|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
LABORATOIRE SCIENTIFIQUE POUR ENFANTS
Montre à quartz. Laboratoire scientifique pour enfants
Annuaire / Laboratoire scientifique pour enfants Quelle heure est-il? Nous sommes habitués à trouver la réponse à cette question en regardant l'horloge ; manuel, poche, bureau, mur, rue, tour. Vous pouvez vérifier l'heure par téléphone et par radio. Les stations de radiodiffusion de l'Union soviétique transmettent des signaux horaires précis quatre fois par jour. Comment nos ancêtres gardaient-ils la trace du temps ? Il y a cinq mille ans, les gens utilisaient l'horloge solaire pour cela - un poteau ordinaire, installé verticalement et projetant une ombre de différentes longueurs et directions à différents moments de la journée. Plus tard, le temps a été mesuré à l'aide d'eau et de sabliers. La précision de ces instruments primitifs était, bien sûr, très approximative. Au XNUMXème siècle après JC, l'invention des horloges de tour mécaniques remonte à, et cinq cents ans plus tard, les premières horloges à ressort sont apparues. Cependant, ils ne différaient pas par leur grande précision, car le régulateur de vitesse - l'équilibreur - fluctuait de manière inégale avec eux. Cette lacune a été éliminée lorsque la propriété d'un pendule librement suspendu a été découverte pour maintenir la période de ses oscillations constante. En reliant le pendule au mouvement d'horlogerie, nous avons obtenu un appareil pour mesurer le temps avec une précision suffisante. L'amélioration constructive continue des horloges à pendule en a fait un compteur de temps fiable. Consommateurs exigeants Mais la science et la technologie ne s'arrêtent pas. Parallèlement à leur développement, les exigences en matière de précision de la détermination du temps ont augmenté. Précis une seconde fois a cessé de satisfaire bon nombre de ses "consommateurs". Ils voulaient connaître l'heure au centième, au millième, voire au dix millième de seconde près. Ce n'étaient pas seulement des astronomes qui étudiaient le mouvement des corps célestes. Les navigateurs de navires et d'avions avaient besoin du temps le plus précis pour une orientation correcte en mer et dans les airs, les topographes et les géomètres surveillant la zone. Pour établir où ils se trouvent sur le globe, ils devaient déterminer la latitude géographique - la distance à l'équateur - et la longitude - l'angle entre le plan du méridien d'un lieu donné et le plan du méridien zéro. Pour déterminer correctement la longitude, il est nécessaire de connaître l'heure locale et l'heure au méridien zéro avec la plus grande précision, puisque la longitude est calculée à partir de la différence entre ces deux valeurs. Qu'il soit déterminé par les astres qu'il est 23 heures 30 minutes à un instant donné en un lieu donné. L'horloge, réglée à l'heure du méridien zéro et contrôlée par radio, indique 21 heures 30 minutes. La différence est de deux heures. On sait que la Terre par jour fait une révolution d'ouest en est autour de son axe, c'est-à-dire qu'elle tourne de 360 ° et en une heure - de 360:24 = 15 °. Dans deux heures, il fera 30°. Par conséquent, l'observateur est à 30° de longitude est. L'heure exacte doit également être connue des géologues et des gravimètres qui étudient les changements de gravité en divers points de la surface terrestre, ce qui est d'une grande importance pour l'exploration des minéraux. horloge céleste Comment l'heure exacte qui joue un rôle si important dans la vie des gens est-elle déterminée ? À quelles horloges ultra-précises les scientifiques comparent-ils leurs horloges ? Ces merveilleuses montres sont créées par la nature elle-même. Leur cadran représente le ciel nocturne et les chiffres des heures, des minutes et des secondes sont les étoiles. Avec une stricte constance, ils suivent leur chemin éternel dans le firmament. Invariablement, au moment précis fixé par les astronomes, chaque étoile atteint sa position la plus haute et traverse le méridien céleste. Il suffit d'attraper ce moment pour trouver le moment idéal. Pour faire face à cette tâche, les astronomes sont aidés par la "main" de l'horloge céleste - un tube astronomique spécial appelé instrument de transit. Tournant simultanément avec la Terre, l'instrument de transit est toujours dirigé le long du méridien, indiqué dans le champ de vision de l'instrument par un fin fil vertical. En notant le passage d'une étoile à travers ce filament, l'astronome calcule de combien il doit corriger sa montre. Chaque nuit, des astronomes de tous les observatoires du monde s'assoient devant les instruments de passage. Mais la météo n'est pas toujours propice aux observations. Ils ont besoin d'un ciel dégagé et, par exemple, à Moscou, il n'y a qu'environ 