אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

מבוסס על:

• שעונים - איך הם עובדים? - אתר דעות

Wikipedia:

• Quartz clock
• Tuning fork: Calculation of frequency
• Piezoelectricity

בכדי ששעון יהיה יעיל ומדויק דרושים לו שלושה מרכיבים עיקריים: מקור אנרגיה, מנגנון ויסות  של הזמן ומנגנון תצוגה.

במאמר זה נתמקד במנגנון ויסות הזמן. אחד ממנגנוני ויסות הזמן הנפוצים ביותר כיום הוא גביש קוורץ. שעוני קוורץ הם שעונים שמנגנון ויסות הזמן שלהם פועל על פי עקרון של רטט בתדירות קבועה של גביש הקוורץ. שעונים מסוג זה החלו להיות נפוצים ביותר משנות השבעים הן עבור יצרנים והן עבור הצרכנים בעיקר בשל העובדה שהם זולים ונוחים לייצור בכמויות גדולות ומסחריות. הקוורץ הוא מינרל נפוץ בקרום כדור הארץ.  אחד היתרונות הנוספים שלו הוא שהוא אינו משנה את תכונותיו (ובמיוחד את גודלו) גם בטמפרטורה של מאות מעלות.

גביש הקוורץ הוא גביש פיזואלקטרי: זהו גביש שמתעוות בתגובה להפעלת מתח חשמלי עליו, או להיפך - יוצר מתח חשמלי בתגובה להפעלת לחץ מכני עליו. תופעה זו נוצרת בדומה לקיטוב של תווך דיאלקטרי על ידי הפעלת שדה חשמלי עליו: בתווך כזה החלקים השליליים של המולקולות המרכיבות אותו יתקרבו לאזור הפוטנציאל החיובי של השדה, והחלקים החיוביים של המולקולות המרכיבות אותו יתקרבו לאזור הפוטנציאל השלילי של השדה. בחומר פיזואלקטרי, במקום השדה החשמלי ניתן לעוות את החומר, כך שהמולקולות שבו יתקטבו בצורה דומה. קיטוב זה יוצר הפרש פוטנציאלים בחומר, ולכן נוצר בו שדה חשמלי.

אם חותכים גביש קוורץ בצורה נכונה, ניתן לגרום לו לתהודה (רטיטות מקסימליות בעצמתן)  כאשר מפעילים עליו זרם חילופין בתדר מסוים מאד (תדר התהודה). כיוון שהסוללה שבשעון מספקת זרם ישר, יש להרכיב בשעון מנגנון שיהפוך זרם זה לזרם חילופין. דוגמה למנגנון כזה הוא מנגנון מכני שבו יש מתג העובר בתדירות גבוהה בין שני מצבים: מצב בו הזרם הישר נע עם בכיוון אחד, ומצב בו הזרם הישר נע בכיוון השני. בכל פעם הזרם שנע בכיוון מסוים מפעיל אלקטרומגנט שמושך את המפסק למצב השני, וכך משתנה כיוון הזרם.

אם כן, כאשר מסופק לגביש הקוורץ זרם חילופין הוא רוטט בין שני מצבים: מצב בו האזורים החיוביים של המולקולות שלו פונים לכיוון אחד (והאזורים השליליים פונים לכיוון השני), לבין מצב בו אזורים אלו פונים לכיוון השני אחד (והאזורים השליליים פונים לכיוון הראשון). התדירות בה רוטט הגביש תלויה בצורתו, במידותיו ובמיקום האלקטרודות שיוצרות את הפרש הפוטנציאלים עליו. כך ניתן לשלוט על תדירות הרטט (או "תדירות התנודות") של הגביש. בשעונים, תדירות זו היא בדרך כלל 32,768 הרץ (כלומר 32,768 רטיטות בשנייה). תדירות זו נבחרת מכיוון שגביש בעל תדר תנודות שכזה הוא קטן ויכול להתאים לשעונים. בנוסף, זהו מספר שהוא חזקה של 2 (2¹⁵), וניתן לספור אותו בעזרת מונה בינארי הקל לייצור (מונה בינארי מייצג מספרים בעזרת הספרות " 0" או "1" בלבד). כאשר המונה שבשעון סופר מספר תנודות כזה, הוא מוסיף לתצוגת השעון שנייה אחת. כאמור, תדירות הרטיטות משתנה עם גודל הגביש, וגביש הקוורץ כמעט אינו משנה את גודלו עם הטמפרטורה, לכן שעון הקוורץ יישאר מדויק גם עם שינוי הטמפרטורה.