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LABORATÓRIO CIENTÍFICO INFANTIL
Relógio de quartzo. Laboratório de Ciências para Crianças
Diretório / Laboratório de Ciências para Crianças Que horas são? Estamos acostumados a encontrar a resposta para essa pergunta olhando para o relógio; manual, bolso, mesa, parede, rua, torre. Você pode verificar a hora por telefone e rádio. As estações de radiodifusão na União Soviética transmitem sinais de tempo precisos quatro vezes ao dia. Como nossos ancestrais controlavam o tempo? Cinco mil anos atrás, as pessoas usavam para isso o Relógio do Sol - um poste comum, instalado verticalmente e lançando uma sombra de diferentes comprimentos e direções em diferentes horários do dia. Mais tarde, o tempo foi medido usando água e ampulhetas. A precisão desses instrumentos primitivos era, obviamente, muito aproximada. No século XNUMX dC, a invenção dos relógios de torre mecânicos remonta e, quinhentos anos depois, surgiram os primeiros relógios de mola. Porém, eles não diferiam em grande precisão, já que o controlador de velocidade - o balanceador - flutuava de forma desigual com eles. Essa deficiência foi eliminada quando se descobriu a propriedade de um pêndulo livremente suspenso de manter constante o período de suas oscilações. Ao conectar o pêndulo ao relógio, obtivemos um dispositivo para medir o tempo com precisão suficiente. A melhoria construtiva contínua dos relógios de pêndulo os tornou um medidor de tempo confiável. Consumidores exigentes Mas a ciência e a tecnologia não param. Simultaneamente ao seu desenvolvimento, os requisitos para a precisão da determinação do tempo aumentaram. Preciso de uma segunda vez deixou de satisfazer muitos de seus "consumidores". Eles queriam saber o tempo até os centésimos, milésimos e até dez milésimos de segundo mais próximos. Estes não eram apenas astrônomos estudando o movimento dos corpos celestes. Os navegadores de navios e aeronaves exigiam o tempo mais preciso para a orientação correta no mar e no ar, topógrafos e agrimensores que faziam o levantamento da área. Para estabelecer onde eles estão no globo, eles tiveram que determinar a latitude geográfica - a distância do equador - e a longitude - o ângulo entre o plano do meridiano de um determinado local e o plano do meridiano zero. Para determinar corretamente a longitude, é necessário saber a hora local e a hora no meridiano zero com a máxima precisão, pois a longitude é calculada a partir da diferença entre esses dois valores. Que seja determinado pelas estrelas que são 23 horas e 30 minutos em um determinado momento em um determinado local. O relógio, ajustado para a hora do meridiano zero e verificado pelo rádio, mostra 21 horas e 30 minutos. A diferença é de duas horas. Sabe-se que a Terra por dia faz uma revolução de oeste para leste em torno de seu eixo, ou seja, gira 360 °, e em uma hora - 360:24 = 15 °. Em duas horas, fará 30°. Portanto, o observador está a 30° de longitude leste. A hora exata também deve ser conhecida por geólogos e gravimetristas que estudam as mudanças de gravidade em vários pontos da superfície terrestre, o que é de grande importância para a exploração de minerais. relógio celestial Como é determinado o tempo exato que desempenha um papel tão importante na vida das pessoas? Com que relógios ultraprecisos os cientistas verificam seus relógios? Estes maravilhosos relógios são criados pela própria natureza. Seu mostrador é o céu noturno e os números de horas, minutos e segundos são as estrelas. Com estrita constância seguem seu caminho eterno no firmamento. Invariavelmente, exatamente no momento determinado pelos astrônomos, cada estrela atinge sua posição mais alta e cruza o meridiano celeste. Basta captar esse momento para descobrir o momento perfeito. Para lidar com essa tarefa, os astrônomos são ajudados pela "mão" do relógio celeste - um tubo astronômico especial chamado instrumento de trânsito. Girando simultaneamente com a Terra, o instrumento de trânsito é sempre direcionado ao longo do meridiano, indicado no campo de visão do instrumento por um fino fio vertical. Ao notar a passagem de uma estrela por esse filamento, o astrônomo calcula quanto deve corrigir seu relógio. Todas as noites, astrônomos de todos os observatórios do mundo sentam-se nos instrumentos de passagem. Mas o clima nem sempre é propício para observações. Eles precisam de um céu claro e, por exemplo, em Moscou há apenas cerca de 90 noites sem nuvens por ano, na ensolarada Tashkent - cerca de 250. Freqüentemente, o céu fica coberto de nuvens por um mês inteiro seguido, e às vezes até mais. Era necessário encontrar uma maneira de definir o tempo exato durante essas pausas forçadas de uma observação astronômica para outra. Então havia um problema de "armazenamento" de tempo. A resolução desse complexo problema foi facilitada pela criação de relógios astronômicos de alta precisão. dois pêndulos A parte principal e mais importante do relógio astronômico é o pêndulo. Está claro. Afinal, a principal vantagem do relógio está na uniformidade e constância de seu andamento. Mas o relógio só pode andar uniformemente se o comprimento do pêndulo sempre permanecer estritamente constante e a amplitude de suas oscilações permanecer inalterada. O que pode influenciar esses valores? Em primeiro lugar, mudanças na temperatura e na pressão do ar. Segue-se que o pêndulo deve ser feito de um material que seja menos afetado pelas mudanças de temperatura. O Invar acabou sendo esse material - uma liga composta por 36% de níquel e 64% de aço e com um coeficiente de expansão linear 10 a 12 vezes menor que o aço. Um pêndulo foi feito de Invar. Os projetistas de relógios astronômicos também tomaram outras precauções. Eles colocaram o relógio em um porão onde a temperatura muda pouco e o encerraram em um cilindro de cobre hermeticamente fechado com uma tampa de vidro. O ar é quase completamente bombeado para fora do cilindro e a pressão atmosférica nele é constantemente mantida na faixa de 20 a 25 mm de mercúrio. O relógio foi instalado em uma fundação especial isolada do prédio. Portanto, eles não são muito sensíveis às vibrações do edifício em que estão localizados. Eles também tiveram o cuidado de liberar o pêndulo de qualquer carga mecânica, mesmo a mais leve. Esta é a ideia principal dos relógios astronômicos de alta precisão. O pêndulo de oscilação livre, que descrevemos, não está conectado a nenhum mecanismo de transmissão e indicação de tempo. É chamado de pêndulo "livre". Sua missão é limitada. Ele mede apenas o tempo, e todo o trabalho mecânico "preto" é atribuído a outro pêndulo auxiliar. O pêndulo livre recebe impulsos oscilantes a cada 30 segundos. Eles são enviados a ele por fios por um pêndulo auxiliar. Com a ajuda de dispositivos elétricos especiais, o pêndulo livre, por assim dizer, comanda o pêndulo auxiliar, forçando-o a oscilar estritamente em sincronia consigo mesmo. O pêndulo auxiliar opera um mecanismo de transmissão que move os ponteiros no mostrador. Este segundo relógio, conectado por fios elétricos ao primeiro, pode ser instalado em qualquer lugar, a qualquer distância do pêndulo principal - o verdadeiro guardião do tempo. Todos os observatórios astronômicos e institutos metrológicos do mundo agora usam relógios com dois pêndulos em seu trabalho. A precisão desses relógios é extremamente alta: seu curso, sendo ajustado, varia dia a dia em não mais que 0,003 segundos. Tal precisão parece fabulosa, porém não é suficiente para a ciência moderna, pois um erro de até alguns milésimos de segundo impede o estudo de certos fenômenos que interessam a astrônomos, metrologistas e geofísicos. Propriedade milagrosa dos cristais Onde procurar uma saída? A mecânica parecia ter esgotado todas as suas possibilidades e chegado ao limite: uma melhoria adicional do relógio de pêndulo parecia impensável. E então eletricistas e engenheiros de rádio começaram a projetar relógios astronômicos. O pêndulo sobreviveu ao seu tempo, eles argumentaram. Mesmo colocado em condições ideais, o pêndulo não é capaz de atender às crescentes demandas dos cientistas. Isso significa que é necessário substituí-lo por outro regulador que forneça oscilações de frequência constante. Em busca de tal regulador, eles se lembraram do quartzo. Cristal de quartzo e seus eixos
