|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
DZIECIĘCE LABORATORIUM NAUKOWE
Zegarek kwarcowy. Laboratorium naukowe dla dzieci
Katalog / Laboratorium Naukowe dla Dzieci Która jest godzina? Jesteśmy przyzwyczajeni do znajdowania odpowiedzi na to pytanie, patrząc na zegar; instrukcja, kieszeń, pulpit, ściana, ulica, wieża. Godzinę można sprawdzić przez telefon i radio. Stacje nadawcze w Związku Radzieckim cztery razy dziennie nadają dokładne sygnały czasu. Jak nasi przodkowie mierzyli czas? Pięć tysięcy lat temu ludzie używali do tego zegara słonecznego - zwykłego słupa, instalowanego pionowo i rzucającego cień o różnej długości i kierunku w różnych porach dnia. Później czas mierzono za pomocą wody i klepsydr. Dokładność tych prymitywnych instrumentów była oczywiście bardzo przybliżona. Do XI wieku datuje się wynalezienie mechanicznych zegarów wieżowych, a pięćset lat później pojawiły się pierwsze zegary wiosenne. Nie różniły się one jednak dużą dokładnością, ponieważ regulator prędkości - balanser - wahał się z nimi nierównomiernie. Ta wada została wyeliminowana, gdy odkryto, że swobodnie zawieszone wahadło utrzymuje stały okres swoich oscylacji. Łącząc wahadło z mechanizmem zegarowym, otrzymaliśmy urządzenie do pomiaru czasu z wystarczającą dokładnością. Ciągłe konstruktywne doskonalenie zegarów wahadłowych uczyniło je niezawodnym miernikiem czasu. Wymagający konsumenci Ale nauka i technologia nie stoją w miejscu. Równolegle z ich rozwojem rosły wymagania dotyczące dokładności wyznaczania czasu. Dokładny co do sekundy przestał zadowalać wielu swoich „konsumentów”. Chcieli znać czas z dokładnością do setnych, tysięcznych, a nawet dziesięciotysięcznych części sekundy. Byli to nie tylko astronomowie badający ruch ciał niebieskich. Nawigatorom statków i samolotów potrzebny był najdokładniejszy czas do prawidłowej orientacji na morzu iw powietrzu, topografowie i geodeci badający teren. Aby ustalić, gdzie się znajdują na kuli ziemskiej, musieli określić szerokość geograficzną – odległość od równika – oraz długość geograficzną – kąt między płaszczyzną południka danego miejsca a płaszczyzną południka zerowego. Aby poprawnie określić długość geograficzną, konieczna jest jak najdokładniejsza znajomość czasu lokalnego i czasu na południku zerowym, ponieważ długość geograficzną oblicza się z różnicy tych dwóch wartości. Niech gwiazdy określą, że w danym momencie w danym miejscu jest 23 godziny 30 minut. Zegar ustawiony na czas południka zerowego i sprawdzony drogą radiową wskazuje 21 godzin 30 minut. Różnica wynosi dwie godziny. Wiadomo, że Ziemia wykonuje dziennie jeden obrót z zachodu na wschód wokół własnej osi, czyli obraca się o 360°, a w ciągu godziny - o 360:24 = 15°. Za dwie godziny zmieni się o 30°. Dlatego obserwator znajduje się na 30° długości geograficznej wschodniej. Dokładny czas muszą znać także geologowie i grawimetrycy, którzy badają zmiany grawitacji w różnych punktach na powierzchni ziemi, co ma ogromne znaczenie przy eksploracji minerałów. niebiański zegar W jaki sposób określa się dokładny czas, który odgrywa tak ważną rolę w życiu ludzi? Z jakimi ultraprecyzyjnymi zegarami naukowcy porównują swoje zegary? Te wspaniałe zegarki są tworzone przez samą naturę. Ich tarcza to nocne niebo, a liczby godzin, minut i sekund