世界上最早的石英钟 由美国科学家沃伦.马里森在1928年制造

世界上最早的石英钟 由美国科学家沃伦.马里森在1928年制造

石英钟是一种计时的器具,是它给我们指明时间。在日常生活中,时钟精准到1秒,就已经足够了。但在许多科学研究或工程技术的领域中对钟点的要求就要高得多。石英钟正是根据这种需要而产生的,其主要部件是一个产生稳定频率的石英振荡器。

世界上最早的石英钟

1880年,居里兄弟Jacques和Pierre Curie发现了石英晶体受到压力时,表面会产生电荷,电荷量和电压成正比的关系。这种现象为压电效应(Piezoelectricity)。具有压电效应的物体称为压电体。

在第一次世界大战时,Paul Langevin发现石英谐振器可应用在声纳上。1921年Walter Guyton Cady制造了第一个石英晶体振荡器。

1920年后,石英晶体的性能发展的更加稳定。在晶体发明之前,无线电台用调谐电路来控制频率,然而电路很容易漂移3~4khz。由于电台的频率间隔只有10khz,相邻的电台很容易发生信号干扰。1926年,石英晶体应用在广播电台,并深受无线电运营商的欢迎.

1928年,沃伦.马里森(Warren Marrison)制造了世界上最早的石英钟,石英钟从诞生开始就是精准的代名词,每天的误差也仅仅一两秒。

世界上最早的石英钟 由美国科学家沃伦.马里森在1928年制造

沃伦.马里森 Warren Marrison

石英钟原理

石英钟的核心是石英晶体——压电石英晶片,其工作原理是压电效应,即石英晶体在某些方向受到机械应力后,便会产生电偶极子;相反,若在石英某方向施以电压,则其特定方向上会产生形变,这一现象称为逆压电效应。若在石英晶体上施加交变电场,则晶体晶格将产生机械振动,当外加电场的频率和晶体的固有振荡频率一致时,则出现晶体的谐振。由于石英晶体在压力下产出的电场强度很小,这样仅需很弱的外加电场即可产生形变,这一特性使压电石英晶体很容易在外加交变电场激励下产生谐振。其振荡能量损耗小,振荡频率极稳定。这些再加上石英优良的机械、电气和化学稳定性,使它自40年代以来就成为石英钟、电子表、电话、电视、计算机等与数字电路有关的频率基准元件。

石英晶体具有一个有趣的特性,就是在一侧导入正电流,同时在另一侧导入负电流后,负电流一侧会收缩并弯曲成U字形。如果定时交替在石英晶体两侧导入正、负电流,石英晶体就会产生振荡。石英晶体就是根据这种振荡计时的,例如:电脑主板的石英晶体(14.31818MHz)每秒振荡14,318,180次。石英钟的工作原理就是如此,RTC实时时钟石英晶体谐振器(32.768KHz)每秒需要振荡32768次。具体来讲,如果晶体谐振器的精度为±10ppm,每天的误差就是0.864秒,而每个月时间误差为25.92秒,不到半分钟。

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