دور صفحه ساعت استفاده مي‌کنند. اما چرخدنده‌هاي آنها توسط يک کريستال بسيار کوچک کوارتز تنظيم مي‌شوند، نه توسط پاندول يا چرخ تعادل. نيروي گرانش به هيچ عنوان اثري در عملکرد نداشته و ساعت کوارتز زمان را به همان دقتي که وقتي در کنار دريا هستيد نشان مي‌دهد، در هنگام بالا رفتن از قله اورست نيز به شما نشان مي‌دهد.
کلمه کوارتز عجيب و غريب به نظر مي‌رسد، اما در حقيقت يکي از معمولي‌ترين مواد معدني در زمين است. کوارتز از يک ترکيب شيميايي به نام سيليکون دي اکسيد تشکيل شده (سيليکون همان ماده‌اي است که تراشه‌هاي کامپيوتر با آن ساخته مي‌شوند) و مي‌توانيد آن را در شن و در بيشتر انواع سنگ‌ها پيدا کنيد. شايد جالب‌ترين نکته در مورد کوارتز اين باشد که پيزوالکتريک است. اين بدان معناست که اگر يک کريستال کوارتز را بفشاريد، يک ولتاژ کوچک الکتريکي توليد مي‌کند. برعکس آن نيز صادق است: اگر ولتاژي را به يک تکه کوارتز اعمال کنيد، با يک فرکانس دقيق ارتعاش خواهد کرد (تعداد بسيار دقيقي در يک ثانيه خواهيد لرزيد).
درون يک ساعت کوارتز، باطري الکتريسيته را از طريق يک مدار الکترونيکي به کريستال کوارتز ارسال مي‌کند. کريستال کوارتز در يک فرکانس دقيق نوسان (ارتعاش) مي‌کند: دقيقا 32768 بار در هر ثانيه. مدار تعداد نوسانات را شمرده و از آن براي توليد پالس‌هاي الکتريکي منظم، يک پالس در ثانيه، استفاده مي‌کند. اين پالس‌ها مي‌توانند يک نمايشگر LCD را تغذيه کنند (که زمان را به صورت عددي نمايش دهد) يا مي‌توانند يک موتور الکتريکي کوچک (در حقيقت يک استپ موتور بسيار کوچک) را به حرکت درآورند، تا چرخدنده‌ها را چرخانده و باعث حرکت عقربه‌ها و نمايش ثانيه، دقيقه و ساعت شوند.
درون يک ساعت کوارتز
به صورت تئوري، ساعت کوارتز بدين صورت کار مي‌کند:
باطري جريان مورد نياز را براي مدار ميکروچيپ فراهم مي‌کند.
مدار ميکروچيپ باعث مي‌شود کريستال کوارتز (که بطور دقيق تراشيده شده و به صورت دياپازون شکل داده شده) در هر ثانيه 32768 بار نوسان (ارتعاش) کند.
مدار ميکروچيپ نوسانات کريستال را آشکار کرده و آنها را به پالس‌هاي الکتريکي منظم، يک پالس در ثانيه، تبديل مي‌کند.
پالس‌هاي الکتريکي استپ موتور الکتريکي بسيار کوچک را به حرکت وا مي‌دارد. اين عمل انرژي الکتريکي را به نيروي مکانيکي تبديل مي‌کند.
استپ موتور الکتريکي چرخدنده‌ها را مي‌چرخاند.
چرخدنده‌ها عقربه‌ها را به دور صفحه حرکت داده تا زمان را نشان دهند.
در عمل ...
و اين تصوير آن چيزي است که درون يک ساعت کوارتز در واقعيت قرار دارد. تحت هيچ شرايطي اجزاي ساعت خود را جدا نکنيد اگر مي‌خواهيد دوباره براي شما کار کند. نمي‌توانيد همه اين قطعات را با باز کردن پشت ساعت ببينيد.
1- باطري
2- استپ موتور الکتريکي
3- ميکروچيپ
4- مدار، ميکروچيپ را به ديگر قطعات متصل مي‌کند.