to gwiazdy. Ze ścisłą stałością podążają swoją wieczną ścieżką na firmamencie. Niezmiennie, dokładnie w momencie wyznaczonym przez astronomów, każda gwiazda osiąga najwyższą pozycję i przecina południk niebieski. Wystarczy złapać ten moment, aby znaleźć idealny moment. Aby poradzić sobie z tym zadaniem, astronomom pomaga „wskazówka” zegara niebieskiego - specjalna tuba astronomiczna zwana instrumentem tranzytowym. Obracając się jednocześnie z Ziemią, instrument tranzytowy jest zawsze skierowany wzdłuż południka, wskazanego w polu widzenia instrumentu cienką pionową nitką. Obserwując przejście gwiazdy przez to włókno, astronom oblicza, o ile powinien skorygować swój zegarek. Każdej nocy astronomowie ze wszystkich obserwatoriów świata siadają przy instrumentach przelotowych. Jednak nie zawsze pogoda sprzyja obserwacjom. Potrzebują czystego nieba, a np. w Moskwie jest tylko około 90 bezchmurnych nocy w roku, w słonecznym Taszkiencie - około 250. Często niebo jest zasłonięte chmurami przez cały miesiąc z rzędu, a czasem nawet dłużej. Trzeba było znaleźć sposób na ustawienie dokładnego czasu podczas tych wymuszonych przerw między obserwacjami astronomicznymi. Pojawił się więc problem „przechowywania” czasu. Rozwiązanie tego złożonego problemu ułatwiło stworzenie precyzyjnych zegarów astronomicznych. Dwa wahadła Główną i najważniejszą częścią zegara astronomicznego jest wahadło. Jest jasne. W końcu główną zaletą zegarka jest jednolitość i stałość ich przebiegu. Ale zegar może chodzić równomiernie tylko wtedy, gdy długość wahadła pozostaje zawsze ściśle stała, a amplituda jego wahań pozostaje niezmieniona. Co może wpływać na te wartości? Przede wszystkim zmiany temperatury i ciśnienia powietrza. Wynika z tego, że wahadło musi być wykonane z materiału, który jest najmniej wrażliwy na zmiany temperatury. Invar okazał się takim materiałem - stopem składającym się z 36% niklu i 64% stali i mającym współczynnik rozszerzalności liniowej 10-12 razy mniejszy niż stal. Wahadło wykonano z inwaru. Konstruktorzy zegarów astronomicznych zastosowali też inne środki ostrożności. Umieścili zegar w piwnicy, gdzie temperatura jest niewielka i zamknęli go w hermetycznie zamkniętym miedzianym cylindrze ze szklanym wieczkiem. Powietrze jest prawie całkowicie wypompowywane z cylindra, a ciśnienie atmosferyczne w nim jest stale utrzymywane w zakresie 20-25 mm słupa rtęci. Zegar został zainstalowany na specjalnym fundamencie odizolowanym od budynku. W związku z tym są mało wrażliwe na drgania budynku, w którym się znajdują. Zadbano również o to, aby wahadło było wolne od wszelkich, nawet najmniejszych, mechanicznych obciążeń. To jest główna idea precyzyjnych zegarów astronomicznych. Swobodnie kołyszące się wahadło, które opisaliśmy, nie jest połączone z żadnymi mechanizmami transmisyjnymi i wskazującymi czas. Nazywa się to „swobodnym” wahadłem. Jego misja jest ograniczona. Odmierza tylko czas, a całą „czarną” pracę mechaniczną przypisuje się innemu, pomocniczemu wahadłu. Swobodne wahadło otrzymuje impulsy wahadłowe co 30 sekund. Są one przesyłane do niego przewodami za pomocą wahadła pomocniczego. Za pomocą specjalnych urządzeń elektrycznych wahadło swobodne niejako steruje wahadłem pomocniczym, zmuszając je do oscylacji ściśle synchronicznie ze sobą. Wahadło