Em 1880, foi descoberta uma propriedade notável de alguns cristais, mais pronunciada no quartzo. O quartzo é geralmente encontrado na forma de cristais hexaédricos com extremidades piramidais pontiagudas (Fig. 1a). A linha zz representa o eixo óptico do cristal. Se o cristal for cortado perpendicularmente ao eixo óptico, obtém-se um hexágono, cujos ângulos são todos iguais a 120° (Fig. 1b). As linhas xx, x1x1 X2X2 que passam pelas bissetrizes desses ângulos denotam os eixos elétricos, as linhas yy, Y1Y1, Y2Y2 - os eixos mecânicos do cristal. Descobriu-se que, se uma placa é cortada de um cristal de quartzo, cujas superfícies são perpendiculares a um de seus eixos elétricos, quando a placa é comprimida ou esticada mecanicamente, surgem cargas elétricas em suas superfícies. Esse fenômeno é chamado de efeito piezoelétrico direto (a antiga palavra grega "piezo" significa: eu pressiono, aperto). O efeito piezoelétrico reverso é expresso na deformação de uma placa de quartzo colocada em um campo elétrico. Radioamadores de ondas curtas estão bem cientes dessa propriedade do quartzo. Eles sabem que a placa de quartzo tem a capacidade de manter a frequência do oscilador constante. Os estabilizadores de quartzo são amplamente utilizados em estações de rádio. Foi essa capacidade estabilizadora do quartzo que os criadores do novo cronometrista decidiram usar. Relógio de quartzo Designers de relógios de quartzo recortam uma barra retangular de cristal com seção de 7x7 mm e comprimento de cerca de 60 mm. Em duas superfícies opostas da barra, aplicaram a camada mais fina de ouro. O resultado foi um capacitor, cujo dielétrico é uma barra e as placas são duas camadas de metal. A função desse dispositivo nos relógios de quartzo é a mesma do pêndulo nos relógios comuns: é um regulador. E um regulador no qual você pode confiar completamente. Cristal de quartzo no circuito de ajuste de frequência de um triodo
Em seguida, o quartzo foi incluído no circuito do gerador da lâmpada. O cristal foi colocado em um circuito de grade - cátodo da lâmpada do gerador - triodo (Fig. 2). Em paralelo, uma grande resistência foi instalada. Um circuito oscilante consistindo de um indutor e um capacitor foi incluído no circuito do ânodo do circuito. Isso é necessário para que, devido à conexão através da capacitância do ânodo - grade da lâmpada, sejam criadas condições para manter as oscilações não amortecidas. O circuito foi sintonizado para que sua frequência natural fosse maior que a frequência de oscilação da barra de quartzo. Este é, em termos gerais, o dispositivo de um oscilador de quartzo - a parte principal de um relógio de quartzo. Sua precisão depende diretamente da estabilidade da frequência do oscilador. A constância das oscilações naturais do quartzo é muito alta. Não é afetado por mudanças na força da gravidade ou vibrações sísmicas da crosta terrestre. No entanto, é sensível a flutuações de temperatura e pressão atmosférica. Para manter a temperatura do quartzo constante, os projetistas tomaram medidas especiais. Eles colocaram o oscilador de cristal em um termostato com paredes multicamadas, dentro das quais uma temperatura constante é mantida com precisão de um centésimo de grau. Esta constância de temperatura é conseguida pelo aquecimento elétrico do termostato, controlado por um termômetro de contato de mercúrio. Isso garante que a frequência seja armazenada com uma precisão de cerca de 1*10-8. O próprio quartzo foi colocado em um recipiente hermético no qual um vácuo foi criado. Oscilador de quartzo com divisores de frequência
