همه چیز در مورد ساعت ها

در مورد مکانیزم کوارتز چه می دانید

در تمام روش‏های اندازه‏گیری زمان، مبنای اندازه‏گیری فرایندی است که به طور دوره‏ای (پریودیک) تکرار می‏شود. در ساعت دیواری یا مچی، نوسانات پاندول و یا رقاصک نوسان‏کننده  این جریان دوره‏ای را بوجود می‏آورد.
اصولاً‌ از هر فرایند دوره‏ای می‏توان برای کنترل زمان سود برد. در دستگاهی که ساعت کوارتز خوانده می‏شود، این فرایند عبارت است از «ارتعاشات ضخامت» که کوارتز (و برخی از بلورهای دیگر) تحت شرایط خاصی بروز می‏دهند. اساس این ارتعاشات را می‏توان با یک مثال ساده بخوبی توضیح داد: وقتی با قاشق ضربه‏ای به یک تکه ژله  وارد می‏کنیم، به لرزه می‏افتد. این لرزش را می‏توان نوعی ارتعاش ضخامت نامید. اگر متناسب با فرکانس ارتعاش، پی در پی ضرباتی به ژله وارد آوریم، دامنه‌ ارتعاشات چنان اوج می‏گیرد که ممکن است ژله از هم بپاشد. بلور کوارتزی که به شکل خاصی برش داده شده باشد، نظیر همین پدیده را بروز می‏دهد؛ اما ارتعاشات بلور کوارتز در اثر تحریکات مکانیکی صورت نمی‏‏گیرد بلکه تحریکات الکتریکی دوره‏ای عامل آن است .

ساعت

پیزوالکتریک

برای این منظور پدیده‏ای به نام اثر «پیزوالکتریک» را به کار می‏گیرند: وقتی بر بلور، تنش‏های فشاری و کششی متناوب اعمال می‏شود، سطوح مختلف آن بارهای الکتریکی غیرهمنام می‏گیرند؛ متقابلاً وقتی بار الکتریکی به سطوح بلور داده شود، این سطوح انقباض و انبساط پیدا می‏کند و یا بعبارت دیگر به ارتعاش درمی‏آیند. فرکانس این ارتعاشاتِ ضخامت، فقط به ابعاد بلور بستگی دارد و با انتخاب ابعاد مناسب، می‏توان به هر فرکانس دلخواه دست یافت. در شرایط معیّن، فرکانس حاصله بسیار ثابت است و به همین دلیل بلور کوارتز بعنوان یک رگلاتور (تنظیم ‏کننده) دقیق در مدارهای نوسان ‏کننده‌ الکتریکی استفاده دارد .
ساعت کوارتز دارای یک فرستنده لامپی  یا فرستنده ترانزیستوری  که مدار نوسان‏کننده آن با یک بلور کوارتز کنترل می‏شود. در خروجی، یک ولتاژ متناوب که فرکانس آن از ثبات بسیار بالایی برخوردار است حاصل می‏شود. این ولتاژ را می‏توان به مدارهای کاهش‏دهنده فرکانس تغذیه کرد، یا به موتورهای فرکانس بالا داد تا بدین طریق برای راه‏اندازی یک ساعت معمولی مورد استفاده قرار گیرد.

ساعت کوارتز از دقت زمان‏سنجی بسیار بالایی برخوردار است. این ساعت معمولاً در هر یک ماه کمتر از یک ده هزارم ثانیه عقب یا جلو می‏رود و به همین دلیل بعنوان ساعت مادر برای منظورهای عمومی و نیز برای ثابت نگهداشتن فرکانس فرستنده‏های رادیویی،‌ اهمیت فراوانی کسب کرده است.

ساعت های اتمی

در حال حاضر، ساعت اتمی دقیق‏ترین وسیله اندازه‏گیری زمان است. در حالی که بالاتری حد دقت ساعت‏های پاندولی حدود 7-10 ثانیه (یا 3 ثانیه در سال) است، دقت ساعت‏های کوارتز به حدود 100 تا 1000 برابر می‏رسد. اما بزرگ‏ترین عیب ساعت‏های کوارتز آن است که فرکانس ارتعاشات آنها به مرور ایام دستخوش تغییر می‏شود، بنابراین لازم است هرچند گاه یکبار فرکانس آنها امتحان و در صورت لزوم تنظیم شود. این عمل به کمک ساعت اتمی انجام می‏گیرد. در ساعت اتمی، فرکانس با ارتعاشات ملکولی تعیین می‏شود و در نتیجه همواره ثابت باقی می‏ماند. دقت ساعت‏های اتمی حدود 10 برابر ساعت‏های کوارتز است.

ساعت های اتمی

 

اساس کار یک ساعت اتمی آمونیاکی به شرح زیر است:

