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Quarzuhr

Was macht der Quarz in einer Quarzuhr

Die Erfindung der Quarzuhr stellt einen Meilenstein in der Geschichte der Zeitmessung dar. Das Geheimnis dieses sehr präzisen Messgerätes sind die Schwingungseigenschaften eines gewöhnlichen Quarzes, des häufigsten Minerals der Erdkruste. Diesen Effekt machte sich bereits 1929 der amerikanische Uhrmacher A. Marrison bei der Erfindung der Quarzuhr zu Nutze.

Die physikalische Grundlage: Der piezoelektrische Effekt

Bei einer äußerlichen mechanischen Krafteinwirkung auf manchen Kristall, zum Beispiel bei einer Verformung, tritt durch eine Ladungsverschiebung im Kristallgitter des Kristalls eine elektrische Spannung auf. Diese ist an der Oberfläche des Kristalls nachweisbar. Dieses Phänomen wurde 1880 von dem französischen Physiker Pierre Curie (1859 – 1906) und seinen Brüdern entdeckt. Sie nannten das Phänomen piezoelektrischen Effekt.
Dieser piezoelektrische Effekt ist umkehrbar. Ein Kristall verformt sich also auch, wenn man ihn mit einem Mangetfeld umgibt. Der piezoelektrische Effekt ist allerdings nur bei Kristallen zu beobachten, die kein Symmetriezentrum besitzen. Zum Beispiel beim Quarz, Turmalin, Zinkblende und selbst bei Zuckerkristallen u.a..

Der Quarz als mineralischer Schrittmacher

Ein durch Wechselstrom erzeugtes, also ein in seiner elektrischen Polung ständig und sehr schnell wechselndes Magnetfeld bringt einen entsprechend zugeschnittenen Quarzkristall in Schwingung. Quarze sind wegen ihrer Häufigkeit in der Natur sehr kostengünstig und werden deshalb bevorzugt als Schwingkörper verwendet. Der Quarz wird dabei selbst zur Stromquelle und übt eine elektromagnetische Rückwirkung auf das durch Wechselstrom erzeugte Magnetfeld aus. Die daraus resultierende Schwingung des Quarzkristalls ist von erstaunlicher Genauigkeit und äußerst geringer Dämpfung. Solch einen Quarz nennt man Schwingquarz. Schwingquarze werden in Form kleiner Blättchen aus einem Quarzkristall herausgeschnitten. Die Frequenz, in der der Quarz schwingt, hängt von dessen Form und Größe ab. Für die Zeitmessung verwendet man allgemein Quarze, die in Standardschwingungszahl 32768 pro Sekunde schwingen. Die Zahl entspricht genau 215. Dies ist jedoch kein Zufall. Die Zahl wurde im binären Zahlensystem gewählt, um die Impulse möglichst unkompliziert digital verarbeiten zu können. Dadurch kann die hohe Anzahl der Impulse durch elektrische Schaltungen auf genau 1 Impuls pro Sekunde herunterreguliert werden. Also nur noch genau jede Sekunde wird dann ein elektrischer Impuls an einen kleinen Schrittmotor weitergegeben, der den Sekundenzeiger antreibt. Die elektrischen Impulse können auch mit einem digitalen Zähler gezählt werden und auf einer digitalen Anzeige angezeigt werden. Die Quarzuhr besitzt in diesem Fall keinerlei bewegliche Teile mehr.
Der Antriebsmechanismus einer Quarzuhr ist sehr empfindlich regulierbar. Deshalb geht eine Quarzuhr zwischen 1000 und 10000 mal genauer als eine gewöhnliche Uhr.

Antriebsenergie

Da die Anregung des Quarzes elekrische Energie benötigt, sind Quarzuhren mit einer Batterie oder einer Photozelle ausgestattet, anstatt mit einer Schwungfeder, wie bei einer gewöhnlichen Uhr. Die Entwicklung für die Zukunft führt sogar zu kleinen Brennstoffzellen, in denen Methanol verbrannt wird.

Schwingquarze finden in der modernen Technik vielerlei Anwendungsgebiete

Schwingquarze werden als Ultraschallsender genutzt. Hierbei werden die Schwingungen des Kristalls auf die Luft übertragen. Als Taktgeber in Oszillatorschaltungen ( Oszillator=elektronischer Schrittmacher, Schwingelement) werden Quarzoszillatoren in der Digital und Telekommunikationstechnik (in Sendern und Empfängern) eingesetzt. In der modernen Musik stellen sie den wichtigsten Grundbaustein zur digitalen Klangerzeugung in Keyboards und ähnlichem dar. Ein sehr große Rolle spielen Quarzoszillatoren auch in der Radar-, Sequenz- und Feinmesstechnik.