90 nuits sans nuages par an, sous le soleil de Tachkent - environ 250. Souvent, le ciel est couvert de nuages pendant un mois entier d'affilée, et parfois même plus longtemps. Il fallait trouver un moyen de régler l'heure exacte lors de ces pauses forcées d'une observation astronomique à l'autre. Il y avait donc un problème de "stockage" du temps. La résolution de ce problème complexe a été facilitée par la création d'horloges astronomiques de haute précision. Deux pendules La partie principale et la plus importante de l'horloge astronomique est le pendule. Il est clair. Après tout, le principal avantage de la montre réside dans l'uniformité et la constance de leur progression. Mais l'horloge ne peut fonctionner régulièrement que si la longueur du pendule reste toujours strictement constante et que l'amplitude de ses oscillations est inchangée. Qu'est-ce qui peut influencer ces valeurs ? Tout d'abord, les changements de température et de pression atmosphérique. Il s'ensuit que le pendule doit être fait d'un matériau qui est le moins affecté par les changements de température. Invar s'est avéré être un tel matériau - un alliage composé de 36% de nickel et de 64% d'acier et ayant un coefficient de dilatation linéaire 10 à 12 fois inférieur à celui de l'acier. Un pendule a été fabriqué à partir d'Invar. Les concepteurs d'horloges astronomiques ont également pris d'autres précautions. Ils ont placé l'horloge dans un sous-sol où la température change peu et l'ont enfermée dans un cylindre de cuivre hermétiquement fermé avec un capuchon en verre. L'air est presque complètement pompé hors du cylindre et la pression atmosphérique y est constamment maintenue dans la plage de 20 à 25 mm de mercure. L'horloge a été installée sur une fondation spéciale isolée du bâtiment. Ils sont donc peu sensibles aux vibrations du bâtiment dans lequel ils se trouvent. Ils ont également pris soin de libérer le pendule de toute charge mécanique, même minime. C'est l'idée principale des horloges astronomiques de haute précision. Le pendule à oscillation libre, que nous avons décrit, n'est lié à aucun mécanisme de transmission et d'indication du temps. C'est ce qu'on appelle un pendule "libre". Sa mission est limitée. Il ne mesure que le temps, et tout le "noir" - travail mécanique est affecté à un autre pendule auxiliaire. Le pendule libre reçoit des impulsions oscillantes toutes les 30 secondes. Elles lui sont envoyées par fils par un pendule auxiliaire. À l'aide d'appareils électriques spéciaux, le pendule libre, pour ainsi dire, commande le pendule auxiliaire, le forçant à osciller de manière strictement synchrone avec lui-même. Le pendule auxiliaire actionne un mécanisme de transmission qui déplace les aiguilles sur le cadran. Cette seconde horloge, reliée par des fils électriques à la première, peut être installée n'importe où, à n'importe quelle distance du pendule principal, véritable gardien du temps. Tous les observatoires astronomiques et instituts métrologiques du monde utilisent désormais des horloges à deux balanciers dans leurs travaux. La précision de ces horloges est extrêmement élevée: leur course, étant ajustée, ne varie pas de plus de 0,003 seconde d'un jour à l'autre. Une telle précision semble fabuleuse, cependant, elle n'est pas suffisante pour la science moderne, car une erreur ne serait-ce que de quelques millièmes de seconde empêche l'étude de certains phénomènes qui intéressent les astronomes, les métrologues et les géophysiciens. Propriété miraculeuse des cristaux Où chercher une issue ? La mécanique semblait avoir épuisé toutes ses possibilités et atteint la limite : une amélioration supplémentaire de l'horloge à pendule semblait impensable. Et puis les électriciens et les ingénieurs radio se sont lancés dans la conception des horloges astronomiques. Le pendule a fait son temps, disaient-ils. Même placé dans des conditions idéales, le pendule n'est pas en mesure de répondre aux exigences accrues des scientifiques. Cela signifie qu'il est nécessaire de le remplacer par un autre régulateur qui fournit des oscillations d'une fréquence constante. A la recherche d'un tel régulateur, ils se sont souvenus du quartz. Cristal de quartz et ses haches
