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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Quartz Uhr. Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Wie spät ist es? Wir sind es gewohnt, die Antwort auf diese Frage durch einen Blick auf die Uhr zu finden; Handheld, Tasche, Tischplatte, Wand, Straße, Turm. Die Uhrzeit erfahren Sie per Telefon und Funk. Rundfunkstationen in der Sowjetunion senden viermal täglich Zeitsignale. Wie haben unsere Vorfahren die Zeit im Auge behalten? Vor fünftausend Jahren nutzten die Menschen dafür eine Sonnenuhr – einen gewöhnlichen Stab, der vertikal montiert war und zu verschiedenen Tageszeiten Schatten unterschiedlicher Länge und Richtung warf. Später begann man, die Zeit mit Wasser und Sanduhren zu messen. Die Genauigkeit dieser primitiven Instrumente war natürlich sehr ungefähr. Die Erfindung mechanischer Turmuhren geht auf das XNUMX. Jahrhundert n. Chr. zurück, und fünfhundert Jahre später erschienen die ersten Federuhren. Allerdings waren sie nicht sehr genau, da der Geschwindigkeitsregler – der Balancer – ungleichmäßig schwankte. Dieser Nachteil wurde beseitigt, als die Eigenschaft eines frei schwebenden Pendels entdeckt wurde, eine konstante Schwingungsdauer beizubehalten. Durch die Verbindung des Pendels mit einem Uhrwerk erhielten wir ein Gerät zur Zeitmessung mit ausreichender Genauigkeit. Kontinuierliche Designverbesserungen von Pendeluhren haben sie zu zuverlässigen Zeitmessern gemacht. Anspruchsvolle Verbraucher Doch Wissenschaft und Technik stehen nicht still. Gleichzeitig mit ihrer Entwicklung stiegen die Anforderungen an die Genauigkeit der Zeitbestimmung. Die Zeitgenauigkeit auf eine Sekunde stellt viele ihrer „Konsumenten“ nicht mehr zufrieden. Sie wollten die Zeit mit einer Genauigkeit von Hundertstel-, Tausendstel- und sogar Zehntausendstelsekunden wissen. Dies waren nicht nur Astronomen, die die Bewegung von Himmelskörpern untersuchten. Die genaueste Zeit benötigten Navigatoren von Schiffen und Flugzeugen für die korrekte Orientierung auf See und in der Luft sowie Topographen und Vermesser, die Gebietsvermessungen durchführten. Um festzustellen, wo auf dem Globus sie sich befanden, mussten sie den geografischen Breitengrad – die Entfernung vom Äquator – und den Längengrad – den Winkel zwischen der Meridianebene eines bestimmten Ortes und der Ebene des Nullmeridians – bestimmen. Um den Längengrad richtig zu bestimmen, ist es notwendig, die Ortszeit und die Zeit am Nullmeridian mit äußerster Genauigkeit zu kennen, da der Längengrad aus der Differenz dieser beiden Werte berechnet wird. Anhand der Sterne lässt sich ermitteln, dass es an einem bestimmten Ort im Moment 23 Stunden und 30 Minuten ist. Die nach der Zeit des Nullmeridians eingestellte und per Funk verifizierte Uhr zeigt 21 Stunden 30 Minuten an. Der Unterschied beträgt zwei Stunden. Es ist bekannt, dass die Erde an einem Tag eine Umdrehung von West nach Ost um ihre Achse macht, sich also um 360° dreht, und in einer Stunde um 360:24 = 15°. In zwei Stunden wird es sich um 30° drehen. Daher befindet sich der Beobachter auf dem 30° östlichen Längengrad. Geologen und Gravimetristen, die Änderungen der Schwerkraft an verschiedenen Punkten der Erdoberfläche untersuchen, müssen außerdem den genauen Zeitpunkt kennen, der für die Mineralienexploration von großer Bedeutung ist. himmlische Uhr Wie wird die genaue Zeit bestimmt, die im Leben der Menschen eine so wichtige Rolle spielt? Mit welchen hochpräzisen Uhren vergleichen Wissenschaftler ihre