В. Рачков - Чудесные кристаллы
Как же привести кварцевую пластинку в колебательное движение? Если маятник начинает двигаться от толчка руки, то здесь «толчок» создается переменным электрическим током, подведенным к электродам. Переменный ток создает периодические сжатия и растяжения — кварцевая пластинка колеблется. Не любой переменный ток способен возбудить собственные колебания пластинки. Это делает только ток, частота которого совпадает с частотой собственных колебаний пластинки или близка к ней.
Возвратимся к радиолокационной станции. Как в ней осуществляется синхронизация?
Главной частью синхронизатора станции является так называемый задающий генератор, вырабатывающий электрический ток строго постоянной частоты. В одну из цепей генератора включена кварцевая пластинка. Частота вырабатываемого тока равна собственной чистоте пластинки.
Если по какой-либо причине частота генератора изменится, кварцевая пластинка будет продолжать колебаться с прежней частотой. Эти колебания будут навязаны и генератору, частота колебаний которого возвратится к прежней величине. Иначе говоря, кварцевая пластинка будет стабилизировать частоту генератора.
Рис. 41. Высокостабильный кварцевый резонатор
Переменный ток, выработанный задающим генератором, преобразуется в электрические сигналы специальной формы. Эти сигналы поступают в другие блоки радиолокационной станции и синхронизируют ее работу.
Собственная частота кварцевой пластинки определяется ее размерами, главным образом толщиной. Чем тоньше пластинка, тем выше ее частота.
Кварцевая пластинка снабжается электродами и помещается в герметический корпус. Такое устройство и называется кварцевым резонатором, или стабилизатором.
В некоторых случаях, когда необходима очень высокая стабильность частоты, кварцевую пластинку помещают в стеклянный или металлический баллон, из которого выкачивают воздух (рис. 41). В таких резонаторах колебания исключительно постоянны, так как разреженный воздух оказывает меньшее сопротивление колебаниям пластинки.
Кварцевая стабилизация частоты применяется не только в радиолокации. Не менее важна она в радиосвязи и радиовещании, где стабилизируются мощные электрические колебания радиопередатчиков.
Включите радиоприемник и поверните ручку настройки. Даже за небольшой поворот вы услышите работу нескольких десятков станций. Однако, настроив приемник на частоту какой-либо определенной станции, вы слушаете только ее передачу. Но что произойдет, если частоты работающих станций не будут стабильны? Радиостанции будут создавать взаимные помехи, «наезжать» друг на друга. В этом случае нечего и говорить о хорошем приеме.
Резонансные свойства пьезокварца используются и в радиоприемных устройствах. Здесь применяют кварцевые фильтры.
Если на вход приемника подключена кварцевая пластинка, в него попадут только те электрические колебания, частоты которых совпадают с резонансной частотой пластинки. Все остальные колебания будут отсеены. А раз так, то качество приема будет наилучшим. Про такой приемник говорят, что он обладает высокой избирательностью.
САМОЕ ТОЧНОЕ ВРЕМЯ
Ежедневно люди проверяют свои часы по радиосигналам точного времени. Услышав ритмичные щелчки и следующие за ними сигналы, вы невольно смотрите на свои часы и, если разница хода часов и сигнала значительная, спешите перевести стрелки.
Для личных нужд точность хода ручных, карманных и стенных часов вполне достаточная. Да вы на своих часах и не заметите погрешность меньше секунды. Но для научных и технических целей такая точность далеко недостаточна. При этом разнообразие отраслей науки и техники, где необходимо точное время, так велико, что перечислить их все практически трудно. Вот наиболее важные из них.
Воздушная и морская навигация. Здесь точное время необходимо для определения места и прокладки курса кораблей и самолетов. Если полет или плавание происходит вне пределов действия радиомаяков и вдали от побережья, местоположение корабля или самолета определяется по положению звезд и точному времени. Для этих же целей точное время необходимо в геодезии и картографии — науках, занимающихся изучением строения земной поверхности и составлением карт.