En 1880, une propriété remarquable de certains cristaux a été découverte, plus prononcée dans le quartz. Le quartz se présente généralement sous la forme de cristaux hexaédriques aux extrémités pyramidales pointues (Fig. 1a). La ligne zz représente l'axe optique du cristal. Si l'on coupe le cristal perpendiculairement à l'axe optique, on obtient un hexagone dont tous les angles sont égaux à 120° (Fig. 1b). Les lignes xx, x1x1 X2X2 passant par les bissectrices de ces angles désignent les axes électriques, les lignes yy, Y1Y1, Y2Y2 - les axes mécaniques du cristal. Il s'est avéré que si une plaque est découpée dans un cristal de quartz dont les surfaces sont perpendiculaires à l'un de ses axes électriques, alors lorsque la plaque est comprimée ou étirée mécaniquement, des charges électriques apparaissent sur ses surfaces. Ce phénomène s'appelle l'effet piézoélectrique direct (le mot grec ancien « piézo » signifie : j'appuie, serre.). L'effet piézoélectrique inverse se traduit par la déformation d'une plaque de quartz placée dans un champ électrique. Les radioamateurs à ondes courtes connaissent bien cette propriété du quartz. Ils savent que la plaque de quartz a la capacité de maintenir constante la fréquence de l'oscillateur. Les stabilisateurs à quartz sont largement utilisés dans les stations de radio. C'est cette capacité stabilisatrice du quartz que les créateurs du nouveau garde-temps ont décidé d'utiliser. Montre à quartz Les concepteurs de montres à quartz ont découpé une barre rectangulaire dans un cristal d'une section de 7x7 mm et d'une longueur d'environ 60 mm. Sur deux surfaces opposées de la barre, ils ont appliqué la couche d'or la plus fine. Le résultat était un condensateur dont le diélectrique est une barre et les plaques sont deux couches de métal. Le but de ce dispositif dans les horloges à quartz est le même que celui du pendule dans les horloges ordinaires : c'est un régulateur. Et un régulateur sur lequel vous pouvez entièrement compter. Cristal de quartz dans le circuit de réglage de fréquence d'une triode
Ensuite, le quartz a été inclus dans le circuit du générateur de lampe. Le cristal a été placé dans un circuit de grille - cathode de lampe génératrice - triode (Fig. 2). En parallèle, une grande résistance a été installée. Un circuit oscillant composé d'une inductance et d'un condensateur était inclus dans le circuit anodique du circuit. Cela est nécessaire pour que, en raison de la connexion à travers la capacité de l'anode - grille de la lampe, les conditions soient créées pour maintenir des oscillations non amorties. Le circuit a été réglé de manière à ce que sa fréquence naturelle soit supérieure à la fréquence d'oscillation de la barre de quartz. C'est en termes généraux le dispositif d'un oscillateur à quartz - la partie principale d'une montre à quartz. Leur précision dépend directement de la stabilité de la fréquence de l'oscillateur. La constance des oscillations naturelles du quartz est très élevée. Il n'est affecté ni par les changements de la force de gravité ni par les vibrations sismiques de la croûte terrestre. Cependant, il est sensible aux variations de température et de pression atmosphérique. Afin de maintenir la température du quartz constante, les concepteurs ont pris des mesures spéciales. Ils ont placé l'oscillateur à cristal dans un thermostat à parois multicouches, à l'intérieur duquel une température constante est maintenue avec une précision d'un centième de degré. Cette constance de température est obtenue par chauffage électrique du thermostat, contrôlé par un thermomètre à mercure à contact. Cela garantit que la fréquence est stockée avec une précision d'environ 1*10-8. Le quartz lui-même était enfermé dans un récipient hermétique dans lequel un vide était créé. Oscillateur à quartz avec diviseurs de fréquence
Les concepteurs ont usiné un bloc d'une forme et d'une taille telles à partir d'un cristal de quartz que sa fréquence naturelle était de 100 kHz. Mais le courant de cette fréquence n'est pas adapté à la rotation du moteur qui met le mouvement d'horlogerie en mouvement. J'ai dû créer un certain nombre de dispositifs intermédiaires illustrés dans le schéma fonctionnel (Fig. 3). Ici, l'électronique a beaucoup aidé les concepteurs. Un certain nombre de circuits générateurs électroniques ont la capacité de se synchroniser avec la fréquence d'un autre générateur si elle est un multiple du nombre de fois supérieure ou inférieure à la fréquence naturelle du générateur synchronisé, ou suffisamment proche d'une telle valeur multiple. Les concepteurs de montres à quartz ont profité de la capacité de circuits tels que le multivibrateur ou l'oscillateur bloquant à se synchroniser sur des fréquences plus élevées que les leurs. Un tel oscillateur synchronisé à fréquence plus élevée est communément appelé diviseur de fréquence. La fréquence de courant la plus élevée pouvant entraîner un moteur synchrone est d'environ 1000 Hz. Cependant, un diviseur de fréquence avec un rapport de division de 1:100 est très instable. Par conséquent, pour obtenir une fréquence de 1000 Hz, synchrone avec une fréquence de quartz de 100 kHz, il a fallu installer un certain nombre de diviseurs avec des rapports de 1:4 et 1:5, se synchronisant en série. Les générateurs utilisés comme diviseurs de fréquence