pomocnicze obsługuje mechanizm transmisyjny, który porusza wskazówkami na tarczy. Ten drugi zegar, połączony przewodami elektrycznymi z pierwszym, można zainstalować w dowolnym miejscu, w dowolnej odległości od głównego wahadła - prawdziwego strażnika czasu. Wszystkie obserwatoria astronomiczne i instytuty metrologiczne na świecie używają obecnie w swojej pracy zegarów z dwoma wahadłami. Dokładność takich zegarów jest niezwykle wysoka: ich kurs, regulowany, zmienia się z dnia na dzień o nie więcej niż 0,003 sekundy. Taka dokładność wydaje się bajeczna, jednak nie jest wystarczająca dla współczesnej nauki, ponieważ błąd rzędu nawet kilku tysięcznych sekundy uniemożliwia badanie pewnych zjawisk interesujących astronomów, metrologów i geofizyków. Cudowna właściwość kryształów Gdzie szukać wyjścia? Wydawało się, że mechanicy wyczerpali wszystkie swoje możliwości i osiągnęli granicę: dalsze ulepszanie zegara wahadłowego wydawało się nie do pomyślenia. A potem elektrycy i inżynierowie radiowi zajęli się projektowaniem zegarów astronomicznych. Argumentowali, że wahadło przeżyło swój czas. Nawet umieszczone w idealnych warunkach wahadło nie jest w stanie sprostać zwiększonym wymaganiom naukowców. Oznacza to konieczność wymiany go na inny regulator zapewniający oscylacje o stałej częstotliwości. W poszukiwaniu takiego regulatora przypomnieli sobie kwarc. Kryształ kwarcu i jego osie
W 1880 roku odkryto niezwykłą właściwość niektórych kryształów, najbardziej wyraźną w przypadku kwarcu. Kwarc zwykle występuje w postaci sześciościennych kryształów o ostrosłupowych końcach (ryc. 1a). Linia zz przedstawia oś optyczną kryształu. Jeśli kryształ przetniemy w poprzek, prostopadle do osi optycznej, otrzymamy sześciokąt, którego wszystkie kąty są równe 120° (rys. 1b). Linie xx, x1x1 X2X2 przechodzące przez dwusieczne tych kątów oznaczają osie elektryczne, linie yy, Y1Y1, Y2Y2 - osie mechaniczne kryształu. Okazało się, że jeśli płytka zostanie wycięta z kryształu kwarcu, którego powierzchnie są prostopadłe do jednej z jego osi elektrycznych, to przy mechanicznym ściskaniu lub rozciąganiu płytki na jej powierzchniach powstają ładunki elektryczne. Zjawisko to nazywane jest bezpośrednim efektem piezoelektrycznym (starożytne greckie słowo „piezo” oznacza: naciskam, ściskam). Odwrotny efekt piezoelektryczny wyraża się w odkształceniu płytki kwarcowej umieszczonej w polu elektrycznym. Amatorzy krótkofalowców dobrze znają tę właściwość kwarcu. Wiedzą, że płytka kwarcowa ma zdolność utrzymywania stałej częstotliwości oscylatora. Stabilizatory kwarcowe są szeroko stosowane w stacjach radiowych. Właśnie tę stabilizującą zdolność kwarcu postanowili wykorzystać twórcy nowego chronometrażysty. Zegarek kwarcowy Projektanci zegarków kwarcowych wycinają z kryształu prostokątny pasek o przekroju 7x7 mm i długości około 60 mm. Na dwóch przeciwległych powierzchniach sztabki nałożyli najcieńszą warstwę złota. W rezultacie powstał kondensator, którego dielektrykiem jest pręt, a płytki to dwie warstwy metalu. Przeznaczenie tego urządzenia w zegarach kwarcowych jest takie samo jak wahadła w zwykłych zegarach: jest to regulator. I regulator, na którym można całkowicie polegać. Kryształ kwarcu w obwodzie ustawiania częstotliwości triody
