|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ДИТЯЧА НАУКОВА ЛАБОРАТОРІЯ
Кварцевий годинник. Дитяча наукова лабораторія
Довідник / Дитяча наукова лабораторія Котра година? Відповідь на це запитання ми звикли знаходити, глянувши на годинник; ручні, кишенькові, настільні, стінні, вуличні, баштові. Можна дізнатися час по телефону та радіо. Мовні станції Радянського Союзу передають сигнали точного часу чотири рази на добу. А як стежили за часом наші предки? П'ять тисяч років тому люди для цього користувалися сонячним Годинником - звичайним жердиною, встановленою вертикально і тінь різної довжини і напряму, що відкидає в різний час доби. Пізніше час стали вимірювати за допомогою водяного та пісочного годинника. Точність цих примітивних приладів була, зрозуміло, дуже наближеною. До XI століття нашої ери відноситься винахід механічного - баштового годинника, а через п'ятсот років з'явився перший пружинний годинник. Однак і вони не відрізнялися великою точністю, оскільки регулятор швидкості руху-балансир – у них вагався нерівномірно. Цей недолік вдалося усунути, коли було відкрито властивість вільно підвішеного маятника зберігати постійним періодом своїх коливань. Зв'язавши маятник з годинником, отримали прилад для вимірювання часу з достатньою точністю. Безперервне конструктивне вдосконалення маятникових годинників зробило їх надійним вимірювачем часу. Вимогливі споживачі Але наука та техніка не стоять на місці. Одночасно з їх розвитком зростали вимоги до точності визначення часу. Точний до однієї секунди час перестав задовольняти багатьох його "споживачів". Вони хотіли знати час із точністю до сотих, тисячних, навіть десятитисячних часток секунди. Це були не лише астрономи, які вивчали рух небесних світил. Найточнішого часу вимагали штурмани кораблів і літаків для правильної орієнтування на морі та в повітрі, топографи та геодезисти, що ведуть зйомки місцевості. Щоб встановити, в якому пункті земної кулі вони знаходяться, їм треба було визначити географічну широту - відстань від екватора - і довготу - кут між площиною меридіана даного місця та площиною нульового меридіана. Щоб правильно визначити довготу, необхідно з граничною точністю знати місцевий час та час на нульовому меридіані, оскільки довготу обчислюють із різниці цих двох величин. Нехай за зірками визначено, що зараз у цьому місці 23 години 30 хв. Годинник, встановлений за часом нульового меридіана і звірений по радіо, показує 21 годину 30 хв. Різниця становить дві години. Відомо, що Земля за добу робить один оборот із заходу на схід навколо своєї осі, тобто повертається на 360 °, а за одну годину - на 360:24 = 15 °. За дві години вона обернеться на 30°. Отже, спостерігач знаходиться на 30 ° східної довготи. Точний час необхідно знати також геологам, гравіметристам, які вивчають зміни сили тяжіння у різних точках земної поверхні, що має значення для розвідки корисних копалин. Небесний годинник Як же визначають точний час, що відіграє таку важливу роль у житті людей? З яким надточним годинником звіряють свідчення свого годинника вчені? Цей чудовий годинник створений самою природою. Їх циферблат – нічне небо, а цифрами, що позначають годинник, хвилини та секунди, служать зірки. З суворою постійністю вони йдуть своїм споконвічним шляхом на небосхилі. Незмінно, точно встановлений астрономами момент кожна зірка досягає свого найвищого становища і перетинає небесний меридіан. Достатньо вловити цю мить, щоб дізнатися ідеально точний час. Впоратися з цим завданням астрономам допомагає "стрілка" небесного годинника - спеціальна астрономічна труба, яка називається пасажним інструментом. Повертаючись одночасно із Землею, пасажний інструмент завжди спрямований по меридіану, позначеному в полі зору інструменту тонкою вертикальною ниткою. Відзначивши проходження зірки через цю нитку, астроном обчислює, яку поправку він має внести до показань свого годинника. Щоночі астрономи всіх обсерваторій світу сідають за пасажні інструменти. Але