ont un grand nombre d'harmoniques. Il était nécessaire d'empêcher la pénétration d'oscillations haute fréquence nocives dans le circuit de l'oscillateur à cristal, où elles pourraient entraîner une détérioration de la stabilité. Pour éviter cela, un amplificateur tampon a été connecté entre l'oscillateur à quartz et le premier diviseur de fréquence, qui fonctionne sans courant de grille. Ce mode permet de réduire la charge de l'oscillateur à cristal et d'augmenter la stabilité de son fonctionnement. Dans les circuits diviseurs de fréquence, des lampes à faible puissance sont généralement utilisées. Le courant qu'ils fournissent est trop faible pour faire tourner le moteur synchrone entraînant le mouvement d'horlogerie du contact des secondes. Par conséquent, après le diviseur de fréquence (donnant un courant avec une fréquence de 1000 Hz), un amplificateur a été allumé, donnant plusieurs watts de puissance aux enroulements du moteur. En termes de stabilité, les horloges à quartz sont supérieures à toutes les horloges à pendule existantes. La fluctuation quotidienne moyenne de leur course est de deux dix millièmes de seconde. La création d'horloges ultra-précises est une réalisation exceptionnelle de la science moderne. De nombreuses institutions scientifiques ont déjà acquis des horloges à quartz. A Moscou, à l'Institut central de recherche en géodésie, photographie aérienne et cartographie, la première horloge domestique à quartz construite par PS Popov mesure inlassablement les secondes. L'Institut des mesures radio, l'Institut astronomique de Sternberg et d'autres instituts et observatoires ont des horloges à quartz. Les adeptes de la nouvelle façon de mesurer le temps affirment que les horloges à quartz remplaceront bientôt complètement les horloges à pendule et deviendront les seules gardiennes du temps. Il y a aussi des sceptiques qui contestent ces affirmations. Sans nier les avantages évidents des montres à quartz, ils pointent également leurs inconvénients. Nous avons déjà parlé des avantages des montres à quartz ; c'est leur précision et leur constance inégalées bien sûr, leur indépendance vis-à-vis de presque tous les facteurs externes. Quels sont leurs défauts ? Les astronomes exigent que l'horloge qu'ils utilisent pour mesurer le temps puisse fonctionner sans interruption pendant deux, trois ans ou plus. Les montres à quartz répondent-elles à cette exigence ? Pas assez. Rappelons qu'ils sont alimentés par le courant du réseau électrique. La station cessera de fournir du courant et l'horloge s'arrêtera. Mais cela ne se produira pas si la montre est alimentée non pas par le réseau, mais par des piles. - C'est vrai, - les sceptiques sont d'accord. - Et qu'en est-il du vieillissement du quartz, avec l'usure des tubes radio ? En effet, le quartz vieillit avec le temps, et la fréquence de ses oscillations change. Vous ne pouvez pas garantir qu'une lampe ne tombera pas en panne soudainement. Cependant, les amateurs de quartz ne craignent pas un tel accident. Ils installent dans leurs laboratoires non pas une horloge, mais trois, fonctionnant de manière synchrone. Peu importe si l'un d'eux s'arrête. Jusqu'à ce qu'ils soient réparés, les deux autres garderont le temps. La dispute perdure, mais en attendant, des dizaines de montres à quartz servent régulièrement la science. Aujourd'hui, leur précision satisfait les scientifiques menant les recherches les plus délicates. Et que se passera-t-il demain ? Sera-t-il possible de trouver un nouvel étalon de temps, encore plus précis ? Peut-être que la base d'un tel standard sera les molécules, ou plutôt la fréquence de leurs vibrations. Les scientifiques soviétiques travaillent déjà dans cette direction. Auteur : A. Brodsky
▪ Machine à mouvement perpétuel sur pergélisol ▪ Moteur électrique à partir de trombones
Machine pour éclaircir les fleurs dans les jardins
02.05.2024 Microscope infrarouge avancé
02.05.2024 Piège à air pour insectes
01.05.2024
▪ L'affichage LED avertira le conducteur de l'apparition d'un piéton ▪ Le verre dans les cosmétiques ▪ Création de moustiques antipaludéens ▪ Cerveau dans un tube à essai
▪ section du site Microcontrôleurs. Sélection d'articles ▪ Article Les faits ont l'air d'un scientifique. Expression populaire ▪ article Où et quand l'état de Bizonia a-t-il existé? Réponse détaillée ▪ article Concevoir des motos. Transport personnel ▪ article Chargeur intelligent. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Page principale | bibliothèque | Articles | Plan du site | Avis sur le site
www.diagramme.com.ua |
Nous recommandons des articles intéressants section 
Voir d'autres articles section 
Dernières nouvelles de la science et de la technologie, nouvelle électronique :
Toutes les langues de cette page