Następnie kwarc został włączony do obwodu generatora lampy. Kryształ umieszczono w układzie siatki – katoda lampy generatora – trioda (rys. 2). Równolegle zainstalowano duży opór. Obwód oscylacyjny składający się z cewki indukcyjnej i kondensatora został zawarty w obwodzie anodowym obwodu. Jest to konieczne, aby dzięki połączeniu pojemnościowemu anoda - siatka lampy powstały warunki do utrzymania nietłumionych oscylacji. Obwód został dostrojony tak, aby jego częstotliwość drgań własnych była wyższa niż częstotliwość oscylacji sztabki kwarcu. Jest to ogólnie urządzenie oscylatora kwarcowego - głównej części zegarka kwarcowego. Ich dokładność zależy bezpośrednio od stabilności częstotliwości oscylatora. Stałość naturalnych oscylacji kwarcu jest bardzo wysoka. Nie mają na nią wpływu ani zmiany siły grawitacji, ani drgania sejsmiczne skorupy ziemskiej. Jest jednak wrażliwy na wahania temperatury i ciśnienia atmosferycznego. Aby utrzymać stałą temperaturę kwarcu, projektanci podjęli specjalne środki. Oscylator kwarcowy umieścili w termostacie o wielowarstwowych ściankach, wewnątrz którego utrzymywana jest stała temperatura z dokładnością do jednej setnej stopnia. Ta stała temperatura jest osiągana przez ogrzewanie elektryczne termostatu sterowane kontaktowym termometrem rtęciowym. Zapewnia to, że częstotliwość jest zapisywana z dokładnością około 1*10-8. Sam kwarc został zamknięty w hermetycznym naczyniu, w którym powstała próżnia. Oscylator kwarcowy z dzielnikami częstotliwości
Projektanci wycięli blok o takim kształcie i rozmiarze z kryształu kwarcu, że jego częstotliwość drgań własnych wynosiła 100 kHz. Ale prąd o tej częstotliwości nie nadaje się do obracania silnika, który wprawia mechanizm zegara w ruch. Musiałem stworzyć szereg urządzeń pośrednich pokazanych na schemacie blokowym (rys. 3). Tutaj elektronika bardzo pomogła projektantom. Szereg elektronicznych obwodów generatora ma zdolność synchronizacji z częstotliwością innego generatora, jeśli jest ona wielokrotnością liczby razy większej lub mniejszej niż częstotliwość drgań własnych zsynchronizowanego generatora lub wystarczająco blisko takiej wielokrotności. Projektanci zegarków kwarcowych wykorzystali zdolność obwodów, takich jak multiwibrator lub oscylator blokujący, do synchronizacji z częstotliwościami wyższymi niż ich własne. Taki zsynchronizowany oscylator o wyższej częstotliwości jest powszechnie nazywany dzielnikiem częstotliwości. Najwyższa częstotliwość prądu, który może napędzać silnik synchroniczny, wynosi około 1000 Hz. Jednak dzielnik częstotliwości ze współczynnikiem podziału 1:100 jest bardzo niestabilny. Dlatego, aby uzyskać częstotliwość 1000 Hz, synchroniczną z częstotliwością kwarcu 100 kHz, konieczne było zainstalowanie szeregu dzielników o przełożeniach 1:4 i 1:5, synchronizujących się szeregowo. Generatory używane jako dzielniki częstotliwości mają dużą liczbę harmonicznych. Konieczne było zapobieżenie przenikaniu szkodliwych oscylacji o wysokiej częstotliwości do obwodu oscylatora kwarcowego, gdzie mogłyby one spowodować pogorszenie stabilności. Aby temu zapobiec, między oscylatorem kwarcowym a pierwszym dzielnikiem częstotliwości, który działa bez prądów sieciowych, podłączono wzmacniacz buforowy. Ten tryb pomaga zmniejszyć obciążenie oscylatora kwarcowego i zwiększyć stabilność jego działania. W