5- کريستال کوارتز نوسانگر
6- پيچ براي تنظيم زمان
7- چرخدنده‌ها عقربه‌هاي ثانيه، دقيقه و ساعت را در سرعت‌هاي مختلفي مي‌گردانند.
8- شفت کوچک مياني عقربه‌ها را جاي خودشان نگه مي‌دارد.
چرا ساعت‌هاي کوارتز اصلا عقب يا جلو مي‌افتند؟
اگر کوارتز اين‌چنين شگفت‌انگيز است، ممکن است با خود فکر کنيد که پس چرا يک ساعت کوارتز زمان را براي هميشه به طور مطلقا دقيق نشان نمي‌دهد؟ چرا چند ثانيه عقب يا جلو مي‌افتد؟ پاسخ اين است که کوارتز در دماها و فشارهاي مختلف به طور جزيي در فرکانس‌هاي مختلفي نوسان مي‌کند، بنابراين قدرت زمان‌نگاري آن تا اندازه کوچکي متاثر از گرمايش و سرمايش دنياي همواره در حال تغيير اطراف ماست. در تئوري، اگر شما ساعت خود را هميشه روي مچ خود نگه داريد (که تقريبا همواره در دماي ثابت قرار دارد)، زمان را بهتر نشان مي‌دهد تا اينکه آن را از مچ خود دربياوريد و دوباره بگذاريد (که هر بار منجر به تغيير دما مي‌شود). با وجود اينکه کريستال کوارتز مي‌تواند در يک فرکانس به اندازه کافي ثابت نوسان کند، نحوه سوار کردن کوارتز در مدار، عيوب کوچک موجود در دنده تراشي، اصطکاک و غيره نيز مي‌توانند خطاهايي در زمان‌نگاري ساعت کوارتز بوجود آورند. تمام اين تاثيرات کافي هستند تا عدم دقتي در حد يک ثانيه در روز (بخاطر داشته باشيد که ممکن است يک ثانيه از دست رفته در يک روز با يک ثانيه بدست آمده در روز بعد جبران شود، در نتيجه دقت کلي در طول يک ماه ممکن است در حد چند ثانيه باشد) در ساعت‌هاي کوارتز معمولي بوجود آيد.
اما يک تکه کريستال کوارتز در واقعيت چطور کار مي‌کند؟
ممکن است آنچه که تا اينجا گفته شده است را توضيح کافي بدانيد، در اين صورت مي‌توانيد از خواندن دست بکشيد. آنچه که در ادامه مي‌آيد بحث مفصل‌تري در مورد نحوه کارکرد کريستال کوارتز نوسانگر است براي کساني که مي‌خواهند اندکي عميق‌تر بدانند. بايد به شما بگويم که در صورتي که مدرک مهندسي الکترونيک نداشته باشيد، مدارهاي کريستال کوارتز به سرعت برايتان بسيار پيچيده مي‌شود. در اينجا قصد داريم تا نسخه‌اي مختصر و ساده شده از آنچه که اتفاق مي‌افتد و نکاتي براي مطالعات بعدي به شما بدهيم تا در صورت تمايل بتوانيد عميق‌تر کنکاش کنيد.
نکته کليدي که در مورد کوارتز بايد در خاطر داشته باشيد اين است که کوارتز پيزوالکتريک است. اگر به آن الکتريسيته اعمال کنيد ارتعاش خواهد کرد، و اگر آن را مرتعش کنيد الکتريسيته بيرون خواهد داد. يک کريستال کوارتز نوسانگر از خاصيت پيزوالکتريکي در هر دو مسير و در يک زمان بهره مي‌برد!
روشي که نمودار در اينجا کشيده شده است باعث مي‌شود که کريستال کوارتز جداي از مدار ميکروچيپ بنظر آيد، اما در واقعيت، کريستال عضو جدانشدني مدار است و با دو الکترود به مدار سيم‌کشي شده است. مي‌توانيد آنها را در تصوير قطعات دروني ساعت کوارتز و تصوير خود نوسانگر مشاهده کنيد. آنها همان دو پايه نقره‌اي رنگ هستند که از محفظه فلزي استوانه‌اي بيرون زده‌اند. در حقيقت، کريستال کوارتز نوسانگر تنها يک عضو ديگر است که به مدار ميکروچيپ وصل شده است، درست مانند يک مقاومت يا خازن.
در اينجا از يک مدار صحبت مي‌شود اما ساده‌تر اين است که به نوسانگر بعنوان عضوي از دو مدار مجزا نگاه کرد که هر دو بر روي يک ميکروچيپ هستند. مدار اول (که آن را ورودي مي‌ناميم) کريستال کوارتز را با شليک پالس‌هاي الکتريسيته تحريک مي‌کند. اعمال الکتريسيته به کوارتز آن را از طريق چيزي که اثر معکوس پيزوالکتريک ناميده مي‌شود (که در آن الکتريسيته ارتعاش توليد مي‌کند) مرتعش مي‌کند. نوسانگر طوري درست شده است که کوارتز دقيقا 32768 بار در يک ثانيه نوسان کند. اما حالا اثر پيزوالکتريک معمولي را به ياد آوريد: زماني که يک تکه کوارتز نوسان مي‌کند ولتاژ الکتريکي توليد مي‌کند. دومين مدار بر روي ميکروچيپ اين ولتاژ خروجي را آشکار مي‌کند (فرکانس 32768 بار در ثانيه) و فرکانس آن را طوري تقسيم مي‌کند تا پالس‌هايي با فاصله زماني يک ثانيه توليد کند. اين پالس‌ها موتور محرک چرخدنده‌ها را به حرکت درمي‌آورد. در يک ساعت با نمايشگر ديجيتال، بجاي استفاده از چرخدنده‌ها، يک تراشه مکررا فرکانس نوسانگر را تقسيم مي‌کند تا قسمت‌هاي ساعت، دقيقه و ثانيه را به کار اندازد (همانطور که در تصوير زير نشان داده شده است).
تصوير: چگونه يک نوسانگر کوارتز يک ساعت ديجيتالي را با نمايش ساعت و دقيقه و يک دونقطه براي نشان دادن ثانيه‌ها در بين آنها (12:32) بکار مي‌اندازد. نوسانگر (زرد) در هر ثانيه 32768 بار نوسان مي‌کند. يک تقسيم‌کننده دودويي (binary) (آبي، سمت چپ) اين عدد را 15 بار تقسيم مي‌کند تا پالس 1 هرتزي (يک پالس در ثانيه) توليد کند و دونقطه چشمک‌زن را به کار اندازد. سيگنال 1 هرتزي نيز خود بر 60 تقسيم مي‌شود تا دقيقه بدست آيد و يکبار ديگر بر 12 تقسيم مي‌شود تا ساعت بدست آيد. اين سيگنال‌ها يک سري از درايورها (سرخ) را به کار مي‌اندازند که مسئول قسمت‌هاي نمايشگر ديجيتال هستند. تصوير از ثبت اختراع شماره 3863436 آمريکا: ساعت کوارتز حالت جامد، اثر جک شوارتزشيلد و ريموند باکسبرگر از شرکت تايمکس، 4 فوريه 1975 ميلادي، عکس از اداره علائم تجاري و ثبت اختراع آمريکا.
در يکي از انواع اوليه نوسانگر کوارتز، کريستال کوارتز دو سري الکترود داشت. اولين سري به مدار ورودي متصل بود و به کريستال الکتريسيته اعمال ميکرد تا نوسان کند. زماني که کريستال نوسان ميکرد ولتاژ پيزوالکتريک توليد ميکرد. اين ولتاژ با دومين سري الکترودها (چسبيده به قسمت ديگري از همان کريستال) آشکارسازي مي‌شد و مدار خروجي را تغذيه ميکرد. زماني که تکنولوژي کوارتز به منظور استفاده در ساعت‌هاي مچي فشرده مينياتوري شد، مشخص شد که به نوسانگرهاي کوچکتر نياز است و جايي براي دو سري الکترود وجود ندارد. به اين دليل است که نوسانگرهاي مدرن تنها از يک جفت الکترود براي تحريک کريستال با انرژي و همچنين آشکارسازي نوسانات آن استفاده مي‌کنند.