Космонавтика. Здесь точное время крайне необходимо. Ведь момент запуска ракеты должен соблюдаться с точностью до одной секунды. Ошибка в скорости космической ракеты должна быть не более нескольких метров в секунду. Но разве можно с такой точностью измерить скорость ракеты, составляющую свыше 11 километров в секунду, не зная точного времени?
В связи с запуском искусственных спутников Земли и проведением работ по программе Международного геофизического года теперь по радиостанциям Советского Союза вместо прежних сигналов ежечасно передаются сигналы точного времени, состоящие из шести коротких сигналов с интервалами в одну секунду. Погрешность этих сигналов не превышает 0,03 секунды.
Мы уже несколько раз упоминали слово погрешность. Вот и сейчас говорим, что «погрешность радиосигналов не превышает 0,03 секунды». Относительно чего определяется эта погрешность? Что является самой точной мерой, эталоном времени?
Единственными часами, с которыми сравниваются все прочие меры времени, является Земля. С давних пор в основу всего исчисления времени положена одна и та же единица времени — период вращения Земли вокруг ее оси. Однако для практических нужд пользоваться этим временем невозможно, поэтому применяют часы, способные хранить единицу времени с наибольшей точностью.
В течение многих лет эту роль выполняли маятниковые часы специальной конструкции. Их называли астрономическими часами, потому что показания их проверяли при помощи астрономических наблюдений. Эти часы помещались в глубоких подвалах, где колебания окружающей температуры были незначительными. Часы укреплялись на столбах-фундаментах, уходящих глубоко в землю.
Такие часы давали удовлетворительную точность хода и были вполне пригодны для практики, если бы не было землетрясений. Землетрясения нарушали работу часов и точность их хода заметно снижалась.
На помощь пришла, как вы уже догадываетесь, знакомая нам кварцевая пластинка. Являясь наиболее совершенным из всех колебательных систем, кварцевый генератор создает электрические колебания исключительно высокой стабильности. Такие генераторы являются эталоном частоты. Высокостабильные генераторы и стали применять для хранения единицы времени.
Некоторым из вас известны так называемые синхронные электромоторы. Число оборотов их зависит от частоты переменного электрического тока, питающего мотор. Если частота питающего тока строго постоянна, то строго постоянно и число оборотов в единицу времени.
Подведем к такому мотору переменный ток, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, а вал электромотора соединим с часовыми стрелками при помощи зубчатого механизма. Все устройство в целом и будет называться кварцевыми часами (рис. 42). Такие часы будут спешить или отставать за сутки всего лишь на несколько десятитысячных долей секунды. Лучшие экземпляры кварцевых часов имеют исключительное постоянство хода: колебания суточного хода их не превышают 0,0001 секунды. Правда, прежде чем достигнуть такой точности хода, пришлось немало потрудиться.
Рис. 42. Упрощенная схема кварцевых часов
Первое, что надо было сделать, — постараться уменьшить зависимость частоты, вырабатываемой кварцевым генератором, от изменений окружающей температуры. Для этого были исследованы многочисленные срезы кристаллов кварца и выбраны наименее зависимые от температуры. Кроме того, пластинки помещали в специальные термостаты, в которых поддерживалась постоянная температура: до нескольких долей градуса.
В Советском Союзе для этих целей группа кварцевых резонаторов была помещена в металлический цилиндр длиной 1,4 метра и диаметром 90 миллиметров. Цилиндр был опущен в подземную скважину на глубину 25 метров. Температура на этой глубине была исключительно постоянной. Как показали наблюдения, суточные отклонения колебаний у таких генераторов не превышают десятимиллионных долей процента.
Немало потрудились ученые и над явлением, называемым старением кварца. Дело в том, что в кристаллах кварца с течением времени происходят процессы, вызывающие самопроизвольное изменение частоты генераторов. Эти процессы еще полностью не изучены.
Для получения высокой стабильности частоты кварцевые пластинки подвергаются искусственному старению, для чего их многократно нагревают и охлаждают.