Uhrenwerte? Diese wundervolle Uhr wurde von der Natur selbst geschaffen. Ihr Zifferblatt ist der Nachthimmel und die Sterne sind die Zahlen, die Stunden, Minuten und Sekunden anzeigen. Mit strenger Konsequenz folgen sie ihrem ewigen Weg am Himmel. Ausnahmslos erreicht jeder Stern zu einem von Astronomen genau bestimmten Zeitpunkt seine höchste Position und kreuzt den Himmelsmeridian. Es reicht aus, diesen Moment einzufangen, um die vollkommen genaue Zeit herauszufinden. Der „Zeiger“ der Himmelsuhr hilft Astronomen bei dieser Aufgabe – eine spezielle astronomische Röhre, die als Durchgangsinstrument bezeichnet wird. Das Durchgangsinstrument dreht sich gleichzeitig mit der Erde und ist immer entlang des Meridians ausgerichtet, der im Sichtfeld des Instruments durch einen dünnen vertikalen Faden angezeigt wird. Nachdem der Astronom den Durchgang eines Sterns durch dieses Filament beobachtet hat, berechnet er, welche Korrektur er an den Anzeigen seiner Uhr vornehmen sollte. Jeden Abend setzen sich Astronomen aller Observatorien der Welt an ihre Instrumente. Doch nicht immer ist das Wetter für Beobachtungen günstig. Sie brauchen einen klaren Himmel, und zum Beispiel gibt es in Moskau nur etwa 90 wolkenlose Nächte im Jahr, im sonnigen Taschkent etwa 250. Der Himmel ist oft einen ganzen Monat hintereinander, manchmal auch länger, bewölkt. Es musste eine Möglichkeit gefunden werden, auch während dieser Zwangspausen von einer astronomischen Beobachtung zur nächsten die genaue Zeit einzustellen. So entstand das Problem der „Speicherung“ der Zeit. Die Lösung dieses komplexen Problems wurde durch die Entwicklung hochpräziser astronomischer Uhren erleichtert. Zwei Pendel Der wichtigste und wichtigste Teil einer astronomischen Uhr ist das Pendel. Das ist klar. Denn der Hauptvorteil einer Uhr ist die Gleichmäßigkeit und Konsistenz ihres Uhrwerks. Die Uhr kann aber nur dann gleichmäßig laufen, wenn die Länge des Pendels stets streng konstant bleibt und die Amplitude seiner Schwingungen unverändert bleibt. Was kann diese Werte beeinflussen? Zuallererst Veränderungen der Temperatur und des Luftdrucks. Daraus folgt, dass das Pendel aus einem Material bestehen sollte, das am wenigsten von Temperaturschwankungen beeinflusst wird. Es stellte sich heraus, dass es sich bei diesem Material um Invar handelte – eine Legierung bestehend aus 36 % Nickel und 64 % Stahl und einem linearen Ausdehnungskoeffizienten, der 10–12 Mal kleiner als der von Stahl ist. Das Pendel wurde aus Invar gefertigt. Die Konstrukteure der astronomischen Uhr trafen andere Vorkehrungen. Sie platzierten die Uhr im Keller, wo die Temperatur kaum schwankte, und schlossen sie in einen hermetisch verschlossenen Kupferzylinder mit Glasdeckel ein. Die Luft wird fast vollständig aus dem Zylinder gepumpt und der atmosphärische Druck darin wird konstant bei 20–25 mm Hg gehalten. Die Uhr wurde auf einem speziellen, vom Gebäude isolierten Fundament installiert. Daher sind sie wenig empfindlich gegenüber Vibrationen des Gebäudes, in dem sie sich befinden. Sie achteten auch darauf, das Pendel von jeder noch so kleinen mechanischen Belastung zu befreien. Dies ist die Grundidee hochpräziser astronomischer Uhren. Das von uns beschriebene frei schwingende Pendel ist mit keinerlei Übertragungs- oder Zeitanzeigemechanismen verbunden. So nennt man es – ein „freies“ Pendel. Seine Aufgabe ist begrenzt. Es misst nur die Zeit und die gesamte „schwarze“ mechanische Arbeit wird einem anderen Hilfspendel zugewiesen. Das freie Pendel erhält alle 30 Sekunden