Os projetistas usinaram um bloco de tal forma e tamanho a partir de um cristal de quartzo que sua frequência natural era de 100 kHz. Mas a corrente dessa frequência não é adequada para a rotação do motor que aciona o relógio. Tive que criar vários dispositivos intermediários mostrados no diagrama de blocos (Fig. 3). Aqui, a eletrônica ajudou muito os designers. Vários circuitos geradores eletrônicos têm a capacidade de sincronizar com a frequência de outro gerador se for um múltiplo do número de vezes maior ou menor que a frequência natural do gerador sincronizado, ou próximo o suficiente para tal valor múltiplo. Os designers de relógios de quartzo aproveitaram a capacidade de circuitos como o multivibrador ou o oscilador de bloqueio para sincronizar com frequências mais altas do que as suas. Tal oscilador sincronizado de alta frequência é comumente chamado de divisor de frequência. A frequência mais alta de corrente que pode acionar um motor síncrono é de cerca de 1000 Hz. No entanto, um divisor de frequência com uma razão de divisão de 1:100 é muito instável. Portanto, para obter uma frequência de 1000 Hz, síncrona com uma frequência de quartzo de 100 kHz, foi necessário instalar vários divisores com proporções de 1:4 e 1:5, sincronizando-se em série. Os geradores usados como divisores de frequência possuem um grande número de harmônicos. Era necessário evitar a penetração de oscilações prejudiciais de alta frequência no circuito do oscilador de cristal, onde poderiam causar deterioração da estabilidade. Para evitar que isso aconteça, um amplificador buffer foi conectado entre o oscilador de quartzo e o primeiro divisor de frequência, que opera sem correntes de rede. Este modo ajuda a reduzir a carga do oscilador de cristal e aumentar a estabilidade de sua operação. Em circuitos divisores de frequência, geralmente são utilizadas lâmpadas de baixa potência. A corrente que eles fornecem é muito fraca para girar o motor síncrono que aciona o relógio de contato dos segundos. Portanto, após o divisor de frequência (fornecendo uma corrente com frequência de 1000 Hz), um amplificador foi ligado, fornecendo vários watts de potência aos enrolamentos do motor. Em termos de estabilidade, os relógios de quartzo são superiores a todos os relógios de pêndulo existentes. A flutuação média diária de seu curso é de dois décimos de milésimo de segundo. A criação de relógios ultraprecisos é uma conquista notável da ciência moderna. Muitas instituições científicas já adquiriram relógios de quartzo. Em Moscou, no Instituto Central de Pesquisa de Geodésia, Fotografia Aérea e Cartografia, o primeiro relógio de quartzo doméstico construído por PS Popov marca incansavelmente os segundos. O Institute of Radio Measurements, o Sternberg Astronomical Institute e outros institutos e observatórios possuem relógios de quartzo. Os entusiastas da nova forma de medir o tempo afirmam que os relógios de quartzo em breve substituirão completamente os relógios de pêndulo e se tornarão os únicos guardiões do tempo. Há também céticos que contestam tais afirmações. Sem negar as óbvias vantagens dos relógios de quartzo, eles também apontam suas desvantagens. Já falamos sobre as vantagens dos relógios de quartzo; esta é sua precisão e constância insuperáveis, é claro, independência de quase todos os fatores externos. Quais são suas deficiências? Os astrônomos exigem que o relógio que usam para medir o tempo funcione sem parar por dois, três anos ou mais. Os relógios de quartzo atendem a esse requisito? Não exatamente. Lembre-se de que eles são alimentados por corrente da rede elétrica. A estação deixará de fornecer corrente e o relógio parará. Mas isso não acontecerá se o relógio for alimentado não pela rede, mas pelas baterias. - Isso mesmo - concordam os céticos. - E o envelhecimento do quartzo, com o desgaste das válvulas de rádio? De fato, o quartzo envelhece com o tempo e a frequência de suas oscilações muda. Você não pode garantir que qualquer lâmpada não irá falhar repentinamente. No entanto, os entusiastas do quartzo não têm medo de tal acidente. Eles instalam em seus laboratórios não um relógio, mas três, trabalhando sincronizadamente. Não importa se um deles parar. Até que sejam reparados, os outros dois manterão o tempo. A disputa continua, mas, enquanto isso, dezenas de relógios de quartzo servem regularmente à ciência. Hoje, sua precisão satisfaz os cientistas que realizam as pesquisas mais delicadas. E o que acontecerá amanhã? Será possível encontrar um novo padrão de tempo, ainda mais preciso? Talvez a base de tal padrão sejam as moléculas, ou melhor, a frequência de suas vibrações. Cientistas soviéticos já estão trabalhando nessa direção. Autor: A. Brodsky
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