איך עובד שעון קוורץ: הסוד שמאחורי הדיוק של השעון הדיגיטלי

שעוני קוורץ הם מההמצאות החשובות ביותר בעידן המודרני. למרות שמדובר במוצר זול ופשוט יחסית, הטכנולוגיה שבתוכו מבוססת על עקרונות פיזיקליים מרתקים שאפשרו פיתוח מערכות כמו GPS ורשתות התקשורת הגלובליות.

שעון קוורץ |קרדיט תמונה © Alex Azabache.

הלב של השעון: גביש קוורץ זעיר

בתוך שעון קוורץ נמצא רכיב קטן מאוד – גביש קוורץ בצורת מזלג זעיר. הרכיב הזה רוטט בתדירות קבועה במיוחד.
בשעונים דיגיטליים רבים התדירות היא:32,768 רטיטות בשנייה. התדירות הקבועה הזו היא הבסיס למדידת זמן מדויקת.

עקרון בסיסי בן מאות שנים

למרות שהשעון דיגיטלי, העיקרון שלו דומה מאוד לזה של שעוני המטוטלת מהמאה ה-17. בשני המקרים משתמשים בתופעה שנקראת: תנועה תהודתית (Resonance). כאשר גוף מתנדנד או רוטט במחזור קבוע, ניתן להשתמש בתנועה הזו כדי למדוד זמן.

דוגמאות לתנועה כזו:

• מטוטלת של שעון קיר
• מזלג כיוון מוזיקלי
• גביש קוורץ.

מזלג כיוון: הדוגמה הקלאסית

מזלג כיוון (Tuning Fork) הוא כלי מתכתי שמפיק צליל כאשר מכים בו. לדוגמה – מזלג שמפיק את הצליל A רוטט 440 פעמים בשנייה. אם מסתכלים על המזלג בהילוך איטי, ניתן לראות את הזרועות שלו נעות קדימה ואחורה במחזור קבוע – בדיוק כמו מטוטלת. העקרון הזה משמש גם בשעוני קוורץ, רק בקנה מידה זעיר בהרבה.

האפקט הפיאזואלקטרי: איך גורמים לקוורץ לרטוט

אי אפשר להכות בגביש הקוורץ הזעיר בתוך השעון עם פטיש. לכן משתמשים בתופעה פיזיקלית שנקראת 'האפקט הפיאזואלקטרי'.

המשמעות של האפקט הזה:

• כאשר לוחצים או מעוותים גביש, הוא מייצר זרם חשמלי.
• כאשר מפעילים עליו מתח חשמלי, הוא מתעוות.

בשעון קוורץ:

• הסוללה שולחת מתח לגביש הקוורץ.
• הגביש מתחיל לרטוט.
• המעגל האלקטרוני מודד את הרטיטות.

כך ניתן להשתמש ברטיטות הקבועות כדי למדוד זמן.

למה קוורץ מושלם לשעונים?

גביש קוורץ מתאים במיוחד לשעונים בגלל כמה תכונות חשובות:

• קשיות פיזית גבוהה
• יציבות מכנית
• יציבות כימית

בזכות התכונות האלה, שעון קוורץ יכול לפעול כמעט בכל מקום על פני כדור הארץ, מלבד בתנאים קיצוניים מאוד.

הדיוק המדהים של גביש הקוורץ

בייצור שעונים, על המהנדסים להגיע לדיוק מדהים. גביש הקוורץ חייב לרטוט: 32,768 פעמים בשנייה ± סטייה של כשני חלקים למיליון בלבד. סטייה קטנה מאוד בתדירות יכולה לגרום לכך שהשעון יטעה ביותר מדקה אחת בשנה.

איך מכוונים את גביש הקוורץ

בתהליך הייצור מוסיפים משקעי זהב קטנים בקצות מזלג הקוורץ. הזהב גורם לכך שתדירות הרטט תהיה מעט נמוכה מדי.

לאחר מכן מתבצע כיוון מדויק:

• לייזר מסיר חלקיקים זעירים מהזהב
• כל הסרה מעלה מעט את התדירות
• התהליך נמשך עד שמגיעים לתדירות המדויקת.

פלא הנדסי במחיר זול

למרות רמת הדיוק והטכנולוגיה הגבוהה המעורבת בייצורם, שעוני קוורץ נמכרים במחירים נמוכים מאוד. זה הופך אותם לאחד ההישגים המרשימים של ההנדסה המודרנית: מכשיר מדויק במיוחד שמיוצר במיליוני יחידות במחיר נגיש.

צפו בסרטון מערוץ היוטיוב © engineerguy של ביל האמאק (Bill Hammack). פרופסור באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין. מגזין Make תיאר את ביל כמתעד מדע וטכנולוגיה מבריק וציין שסרטיו הקצרים "צריכים להישמר כמודלים של איך להציג מידע טכני מורכב באופן ויזואלי".

לסרטוני 'איך זה פועל' נוספים לַחֲצוּ על הקישור הזה 

ב-Zemaze אנחנו משלימים לכם את הפערים בזווית ייחודית. המגזין שלנו מחבר בין אסטרטגיה ללייף סטייל. אנחנו מנתחים לעומק טכנולוגיה, AI וגאופוליטיקה, ומפרסמים סקירות רכב ומדריכי טיולים שבחרנו עבורכם בקפידה. הצטרפו אלינו כדי להבין את המגמות העולמיות מבלי לוותר על הדברים הקטנים של החיים. אתם במקום הנכון.

כדי להישאר מעודכנים בתכנים חדשים הצטרפו לדף הפייסבוק שלנו