Schwingimpulse. Über Drähte werden sie von einem Hilfspendel zu ihm geschickt. Mit Hilfe spezieller elektrischer Vorrichtungen steuert das freie Pendel das Hilfspendel und versetzt es in streng synchrone Schwingungen mit sich selbst. Das Hilfspendel steuert den Übertragungsmechanismus, der die Zeiger auf dem Zifferblatt bewegt. Diese zweite Uhr, die über elektrische Leitungen mit der ersten verbunden ist, kann überall und in beliebiger Entfernung vom Hauptpendel installiert werden – der wahre Hüter der Zeit. Alle astronomischen Observatorien und metrologischen Institute der Welt verwenden heute bei ihrer Arbeit Uhren mit zwei Pendeln. Die Genauigkeit solcher Uhren ist äußerst hoch: Ihr Gang variiert nach der Justierung von Tag zu Tag um nicht mehr als 0,003 Sekunden. Eine solche Genauigkeit erscheint fabelhaft, reicht jedoch für die moderne Wissenschaft nicht aus, da ein Fehler von nur wenigen Tausendstelsekunden die Untersuchung einiger Phänomene verhindert, die Astronomen, Metrologen und Geophysiker interessieren. Wundersame Eigenschaft von Kristallen Wo nach einem Ausweg suchen? Die Mechanik schien ihre Leistungsfähigkeit ausgeschöpft zu haben und an ihre Grenzen zu stoßen: Eine weitere Verbesserung der Pendeluhren schien undenkbar. Und dann übernahmen Elektriker und Funkingenieure den Bau astronomischer Uhren. Das Pendel habe seinen Nutzen verloren, argumentierten sie. Selbst unter idealen Bedingungen kann das Pendel den gestiegenen Anforderungen der Wissenschaftler nicht gerecht werden. Dies bedeutet, dass er durch einen anderen Regler ersetzt werden muss, der konstante Frequenzschwingungen liefert. Auf der Suche nach einem solchen Regler erinnerten sie sich an Quarz. Quarzkristall und seine Achsen
Im Jahr 1880 wurde eine bemerkenswerte Eigenschaft bestimmter Kristalle entdeckt, die am deutlichsten bei Quarz zum Ausdruck kam. Quarz kommt normalerweise in Form sechseckiger Kristalle mit spitzen Enden in Pyramidenform vor (Abb. 1a). Die zz-Linie stellt die optische Achse des Kristalls dar. Wenn man den Kristall quer zur optischen Achse schneidet, erhält man ein Sechseck, dessen Winkel alle 120° betragen (Abb. 1b). Die Linien xx, x1x1 X2X2, die durch die Winkelhalbierenden dieser Winkel verlaufen, geben die elektrischen Achsen an, die Linien yy, U1U1, U2U2 - die mechanischen Achsen des Kristalls. Es stellte sich heraus, dass, wenn aus einem Quarzkristall eine Platte geschnitten wird, deren Oberflächen senkrecht zu einer seiner elektrischen Achsen stehen, beim mechanischen Zusammendrücken oder Dehnen der Platte elektrische Ladungen auf ihren Oberflächen entstehen. Dieses Phänomen nennt man direkten piezoelektrischen Effekt (das altgriechische Wort „piezo“ bedeutet: Ich drücke, ich drücke). Der umgekehrte piezoelektrische Effekt drückt sich in der Verformung einer Quarzplatte aus, die in ein elektrisches Feld gebracht wird. Kurzwellenfunkamateure sind sich dieser Eigenschaft von Quarz durchaus bewusst. Sie wissen, dass eine Quarzplatte die Fähigkeit besitzt, die Frequenz des Oszillators konstant zu halten. Quarzstabilisatoren werden häufig in Radiosendern eingesetzt. Es war diese stabilisierende Fähigkeit des Quarzes, die sich die Erfinder des neuen Zeitmessers zunutze machten. Quartz Uhr Die Designer von Quarzuhren schnitten aus einem Kristall einen rechteckigen Block mit einem Querschnitt von 7x7 mm und einer Länge von etwa 60 mm. Sie trugen eine dünne Goldschicht auf zwei gegenüberliegende Oberflächen des Barrens auf. Das Ergebnis ist ein Kondensator, dessen Dielektrikum ein Stab ist und dessen Platten aus zwei Metallschichten bestehen. Der Zweck dieses Geräts in einer Quarzuhr ist der gleiche wie der eines Pendels in einer normalen Uhr: Es ist ein Regulator. Und ein Regler, auf den Sie sich voll und ganz verlassen können. Quarzkristall in der Frequenzeinstellschaltung einer Triode
Dann wurde der Quarz in den Röhrenoszillatorkreis einbezogen. Der Kristall wurde in einem Gitter-Kathoden-Generatorrohr-Trioden-Schaltkreis platziert (Abb. 2). Gleichzeitig wurde ein großer Widerstand installiert. Im Anodenkreis der Schaltung war ein Schwingkreis enthalten, der aus einer Induktivität und einem Kondensator bestand. Dies ist notwendig, damit durch die Verbindung über die Kapazität, die Anode – das Gitter der Lampe – Bedingungen für die Aufrechterhaltung ungedämpfter Schwingungen geschaffen werden. Die Schaltung wurde so abgestimmt, dass ihre Eigenfrequenz höher war als die Schwingungsfrequenz des Quarzstabes. Dies ist im Allgemeinen der Aufbau eines Quarzoszillators – dem Hauptbestandteil einer Quarzuhr. Ihre Genauigkeit hängt direkt von der Stabilität der Generatorfrequenz ab. Die Konstanz der Eigenschwingungen von Quarz ist sehr hoch. Es wird nicht durch Änderungen der Schwerkraft oder seismische Vibrationen der Erdkruste beeinflusst. Es reagiert jedoch empfindlich auf Schwankungen der Temperatur und des Luftdrucks. Um sicherzustellen, dass die Temperatur des Quarzes konstant bleibt, haben die Konstrukteure besondere Maßnahmen ergriffen. Sie platzierten einen Quarzoszillator in einem Thermostat mit mehrschichtigen Wänden, in dem eine konstante Temperatur mit einer Genauigkeit von einem Hundertstel Grad aufrechterhalten wird. Diese konstante Temperatur wird durch die elektrische Beheizung des Thermostats erreicht, gesteuert durch ein Quecksilber-Kontaktthermometer. Dies gewährleistet eine Frequenzerhaltung mit einer Genauigkeit von etwa 1*10-8. Der Quarz selbst war in einem hermetischen Gefäß eingeschlossen, in dem ein Vakuum erzeugt wurde. Quarzoszillator mit Frequenzteilern
Die Designer schnitzten einen Block aus einem Quarzkristall mit einer solchen Form und Größe, dass seine natürliche Schwingungsfrequenz 100 kHz betrug. Ein Strom dieser Frequenz eignet sich jedoch nicht zum Drehen des Motors, der das Uhrwerk antreibt. Es war notwendig, eine Reihe von Zwischengeräten zu erstellen, die im Blockdiagramm dargestellt sind (Abb. 3). Hier hat die Elektronik den Designern sehr geholfen. Eine Reihe elektronischer Oszillatorschaltungen können sich mit der Frequenz eines anderen Oszillators synchronisieren, wenn diese ein Vielfaches der Eigenfrequenz des zu synchronisierenden Oszillators ist oder nahe genug an einem solchen Vielfachen liegt. Die Entwickler von Quarzuhren machten sich die Fähigkeit von Schaltkreisen wie dem Multivibrator oder Sperroszillator zunutze, sich auf höhere Frequenzen als ihre eigenen zu synchronisieren. Ein solcher synchronisierter Oszillator mit höherer Frequenz wird üblicherweise als Frequenzteiler bezeichnet. Die höchste Stromfrequenz, die einen Synchronmotor antreiben kann, liegt bei etwa 1000 Hz. Allerdings ist ein Frequenzteiler mit einem Teilungsverhältnis von 1:100 sehr instabil. Um eine Frequenz von 1000 Hz synchron mit einer Quarzfrequenz von 100 kHz zu erhalten, war es daher notwendig, eine Reihe von Teilern mit Verhältnissen von 1:4 und 1:5 zu installieren, die sich gegenseitig in Reihe synchronisieren. Generatoren, die als Frequenzteiler verwendet werden, weisen eine große Anzahl von Harmonischen auf. Es musste verhindert werden, dass schädliche Hochfrequenzschwingungen in den Quarzoszillatorkreis gelangen und dort zu einer Verschlechterung der Stabilität führen könnten. Um dies zu verhindern, wurde zwischen Quarzoszillator und erstem Frequenzteiler ein netzstromlos arbeitender Pufferverstärker geschaltet. Dieser Modus trägt dazu bei, die Belastung des Quarzoszillators zu reduzieren und die Stabilität seines Betriebs zu erhöhen. Frequenzteilerschaltungen verwenden typischerweise Röhren mit geringer Leistung. Der von ihnen bereitgestellte Strom ist zu schwach, um den Synchronmotor zu drehen, der den Mechanismus der Sekundenkontaktuhr antreibt. Daher wurde nach dem Frequenzteiler (der einen Strom mit einer Frequenz von 1000 Hz liefert) ein Verstärker eingeschaltet, der mehrere Watt Leistung an die Motorwicklungen lieferte. In puncto Stabilität sind Quarzuhren allen bisherigen Pendeluhren überlegen. Die durchschnittliche tägliche Schwankung ihres Verlaufs beträgt zwei Zehntausendstelsekunden. Die Herstellung ultrapräziser Uhren ist eine herausragende Errungenschaft der modernen Wissenschaft. Viele wissenschaftliche Institutionen haben bereits Quarzuhren erworben. In Moskau, am Zentralen Forschungsinstitut für Geodäsie, Luftbildfotografie und Kartographie, misst die erste heimische Quarzuhr, gebaut von P. S. Popov, unermüdlich Sekunden. Das Institut für Radiomessungen, das Sternberg-Astronomische Institut und andere Institute und Observatorien verfügen über Quarzuhren. Befürworter der neuen Methode der Zeitmessung behaupten, dass Quarzuhren die Pendeluhren bald vollständig ersetzen und die einzigen Zeitmesser sein werden. Es gibt auch Skeptiker, die solche Behauptungen bestreiten. Ohne die offensichtlichen Vorteile von Quarzuhren zu leugnen, weisen sie auch auf deren Nachteile hin. Über die Vorteile von Quarzuhren haben wir bereits gesprochen; Dies ist ihre unübertroffene Genauigkeit und Konstanz der Bewegung, Unabhängigkeit von fast allen äußeren Faktoren. Was sind ihre Mängel? Astronomen fordern, dass die Uhren, mit denen sie die Zeit messen, zwei, drei Jahre oder länger ununterbrochen laufen können. Erfüllen Quarzuhren diese Anforderung? Nicht ganz. Denken wir daran, dass sie mit Strom aus dem Stromnetz betrieben werden. Die Station stellt die Stromversorgung ein und die Uhr bleibt stehen. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn die Uhr nicht über das Stromnetz, sondern über Batterien betrieben wird. „Das stimmt“, sind sich die Skeptiker einig. - Was ist mit der Alterung von Quarz, dem Verschleiß von Radioröhren? Tatsächlich altert Quarz mit der Zeit und seine Schwingungsfrequenz ändert sich. Sie können nicht garantieren, dass eine Lampe nicht plötzlich ausfällt. Quarzliebhaber haben jedoch keine Angst vor einem solchen Unfall. Sie installieren in ihren Laboren nicht eine Uhr, sondern drei, die synchron arbeiten. Es macht nichts, wenn einige von ihnen aufhören. Bis sie repariert sind, werden die anderen beiden Zeit behalten. Der Streit geht weiter, doch inzwischen leisten Dutzende Quarzuhren der Wissenschaft gute Dienste. Ihre Genauigkeit stellt heute Wissenschaftler zufrieden, die anspruchsvollste Forschung betreiben. Was morgen passieren wird? Wird es möglich sein, einen neuen, noch genaueren Zeitstandard zu finden? Vielleicht basiert ein solcher Standard auf Molekülen, genauer gesagt auf der Frequenz ihrer Schwingungen. Sowjetische Wissenschaftler arbeiten bereits in diese Richtung. Autor: A. Brodsky
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