گاز آمونیاک (NH3) از طریق نازلی که در سمت چپ شکل 1 قرار دارد،‌ خارج می‏شود. این نازل از تعدادی مجراهای موازی و بسیار ریز تشکیل شده است. ملکول ‏ها در حرکت خود به سمت راست، وارد یک دستگاه متمرکزکننده می‏شوند. این دستگاه متشکل از تعدادی (معمولاً 4) استوانه فلزی است که با ولتاژ زیاد بارگذاری شده‏اند. بعضی از ملکول ‏های NH3 دارای انرژی بالاتر و بعضی دیگر دارای انرژی پایین‏تر هستند. هر دو نوع این ملکول‏های گشتاور دوقطبی خاص خود را دارند؛ یعنی در یک میدان الکتریکی، ملکول‏های دارای انرژیِ بالا، در جهت عکس مسیر میدان، و ملکول‏های انرژی پایین در راستای جهت میدان به خط می‏شوند. به دلیل این خصوصیت ملکول‏های NH3 است که می‏توان به کمک یک میدان الکتریکی بسیار ناهمگن در داخل دستگاه متمرکزکننده، ملکول‏های انرژی بالا را از ملکول‏های انرژی پایین جدا کرد. طوری که ملکول‏های انرژی بالا، به سمت ناحیه مرکزی میدان الکتریکی، و ملکول‏های انرژی پایین، به سمت خارج از میدان پرتاب می‏شوند . دستگاه متمرکزکننده،‌ ملکول‏های انرژی بالا را جمع‏آوری و به داخل یک رزوناتور توخالی یا حفره‏ای  هدایت می‏کند. این رزوناتور، جعبه‏ای فلزی است که به کمک سیستم تغذیه برگشت (فیدبک) می‏توان درون آن یک موج فرکانس بالا بوجود آورد. ملکول‏های انرژی بالای NH3 که به وسیله این موج فعال می‏شوند و ارتعاشاتی در حدود 24 میلیارد سیکل در ثانیه به دست می‏آورند، انرژی خود را به موج می‏دهند و آن را تقویت می‏کنند. این انرژیِ فرکانس بالا،‌ فرکانسی دارد که با دقت بسیارْ ثابت باقی می‏ماند و در نتیجه می‏توان مبنای اندازه‏گیری زمان قرار گیرد.

پاندول

هر پدیده‏ای که به طور دوره‏ای (پریودیک) تکرار شود، چنانچه پریود یا دوره تناوب آن دقیقاً ثابت بماند، می‏تواند برای اندازه‏گیری زمان مورد استفاده قرار گیرد. در زمان‏سنج‏های اولیه، حرکت دوره‏ای توسط پاندول یا آونگ انجام می‏گرفت . وزنه‏ای که ساعت را به حرکت درمی‏آورد، به محیط یک محور نیرو وارد می‏کند و آن را می‏چرخاند. اما لنگری که به پاندول وصل است مانع این چرخش می‏شود. لنگر به طور دوره‏ای یک چرخ دندانه‏دار به نام چرخ دنگ را گیر می‏اندازد و آزاد می‏کند. هر بار که پاندول به حداکثر دامنه‌ خود می‏رسد یکی از برجستگی‏های لنگر (به نام شیطانک) دندانه چرخ دنگ را آزاد می‏سازد و چرخ مزبور متناسب با حرکت پاندول می‏چرخد. بنابراین چرخش این چرخ به صورت یک سری حرکات منقطع و منظم که تحت کنترل لنگر و پاندول است انجام می‏گیرد. این چرخش از طریق یک سیستم چرخ‏دنده به عقربه‏های ساعت منتقل می‏شود. همانند تاب مخصوص بازی کودکان ، اگر پاندول در فواصل زمانی معیّن ضربه دریافت نکند، به تدریج از حرکت بازمی‏ایستد. در یک ساعت پاندولی،‌ چرخ دنگ (که به کمک نیروی وزنه به جلو رانده می‏شود) از طریق شیطانک‏ها، نیروی محرک پاندول را تأمین می‏سازد. فرکانس یا تواترِ (تعداد نوسانات در ثانیه) پاندول را می‏توان با پایین و بالا بردن گلوله پاندول بر روی میله آن تغییر داد. پایین آوردن گلوله سبب می‏شود که پاندول آهسته تر نوسان کند؛ و بالعکس. به این ترتیب می‏توان پریود (زمان نوسان) پاندول و در نتیجه ساعت را تنظیم کرد. در ساعت‏های مچی، کنترل عمل پاندول به کمک دستگاهی به نام رقاصک صورت می‏گیرد . به محور هرزگرد رقاصک، یک فنر مارپیچی به نام فنر رقاصک یا فنر مویی وصل است که نوسانات آن را کنترل می‏کند. به خود رقاصک نیز سوزنی متصل شده است که با اهرم درگیر می‏شود. با هر نوسانی که اهرم انجام می‏دهد، شیطانک‏ها چرخ دنگ را آزاد می‏کنند و این چرخ می‏تواند به اندازه یک دندانه دوران کند. همزمان، چرخ دنگ (که فنر اصلی آن را به حرکت درمی‏آورد) از طریق اهرم و پین، به رقاصک ضربه‏ای وارد می‏آورد تا حرکت آن حفظ شود.

ساعت های اتمی

کار رقاصک کاملاً با کار پاندول در ساعت‏های پاندولی قابل مقایسه است. نوعی از مکانیسم چرخ دنگ که در شکل 3 نشان داده شده است و مکانیسم اهرمی نامیده می‏شود، حدود دویست سال قبل اختراع شد و هنوز هم به طور گسترده مورد استفاده قرار می‏گیرد. انواع متعدد دیگری از مکانیسم چرخ دنگ برای ساعت‏های مچی ابداع شده است. رقاصک در هر ثانیه پنج حرکت رفت و آمدی دارد، یعنی عقربه ثانیه‏شمار در هر ثانیه پنج حرکت کوتاه و منقطع انجام می‏دهد. چرخ عقربه دقیقه‏شمار را چرخ دنگ به حرکت درمی‏آورد، و عقربه ساعت‏شمار از طریق سیستمی از چرخ‏دنده‏ها حرکت می‏کند.

انتقال حرکت چرخ دقیقه و چرخ ساعت به عقربه‏های ساعت مچی در  نشان داده شده است. چرخ دقیقه در هر ساعت یک دوران کامل انجام می‏دهد و همراه با آن عقربه دقیقه ‏شمار نیز که به همان محور وصل شده است یک دور کامل می‏زند. در همین فاصله زمانی، چرخ ساعت و عقربه ساعت‏شمار فقطدور جلو می‏رود.

منبع: سندباد