obwodach dzielnika częstotliwości zwykle stosuje się lampy małej mocy. Dostarczany przez nie prąd jest zbyt słaby, aby obrócić silnik synchroniczny napędzający zegar ze stykiem sekundowym. Dlatego po dzielniku częstotliwości (dając prąd o częstotliwości 1000 Hz) włączono wzmacniacz, który dostarcza kilka watów mocy do uzwojeń silnika. Pod względem stabilności zegary kwarcowe przewyższają wszystkie istniejące zegary wahadłowe. Średnia dzienna fluktuacja ich kursu wynosi dwie dziesięciotysięczne części sekundy. Stworzenie ultraprecyzyjnych zegarów to wybitne osiągnięcie współczesnej nauki. Wiele instytucji naukowych nabyło już zegary kwarcowe. W Moskwie, w Centralnym Instytucie Badań Geodezji, Fotografii Lotniczej i Kartografii, pierwszy domowy zegar kwarcowy zbudowany przez PS Popowa niestrudzenie odmierza sekundy. Instytut Pomiarów Radiowych, Instytut Astronomiczny Sternberga oraz inne instytuty i obserwatoria posiadają zegary kwarcowe. Zwolennicy nowego sposobu pomiaru czasu twierdzą, że zegary kwarcowe wkrótce całkowicie zastąpią zegary wahadłowe i staną się jedynymi strażnikami czasu. Są też sceptycy, którzy kwestionują takie twierdzenia. Nie zaprzeczając oczywistym zaletom zegarków kwarcowych, zwracają też uwagę na ich wady. Mówiliśmy już o zaletach zegarków kwarcowych; na tym polega ich niezrównana dokładność i stałość, oczywiście, niezależność od prawie wszystkich czynników zewnętrznych. Jakie są ich wady? Astronomowie domagają się, aby zegar, którego używają do odmierzania czasu, mógł działać bez przerwy przez dwa, trzy lata lub dłużej. Czy zegarki kwarcowe spełniają to wymaganie? Nie do końca. Przypomnijmy, że zasilane są prądem z sieci elektrycznej. Stacja przestanie dostarczać prąd, a zegar się zatrzyma. Ale tak się nie stanie, jeśli zegarek nie będzie zasilany z sieci, ale z baterii. - Zgadza się - zgadzają się sceptycy. - A co ze starzeniem się kwarcu, wraz ze zużyciem lamp radiowych? Rzeczywiście, kwarc starzeje się w czasie, a częstotliwość jego oscylacji się zmienia. Nie możesz zagwarantować, że żadna lampa nie ulegnie nagłej awarii. Jednak miłośnicy kwarcu nie boją się takiego wypadku. Instalują w swoich laboratoriach nie jeden zegar, ale trzy, pracujące synchronicznie. Nie ma znaczenia, czy któryś z nich się zatrzyma. Dopóki nie zostaną naprawione, pozostałe dwa będą odmierzać czas. Spór trwa, a tymczasem dziesiątki kwarcowych zegarków regularnie służą nauce. Dziś ich dokładność zadowala naukowców prowadzących najdelikatniejsze badania. A co będzie jutro? Czy uda się znaleźć nowy wzorzec czasu, jeszcze dokładniejszy? Być może podstawą takiego standardu będą cząsteczki, a raczej częstotliwość ich wibracji. Radzieccy naukowcy już pracują w tym kierunku. Autor: A. Brodski
▪ Jaki jest prawdziwy kształt ziemi?
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ FMS6407 - filtr sterownika wideo ▪ Zakazy jedzenia zmieniają charakter
▪ sekcja serwisu Detektory natężenia pola. Wybór artykułu ▪ artykuł o edycji wideo. Podstawy dla początkujących. sztuka wideo ▪ artykuł Czym jest erozja? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Operator oczyszczania ścieków. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy ▪ artykuł Woltomierz do zasilaczy laboratoryjnych. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony