|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese|
石英表。 儿童科学实验室
几点了？ 我们习惯于通过看时钟来寻找这个问题的答案； 手持式、袖珍式、桌面式、墙壁式、街道式、塔式。 您可以通过电话和收音机了解时间。 苏联的广播电台每天发送四次时间信号。 我们的祖先是如何记录时间的？ 五千年前，人们为此使用了日晷——一根垂直安装的普通杆子，在一天中的不同时间投射出不同长度和方向的阴影。 后来，人们开始用水和沙漏来测量时间。 当然，这些原始仪器的精确度是非常近似的。 机械塔钟的发明可以追溯到公元XNUMX世纪，五百年后第一批弹簧钟出现。 然而，它们并不是很准确，因为速度控制器（平衡器）波动不均匀。 当自由悬挂的摆保持恒定振荡周期的特性被发现后，这个缺点就被消除了。 通过将钟摆连接到时钟机构，我们获得了一种具有足够精度的测量时间的装置。 摆钟的不断设计改进使其成为可靠的计时器。 苛刻的消费者 但科学技术并没有停滞不前。 随着它们的发展，对时间测定精度的要求也随之提高。 精确到一秒的时间已经不能满足许多“消费者”的要求。 他们想要知道精确到百分之一、千分之一秒、甚至是万分之一秒的时间。 这些不仅仅是研究天体运动的天文学家。 船舶和飞机的导航员在海上和空中正确定位、地形学家和测量员对该地区进行测量都需要最准确的时间。 为了确定他们在地球上的位置，他们必须确定地理纬度（距赤道的距离）和经度（给定地点的子午线平面与本初子午线平面之间的角度）。 为了正确确定经度，必须极其准确地知道当地时间和本初子午线时间，因为经度是根据这两个值的差计算出来的。 让我们根据星星确定某一特定地点此时的时间为 23 小时 30 分钟。 时钟根据本初子午线时间设置并经无线电验证，显示 21 小时 30 分钟。 时差是两个小时。 我们知道，地球一天自西向东绕地轴公转一圈，即自转360°，一小时内自转360:24=15°。 两小时后它将旋转 30°。 因此，观测者位于东经30°。 研究地球表面各点重力变化的地质学家和重力学家也需要知道确切的时间，这对于矿产勘探非常重要。 天钟 在人们的生活中起着如此重要作用的精确时间是如何确定的？ 科学家将手表读数与哪些超精密手表进行比较？ 这款美妙的腕表是大自然本身创造的。 它们的表盘是夜空，星星是指示时、分、秒的数字。 他们以严格的坚定不移地遵循着天空中永恒的道路。 总是在天文学家精确确定的时刻，每颗恒星都会达到其最高位置并穿过天子午线。 只要抓住这一刻，找出完美准确的时间就足够了。 天体钟的“指针”帮助天文学家应对这项任务——一种称为通道仪的特殊天文管。 与地球同时旋转，通道仪器始终沿着子午线定向，在仪器的视野中通过细垂直线指示。 天文学家注意到一颗恒星穿过这条细丝后，就会计算出他应该对手表的读数进行怎样的修正。 每天晚上，来自世界各地天文台的天文学家坐在他们的仪器前。 但天气并不总是有利于观测。 他们需要晴朗的天空，例如，在莫斯科，一年只有大约 90 个无云的夜晚，而在阳光明媚的塔什干，大约有 250 个。天空常常连续整个月都是阴天，有时甚至更长。 即使在从一次天文观测到另一次天文观测的被迫中断期间，也有必要找到一种方法来设定准确的时间。 于是，“储存”时间的问题就出现了。 高精度天文钟的诞生促进了这一复杂问题的解决。 两个钟摆 天文钟的主要和最重要的部分是摆锤。 天气晴朗。 毕竟，手表的主要优点是其机芯的均匀性和一致性。 但只有当摆的长度始终保持严格恒定且摆动幅度保持不变时，时钟才能平稳运行。 什么可以影响这些价值观？ 首先，温度和气压的变化。 由此可见，摆锤应该由受温度变化影响最小的材料制成。 这种材料原来是因瓦合金——一种由 36% 镍和 64% 钢组成的合金，其线性膨胀系数比钢小 10-12 倍。 