Журнал часовой бизнес №4-2014

Механизмы |
Рынок
Иллюстрация опыта братьев Кюри, в
результате которого был открыт прямой
пьезоэффект
Волшебные кристаллы
Начать наше повествование о кварцевых
часах следует с 1880 года, когда
братья Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектрический
эффект. Французские
исследователи заметили, что при изменении
размеров кристалла турмалина
на его гранях возникали противоположные
по знаку электрические заряды,
то есть напряжение. Через год они
же доказали существование обратного
эффекта: оказалось, что электрическое
поле заставляет некоторые кристаллы
деформироваться. Если бы Кюри задумались
об использовании подобных
эффектов в часах, они наверняка получили
бы Нобелевскую премию за создание
сверхточного измерителя времени.
Пьер Кюри ее в итоге получил, правда,
за исследования в области радиации –
о кварцевых часах тогда никто не думал.
В часовой индустрии пьезоэффект
нашел применение лишь спустя
много лет, после открытия уникальных
свойств кварца. Этот минерал давно
был известен своей твердостью, почти
равной рубину и сапфиру, хорошей
физической и химической стойкостью.
Часовщиков же в нем привлекло другое:
наличие прямого и обратного пьезоэффекта
и малое внутреннее трение.
Благодаря этому, прилагая к кристаллу
кварца ток, легко вызвать его колебания.
Причем резонансная частота
определяется физическими параметрами
кристалла – его размерами и
формой. Это означает, что кварц можно
использовать в качестве осциллятора,
задающего периоды времени, каковым
в механических часах являются
баланс или маятник. Единственным
недостатком кварца является зависимость
частоты от температуры, но с ней
научились бороться.
Исследовательские работы по
использованию пьезоэффекта кварца
в технике в качестве эталона частоты
и времени были начаты в 1921 г. американским
ученым Кеди, однако лишь в
1927-1930 гг. В.А. Моррисону, сотруднику
Bell Labs (США), впервые удалось применить
высокочастотные колебания кварца
для создания часов. С этой целью из
кристалла кварца был вырезан кусок в
форме кольца, чтобы изменения частоты
его колебаний с изменением температуры
были как можно меньше. Кольцо было
установлено в специальной камере, расположенной
под герметичным колпаком.
За счет этого в камере поддерживалось
постоянное атмосферное давление, а
отклонения температуры внутри нее допускались
в пределах не более ±0,01° С.
Параметры кристалла были подобраны
так, что частота резонанса составляла
100 кГц. Первыми удачными опытами
интеграции кварцевого осциллятора в
часовой механизм отметились интерьерные
модели. И дело тут было не в их
предназначении для дома: носить на руке
изделие весом в не один десяток килограмм
было невозможно.
Посмотрев на успехи американцев,
вернуть себе титул главной часовой державы
решили англичане: исследования
Дайя и Эссена, проведенные в Англии в
Национальной физической лаборатории,
имели исключительное значение для
дальнейшего усовершенствования конструкции
кварцевых часов. Англичане
также взяли осциллятор, вырезанный из
кристаллического кварца в виде кольца,
и в 1934 г. создали на его базе
весьма совершенные кварцевые часы Z.
В том же году они были применены в
Гринвичской обсерватории в качестве
эталона частоты и времени вместо маятниковых
часов Шорта.
Основные принципы использования
кварца были понятны, начались работы
по миниатюризации. На Швейцарской
выставке образцов 1960 г. впервые
экспонировались малогабаритные
кварцевые часы швейцарской фирмы
Patek Philippe. Они имели объем «всего»
830 см 3 , включая батарею питания.
Габариты часов составляли 134х94х66
мм, а вес 3,5 кг. В диапазоне температур
4-36 С° они обеспечивали точность
порядка 10 -6 (±0,1 сек. в сутки), аккумуляторная
батарея обеспечивала 70 часов
работы без подзарядки.
На фоне европейских разработок
часто уходят из поля внимания достижения
советских ученых, которые в то же
самое время вели работы по оптимизации
габаритов часов с кварцевыми
осцилляторами. В 1960 году профессор
А.Ф. Плонский вместе с бывшим главным
инженером Челябинского часового
завода Б.И. Шишковым получили авторское
свидетельство на первые в мире
кварцевые часы с шаговым двигателем.
До этого кварцевые часы приводились
в действие синхронными электродвигателями
и поэтому были громоздкими.
Советские миниатюрные кварцевые часы с шаговым реле были
зарегистрированы еще в 1960 году
4/14 ЧАСОВОЙ БИЗНЕС 35