далеко не завжди погода сприяє спостереженням. Для них необхідне ясне небо, а, наприклад, у Москві безхмарних ночей налічують лише близько 90 на рік, у сонячному Ташкенті - приблизно 250. Нерідко небо буває затягнуте хмарами цілий місяць поспіль, а іноді й довше. Треба було знайти спосіб встановлювати точний час і ці вимушені перерви від одного астрономічного спостереження до іншого. Так постало завдання "зберігання" часу. Дозвіл цього складного завдання було полегшено створенням високоточних астрономічних годинників. Два маятники Основна і найвідповідальніша частина астрономічного годинника - маятник. Це зрозуміло. Адже головна перевага годинника полягає в рівномірності та сталості їхнього ходу. Але годинник може йти рівномірно лише тому випадку, якщо довжина маятника завжди залишається строго постійної і амплітуда його коливань незмінна. А що може проводити ці величини? Насамперед зміни температури та повітряного тиску. Звідси випливає, що маятник має бути зроблений з матеріалу, на який зміни температури мають найменший вплив. Таким матеріалом виявився інвар - сплав, що складається з 36% нікелю і 64% сталі і має коефіцієнт лінійного розширення, в 10-12 разів меншим, ніж сталь. З інвару виготовили маятник. Конструктори астрономічного годинника вжили й інших запобіжних заходів. Вони помістили годинник у підвалі, де температура мало змінюється, і уклали їх у герметично закритий мідний циліндр зі скляним ковпаком. З циліндра майже повністю викачано повітря, і атмосферний тиск у ньому постійно підтримується в межах 20-25 мм ртутного стовпа. Годинник встановили на спеціальному, ізольованому від будівлі фундаменті. Тому вони мало чутливі до вібрацій будівлі, де вони знаходяться. Подбали і про те, щоб звільнити маятник від будь-якого, навіть найменшого, механічного навантаження. У цьому полягає основна ідея високоточного астрономічного годинника. Маятник, що вільно гойдається на підвісі, про який ми розповіли, не пов'язаний з будь-якими передатними і вказуючими час механізмами. Він і називається - " вільний " маятник. Його завдання обмежене. Він лише відміряє час, а вся "чорна" - механічна робота покладена інший, допоміжний маятник. Розкачуючий імпульс вільний маятник отримує через кожні 30 сек. Їх посилає йому по дротах допоміжний маятник. За допомогою спеціальних електричних приладів вільний маятник як би командує допоміжним, змушуючи його суворо суворо синхронно з собою. Допоміжний маятник керує передавальним механізмом, що пересуває стрілки на циферблаті. Ці другі години, пов'язані електричними проводами з першими, можна встановити будь-де, на будь-якій відстані від основного маятника - справжнього зберігача часу. Усі астрономічні обсерваторії та метрологічні інститути світу використовують зараз у своїй роботі годинник із двома маятниками. Точність таких годин надзвичайно висока: їх перебіг, відрегульований, змінюється від доби до доби не більше ніж на 0,003 сек. Така точність видається казковою, проте і вона недостатня для сучасної науки, бо похибка навіть у кілька тисячних часток секунди перешкоджає вивченню деяких явищ, що цікавлять астрономів, метрологів та геофізиків. Чудова властивість кристалів Де ж шукати вихід? Механіки ніби вичерпали всі свої можливості і досягли межі: подальше вдосконалення маятникового годинника здавалося немислимим. І тоді за конструювання астрономічного годинника взялися електрики та радіоінженери. Маятник віджив свій вік, стверджували вони. Навіть поставлений в ідеальні умови, маятник не здатний задовольнити вимог учених, що зросли. Отже, треба замінити його іншим регулятором, який забезпечує отримання коливань постійної частоти. У пошуках такого регулятора вони згадали про кварц. Кристала кварцу та його осі
У 1880 році було відкрито чудову властивість деяких кристалів, найбільш яскраво виражену в кварці. Кварц зазвичай зустрічається у вигляді кристалів-шестигранників із загостреними кінцями пірамідальної форми (рис. 1, а). Лінія zz є оптичною вісь кристала. Якщо розрізати кристал упоперек, перпендикулярно до оптичної осі, то вийде шестикутник, усі кути якого дорівнюють 120° (рис. 1,б). Лінії хх, х1х1 Х2Х2, що проходять через бісектриси цих кутів, позначають електричні осі, лінії уу, У1У1, У2У2 – механічні осі кристала. Виявилося, що з кристала кварцу вирізати пластинку, поверхні якої перпендикулярні однієї з його електричних осей, то при механічному стисканні або розтягуванні пластинки на її поверхнях виникають електричні заряди. Це явище отримало назву прямого п'єзоелектричного ефекту (давньогрецьке слово "п'єзо" означає: давлю, стискаю.). p align="justify"> Зворотний п'єзоелектричний ефект виражається в деформації кварцової пластинки, поміщеної в електричне поле. Радіоаматорам-короткохвильовикам добре відома ця властивість кварцу. Вони знають, що кварцова пластинка має здатність підтримувати сталість частоти генератора. Кварцові стабілізатори широко використовуються на радіостанціях. Ось цю стабілізуючу здатність кварцу вирішили використати і творці нового зберігача часу. Кварцовий годинник Конструктори кварцового годинника вирізали з кристала прямокутний брусок перетином 7х7 мм і довжиною близько 60 мм. На дві протилежні поверхні бруска вони нанесли найтонший шар золота. Вийшов конденсатор, діелектриком якого є брусок, а обкладками - два шари металу. Призначення цього пристрою в кварцовому годиннику те ж, що й у маятника у звичайному годиннику: це регулятор. І регулятор, на який можна цілком покластися. Кристал кварцу в частотоздатному ланцюгу тріода
Потім кварц включили у схему лампового генератора. Кристал помістили в ланцюг сітка – катод генераторної лампи – тріода (рис. 2). Паралельно поставили опір великої величини. В анодний ланцюг схеми включили коливальний контур, що складається з котушки індуктивності та конденсатора. Це необхідно для того, щоб завдяки зв'язку через ємність анод - сітка лампи були створені умови для підтримки коливань, що незатухають. Контур налаштували так, щоб його власна частота була вищою за частоту коливань кварцового бруска. Таке в загальних рисах влаштування кварцового генератора - основної частини кварцового годинника. Їхня точність знаходиться в прямій залежності від стабільності частоти генератора. Постійність своїх коливань кварцу дуже велика. На нього не впливають ні зміни сили земного тяжіння, ні сейсмічні коливання земної кори. Однак він чутливий до коливань температури та атмосферного тиску. Для того, щоб температура кварцу залишалася постійною, конструктори вжили спеціальних заходів. Вони помістили кварцовий генератор у термостат з багатошаровими стінками, усередині якого підтримується постійна температура з точністю до однієї сотої градуса. Така стала температура досягається електричним обігрівом термостата, керованим ртутним контактним термометром. Це забезпечує збереження частоти з точністю близько 1*10-8. Сам кварц уклали в герметичний посуд, у якому створили вакуум. Кварцовий генератор із дільниками частоти
Конструктори виточили із кристала кварцу брусок такої форми та розмірів, щоб частота його власних коливань становила 100 кГц. Але струм такої частоти не придатний для обертання мотора, що приводить у рух годинниковий механізм. Довелося створити низку проміжних пристроїв, показаних на блок-схемі (рис. 3). Тут конструкторам допомогла електроніка. Ряд електронних генераторних схем має здатність синхронізуватися з частотою іншого генератора, якщо вона в кратне число разів вище або нижче власної частоти генератора, що синхронізується, або досить близька до такого кратного значення. Конструктори кварцового годинника використовували здатність таких схем, як, наприклад, мультивібратор або блокінг-генератор, синхронізуватися з вищими частотами, ніж їх власна. Такий синхронізований вищою частотою генератор зазвичай називають дільником частоти. Найвищою частотою струму, що може обертати синхронний мотор, є частота близько 1000 Гц. Однак дільник частоти з коефіцієнтом