摆锤由殷钢制成。 天文钟的设计者还采取了其他预防措施。 他们将时钟放置在温度变化不大的地下室中，并将其封闭在带有玻璃盖的密封铜圆筒中。 空气几乎完全被抽出气缸，其内的大气压始终保持在20-25毫米汞柱以内。 时钟安装在与建筑物隔离的特殊基础上。 因此，它们对所在建筑物的振动不太敏感。 他们还小心翼翼地使钟摆免受任何机械负载，即使是最轻微的机械负载。 这就是高精度天文钟的主要思想。 我们所描述的自由摆动的摆与任何传动或时间指示机构无关。 这就是所谓的“自由”摆。 他的任务是有限的。 它只测量时间，所有“黑色”机械工作都分配给另一个辅助摆。 自由摆每 30 秒接收一次摆动脉冲。 它们通过辅助摆通过电线发送给他。 在特殊电气装置的帮助下，自由摆指挥辅助摆，使其与其自身严格同步振荡。 辅助摆锤控制传动机构，使表盘上的指针移动。 第二个时钟通过电线与第一个时钟连接，可以安装在距主摆任意距离的任何地方——真正的时间守护者。 现在世界上所有的天文台和计量机构在工作中都使用带有两个摆的时钟。 此类手表的精确度极高：调整后，其日差每天的误差不超过 0,003 秒。 这样的精度似乎令人难以置信，然而，这对于现代科学来说还不够，因为即使是千分之几秒的误差也会阻碍对天文学家、计量学家和地球物理学家感兴趣的一些现象的研究。 水晶的神奇特性 到哪里去寻找出路呢？ 机械师似乎已经耗尽了他们所有的能力并达到了极限：摆钟的进一步改进似乎是不可想象的。 然后电工和无线电工程师开始建造天文钟。 他们认为，钟摆已经失去了它的用处。 即使放置在理想的条件下，钟摆也无法满足科学家日益增长的需求。 这意味着必须用另一个提供恒定频率振荡的调节器来代替它。 在寻找这样的调节器时，他们想起了石英。 石英晶体及其轴
1880 年，人们发现了某些晶体的显着特性，在石英中体现得最为明显。 石英通常以六方晶体的形式存在，其尖端呈金字塔形（图 1a）。 zz线代表晶体的光轴。 如果垂直于光轴横向切割晶体，就会得到一个六边形，其所有角度都等于 120°（图 1b）。 穿过这些角度平分线的线 xx、x1x1 X2X2 表示电轴，线 yy、U1U1、U2U2 - 晶体的机械轴。 事实证明，如果从石英晶体上切下一块板，其表面垂直于其电轴之一，那么当板被机械压缩或拉伸时，其表面就会产生电荷。 这种现象称为直接压电效应（古希腊语“piezo”的意思是：我按压，我挤压。）。 逆压电效应表现为放置在电场中的石英板的变形。 短波无线电爱好者非常了解石英的这一特性。 他们知道石英板能够保持振荡器的恒定频率。 石英稳定器广泛应用于广播电台。 新计时器的创造者决定利用石英的这种稳定能力。 石英表 石英表的设计师从一块水晶上切割出一个横截面为 7x7 毫米、长度约为 60 毫米的矩形块。 他们在金条的两个相对表面上涂上了一层薄薄的金。 结果是一个电容器，其电介质是条，极板是两层金属。 石英表中该装置的用途与普通手表中摆锤的用途相同：它是调节器。 以及您可以完全信赖的调节器。 三极管定频电路中的石英晶体
然后将石英纳入管振荡器电路中。 晶体被放置在栅极-阴极发生器管-三极管电路中（图2）。 同时安装了一个大电阻。 该电路的阳极电路包括由电感器和电容器组成的振荡电路。 这是必要的，因此，由于通过电容、阳极-灯的栅极的连接，为维持无阻尼振荡创造了条件。 对电路进行调谐，使其固有频率高于石英棒的振荡频率。 一般来说，这就是石英振荡器的结构 - 石英表的主要部分。 它们的精度直接取决于发电机频率的稳定性。 石英自身振动的稳定性非常高。 它不受重力变化或地壳地震振动的影响。 然而，它对温度和大气压力的波动很敏感。 为了确保石英的温度保持恒定，设计者采取了特殊措施。 他们将晶体振荡器放置在具有多层壁的恒温器中，恒温器内部以百分之一度的精度保持恒温。 这种恒定的温度是通过电加热恒温器来实现的，并由水银接触温度计控制。 这确保了频率保持的精度约为 1*10-8。 石英本身被封闭在一个产生真空的密封容器中。 带分频器的石英振荡器
设计者用石英晶体雕刻了一块，其形状和尺寸使其自然振动频率为 100 kHz。 但该频率的电流不适合驱动时钟机构的电机旋转。 有必要创建一系列中间设备，如框图所示（图 3）。 在这里，电子产品帮助了设计师很多。 如果另一个振荡器的频率是被同步的振荡器的固有频率的倍数，或者足够接近这样的倍数，则许多电子振荡器电路能够与另一个振荡器的频率同步。 石英时钟设计者利用多谐振荡器或阻塞振荡器等电路的能力来同步到高于其自身频率的频率。 这种同步的高频振荡器通常称为分频器。 可以驱动同步电机的最高电流频率约为 1000 Hz。 然而，分频比为1:100的分频器非常不稳定。 因此，为了获得1000Hz的频率，与100kHz的石英频率同步，需要安装一系列比例为1:4和1:5的分频器，彼此串联同步。 用作分频器的发电机具有大量谐波。 必须防止有害的高频振荡进入晶体振荡器电路，否则会导致稳定性恶化。 为了防止这种情况发生，在石英振荡器和第一个分频器之间连接了一个无栅极电流运行的缓冲放大器。 该模式有助于减轻石英振荡器的负载并提高其运行的稳定性。 分频电路通常使用小功率管。 它们提供的电流太弱，无法旋转驱动秒接触时钟机构的同步电机。 因此，在分频器（提供频率为1000赫兹的电流）之后，放大器被打开，向电机绕组提供几瓦的功率。 在稳定性方面，石英钟优于所有现有的摆钟。 他们的航向平均每日波动是万分之二秒。 超精密钟表的创造是现代科学的一项杰出成就。 许多科研机构已经购买了石英表。 在莫斯科的大地测量、航空摄影和制图中央研究所，由 P. S. Popov 制造的第一块国产石英表不知疲倦地测量秒数。 无线电测量研究所、斯滕伯格天文研究所等研究所和天文台都有石英钟。 新测量时间方法的爱好者声称，石英钟很快将完全取代摆钟，成为唯一的时间守护者。 也有怀疑论者对这种说法提出异议。 他们在不否认石英表明显优点的同时，也指出了其缺点。 我们已经讲过石英表的优点； 这就是它们无与伦比的运动准确性和一致性，几乎不受所有外部因素的影响。 他们的缺点是什么？ 天文学家要求测量时间的时钟能够连续运行两年、三年或更长时间。 石英表满足这个要求吗？ 不完全的。 让我们记住，它们是由来自电网的电流供电的。 该站将停止供电，时钟将停止。 但如果手表不是由市电而是由电池供电，则不会发生这种情况。 “没错，”怀疑论者同意。 - 石英的老化、无线电电子管的磨损怎么样？ 事实上，石英会随着时间的推移而老化，其振动频率也会发生变化。 您无法保证灯不会突然失效。 不过，石英爱好者并不害怕这样的意外。 他们在实验室里安装的不是一个时钟，而是三个同步工作的时钟。 即使其中一些人停下来也没关系。 在修复之前，另外两个将保持时间。 争论仍在继续，但与此同时，数十种石英手表很好地服务于科学。 如今，它们的准确性使进行最复杂研究的科学家感到满意。 明天会发生什么？ 是否有可能找到一个新的、甚至更准确的时间标准？ 也许这样的标准将基于分子，或更准确地说，基于分子的振动频率。 苏联科学家已经在朝这个方向努力。 作者：A.布罗茨基
▪ 永冻层上的永动机 ▪ 做一个湿度计
花园疏花机
02.05.2024 先进的红外显微镜
02.05.2024 昆虫空气捕捉器
01.05.2024
▪ 比风还快 ▪ 化妆品中的玻璃 ▪ 创造了抗疟蚊子 ▪ 试管中的大脑
▪ 文章 测量电感器、变压器或电感器磁芯饱和电流的方法。 无线电电子电气工程百科全书
www.diagram.com.ua |
我们推荐有趣的文章 部分 
查看其他文章 部分 
科技、新电子最新动态：
本页所有语言