راز عدد ۳۲٬۷۶۸ در ساعت‌های کوارتز چیست؟
درون بسیاری از ساعت‌های مچی و دیواری قطعه‌ای کوچک از جنس کوارتز در هر ثانیه دقیقاً ۳۲٬۷۶۸ بار نوسان می‌کند؛ عددی که به دلیل سادگی مدار دیجیتال و مصرف کم باتری انتخاب شده است.
گالری تصویری
۳ تصویر
به گزارش عصر ایران، درون بسیاری از ساعت‌های مچی و دیواری، قطعه‌ای بسیار کوچک از جنس کوارتز وجود دارد که در هر ثانیه دقیقاً ۳۲٬۷۶۸ بار نوسان می‌کند. اگر ساعت کوارتز عقربه‌ای داشته باشید، احتمالاً دیده‌اید که عقربه ثانیه‌شمار آن در هر ثانیه یک بار جلو می‌رود، اما درون ساعت اتفاق بسیار سریع‌تری در جریان است: یک بلور کوچک با فرکانسی نزدیک به ۳۳ هزار بار در ثانیه می‌لرزد و مدار الکترونیکی ساعت این نوسان‌ها را می‌شمارد.
بر اساس اطلاعات مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST)، بیشتر ساعت‌های کوارتز از فرکانس ۳۲٬۷۶۸ هرتز استفاده می‌کنند. این عدد تصادفی نیست و به‌دلیل ساختار مدارهای دیجیتال انتخاب شده است.
اثر پیزوالکتریک و نوسان بلور
کوارتز نوعی ماده بلوری است که ویژگی جالبی به نام «اثر پیزوالکتریک» دارد. وقتی ولتاژ الکتریکی به آن اعمال می‌شود، شکلش به‌اندازه‌ای بسیار کوچک تغییر می‌کند. برعکس، تغییر شکل مکانیکی آن نیز می‌تواند سیگنال الکتریکی تولید کند.
سازندگان ساعت از همین خاصیت استفاده می‌کنند. آن‌ها بلور کوارتز را با ابعاد مشخص و معمولاً به‌شکل یک دیاپازون بسیار کوچک می‌سازند؛ قطعه‌ای شبیه چنگالی با دو شاخه که می‌تواند با فرکانسی مشخص نوسان کند.
مدار الکترونیکی با استفاده از انرژی باتری، نوسان این بلور را برقرار نگه می‌دارد. ازآنجاکه فرکانس طبیعی نوسان بلور نسبتاً پایدار است، می‌توان از آن به‌عنوان معیاری برای شمارش زمان استفاده کرد.
چرا دقیقاً ۳۲٬۷۶۸ هرتز؟
عدد ۳۲٬۷۶۸ برابر با دو به توان پانزده است. این ویژگی برای مدارهای دیجیتال اهمیت زیادی دارد؛ چون چنین مدارهایی می‌توانند فرکانس یک سیگنال را به‌سادگی نصف کنند.
وقتی بلور کوارتز در هر ثانیه ۳۲٬۷۶۸ بار نوسان می‌کند، مدار ساعت سیگنال آن را به یک تقسیم‌کننده فرکانس می‌فرستد. مدار پس از ۱۵ مرحله نصف‌کردن فرکانس، از ۳۲٬۷۶۸ هرتز به یک هرتز می‌رسد؛ یعنی سیگنالی که در هر ثانیه یک چرخه دارد.
در ساعت‌های عقربه‌ای معمولی، مدار از این سیگنال برای فرمان‌دادن به موتور پله‌ای استفاده می‌کند تا عقربه ثانیه‌شمار یک خانه جلو برود. ساعت‌های دیجیتال نیز از همین مبنای زمانی برای تغییر اعداد نمایشگر بهره می‌برند.
در راهنمای رسمی NIST درباره کالیبراسیون ساعت‌ها و زمان‌سنج‌ها توضیح داده شده است که فرکانس ۳۲٬۷۶۸ هرتز در ابتدا به این دلیل انتخاب شد که می‌توان آن را با یک مدار ساده ۱۵ مرحله‌ای به سیگنال یک‌باردرثانیه تبدیل کرد. این فرکانس در مقایسه با بلورهای پرفرکانس‌تر، مصرف باتری کمتری نیز دارد. بنابراین، ۳۲٬۷۶۸ هرتز انتخابی کاربردی میان سادگی مدار، مصرف انرژی و پایداری زمان‌سنجی است.
دقت ساعت‌های کوارتز و اثر دما
با وجود فرکانس بسیار منظم، ساعت‌های کوارتز کاملاً بی‌خطا نیستند. تغییر دما، ضربه و گذشت زمان می‌توانند فرکانس واقعی نوسان بلور را اندکی تغییر دهند. برای مثال، اگر فرکانس واقعی بلور به‌جای ۳۲٬۷۶۸ هرتز، برابر با ۳۲٬۷۶۷ هرتز باشد، ساعت تقریباً روزانه ۲٫۶۴ ثانیه عقب می‌ماند.
دما از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر دقت ساعت‌های کوارتز است. بلورهای به‌کاررفته در ساعت‌های مچی معمولاً طوری ساخته می‌شوند که نزدیک دمای بدن پایداری بیشتری داشته باشند؛ درحالی‌که زمان‌سنج‌های دیگر ممکن است برای دمای اتاق بهینه شده باشند.
فرسودگی تدریجی بلور نیز می‌تواند فرکانس آن را تغییر دهد، اما این تغییر معمولاً بسیار آهسته اتفاق می‌افتد. به همین دلیل، حتی ساعت‌های کوارتز ارزان‌قیمت هم می‌توانند در مدت طولانی زمان را با دقت قابل‌قبولی نشان دهند.
البته همه ساعت‌های کوارتز الزاماً با فرکانس ۳۲٬۷۶۸ هرتز کار نمی‌کنند. مدل‌های خاصی با فرکانس‌های متفاوت و مدارهای جبران خطا ساخته شده‌اند که هدفشان دستیابی به دقت بالاتر است. به این ترتیب، قطعه‌ای بسیار کوچک با مصرف انرژی ناچیز می‌تواند سال‌ها زمان را برای ما اندازه بگیرد.
منبع: www.asriran.com
رایزنی وزارت علوم برای افزایش اعتبارات پژوهشی/ درخواست ۷ همت