розподілу 1:100 працює дуже нестійко. Тому для отримання частоти 1000 Гц, синхронної з частотою кварцу в 100 кГц, довелося встановити ряд дільників з коефіцієнтами 1:4 і 1:5, синхронізують один одного послідовно. Застосовувані як дільники частоти генератори мають велику кількість гармонік. Треба було запобігти проникненню шкідливих високочастотних коливань у схему кварцового генератора, де вони могли спричинити погіршення стабільності. Щоб цього не трапилося, між кварцовим генератором та першим дільником частоти включили буферний підсилювач, який працює без сіткових струмів. Такий режим сприяє зменшенню навантаження кварцового генератора та підвищення стабільності його роботи. У схемах дільників частоти зазвичай використовуються малопотужні лампи. Струм, який вони дають, занадто слабкий, щоб обертати синхронний мотор, що рухає годинниковий механізм з секундним контактом. Тому після дільника частоти (що дає струм із частотою 1000 Гц) включили підсилювач, що віддає в обмотки двигуна потужність в кілька ват. За стабільністю кварцовий годинник перевершує всі існуючі маятникові годинники. Середнє добове коливання їхнього перебігу становить дві десятитисячні частки секунди. Створення надточного годинника - видатне досягнення сучасної науки. Кварцовим годинником вже обзавелися багато наукових установ. У Москві, в Центральному науково-дослідному інституті геодезії, аерозйомки та картографії невпинно відміряють секунди перший вітчизняний кварцовий годинник, побудований П. С. Поповим. Кварцовий годинник мають інститут радіовимірювань, астрономічний інститут імені Штернберга та інші інститути та обсерваторії. Ентузіасти нового способу, вимірювання часу стверджують, що кварцові годинники скоро повністю витіснять маятникові і стануть єдиними зберігачами часу. Знаходяться і скептики, які заперечують подібні твердження. Не заперечуючи очевидних переваг кварцового годинника, вони вказують і на їх недоліки. Про переваги кварцового годинника ми вже говорили; це - поки що неперевершена їхня точність і сталість ходу, незалежність майже від усіх зовнішніх факторів. Які ж їхні недоліки? Астрономи вимагають, щоб годинник, за допомогою якого він вимірює час, міг йти безупинно протягом двох, трьох років і більше. Чи задовольняють цій вимогі кварцовий годинник? Не зовсім. Згадаймо, що вони живляться струмом від електричної мережі. Припинить станція подачу струму, і годинник зупиниться. Але ж цього не станеться, якщо годувати годинник не від мережі, а від акумуляторів. - Правильно, - погоджуються скептики. - А як бути зі старінням кварцу, зі зносом радіоламп? Справді, кварц із часом старіє, і частота його коливань змінюється. Не можна поручитися і за те, що якась лампа раптово не вийде з ладу. Однак ентузіастів кварцу не лякає і така випадковість. Вони встановлюють у своїх лабораторіях не один годинник, а троє, що працюють синхронно. Чи не біда, якщо одні з них зупиняться. Поки їх не полагодять, зберігатимуть час двоє інших. Суперечка триває, а тим часом десятки кварцових годинників справно служать науці. Сьогодні їхня точність задовольняє вчених, які проводять найтонші дослідження. А що буде завтра? Чи не вдасться знайти новий стандарт часу, ще більш точний? Можливо в основу такого зразка будуть покладені молекули, точніше, частота їх коливань. Радянські вчені вже працюють і у цьому напрямі. Автор: О.Бродський
Спиртуознавство теплого пива
07.05.2024 Основний фактор ризику ігроманії
07.05.2024 Шум транспорту затримує зростання пташенят
06.05.2024
▪ Рідинні лінзи: масове виробництво ▪ Бездротові навушники 9.1 Sony MDR-HW700DS
▪ Розділ сайту Типові інструкції з охорони праці (ТОІ). Добірка статей ▪ стаття Чорний ящик. Крилатий вислів ▪ статья Які характеристики людини слони можуть визначити за її голосом? Детальна відповідь ▪ стаття Плеєр з живленням від велогенератора. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Простий помножувач добротності. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page