Измерения и меры - [13]
В природе есть один замечательный минерал — кварц. Он встречается в виде песка, гальки и красивых многогранных кристаллов. Одна из разновидностей кристаллического кварца — прозрачный, как родниковая вода, горный хрусталь. Из хрусталя делают вазы, бокалы, люстры, которые вы, вероятно, не раз видели.
Чем же замечателен кварц? Прежде всего своей прочностью и твёрдостью — твёрже его только алмаз, корунд и топаз. Кроме того, кварц почти не расширяется при нагреве и не поддаётся воздействию большинства кислот.
Но, пожалуй, самое интересное свойство кристаллов кварца состоит в следующем.
Если кварцевый кристалл поместить между двумя металлическими пластинками — электродами — и подключить их к электрометру — прибору для обнаружения электрического заряда, — то стрелка электрометра отклонится (рис. 30). Значит, при сдавливании на гранях кри-сталла возникают электрические заряды (рис. 30). И наоборот, если присоединить электроды к электрической батарее, то кристалл деформируется — сожмётся или растянется в зависимости от того, на какой его грани сосредоточились положительные заряды и на какой отрицательные. Это свойство кварцевых кристаллов назвали пьезоэлектрическим эффектом (пьезо по-гречески значит давить).
Рис. 30. При сдавливании на гранях кварцевой пластинки возникают электрические заряды, и стрелка прибора, соединённого, с электродами, отклоняется.
Благодаря пьезоэлектрическим свойствам кварца кварцевая пластинка может превращать электрическую энергию в механическую и наоборот. Если электроды такой пластинки с помощью проводов подключить к сети переменного электрического тока, то кварцевая пластинка начнёт колебаться — поочерёдно сжиматься и растягиваться. Сколько раз изменится направление электрического тока, протекающего в сети, столько же раз сожмётся и растянется кварцевая пластинка[7].
Кварцевая пластинка, как и маятник часов, обладает собственной частотой, с которой она начинает колебаться после толчка. Собственная частота колебаний пластинки, как и частота маятника, зависит от её размеров и массы.
Если, замкнув электроды проводником, ударить чем-либо по пластинке, чтобы она начала колебаться, то благодаря пьезоэлектрическому эффекту в проводнике возникнет переменный электрический ток, частота которого будет равна собственной частоте пластинки.
Поскольку кварц при нагревании расширяется ничтожно мало, собственная частота кварцевой пластинки исключительно постоянна. Если пластинку нагреть или охладить на один градус, то её собственная частота изменится всего лишь на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента.
Учёные и решили использовать кварцевую пластинку в качестве своеобразного электрического маятника для новых исключительно точных часов.
Колебания такого «маятника» поддерживаются с помощью специального электрического устройства, так называемого лампового генератора. Название это происходит от слова генерировать, что значит возбуждать. Генератор черпает энергию от электрической батареи и передаёт её пластинке. Таким образом, в кварцевых часах он как бы заменяет пружину. Кварцевая пластина вырабатывает переменный ток исключительно постоянной частоты, предназначенный для питания особого электромотора. Скорость вращения этого электромотора (число оборотов в минуту) зависит от частоты питающего тока. Поскольку частота тока почти неизменна, то постоянно и число оборотов мотора в минуту.
Соединив подобный электромотор с механизмом, вращающим часовые стрелки, мы получим чрезвычайно точные часы.
Суточная погрешность таких кварцевых часов — всего лишь десятитысячная доля секунды, то есть в десять раз меньше погрешности обычных астрономических часов!
Кварцевые часы уже помогли учёным сделать важное открытие. Оказалось, что вращение земного шара, вокруг оси происходит не строго равномерно. Длительность суток меняется на несколько десятитысячных долей секунды.
Кварцевые часы имеются во многих научно-исследовательских институтах и обсерваториях Советского Союза. Ими располагают, например, Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъёмки и картографии, астрономический институт имени Штернберга, Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений.
Показания этих часов регулярно сравнивают между собой и проверяют по звёздам. В этом и заключается «хранение времени».
Конечно, нельзя сбрасывать со счётов и обычные астрономические часы — они пока ещё не потеряли своего значения благодаря долговечности и надёжности в эксплуатации. Кварцевые часы пока ещё не так надёжны — ведь в генераторе есть лампы, которые могут внезапно перегореть. Но сейчас на смену лампам приходят значительно более долговечные полупроводниковые электронные приборы. Применение их намного повысит надёжность кварцевых часов.
А возможны ли часы ещё точнее, чем кварцевые?
Современная наука отвечает на этот вопрос утвердительно. Теперь созданы новые часы — атомные или молекулярные. Пока ещё такие часы несовершенны, и точность их меньше, чем кварцевых. Но в будущем они окажутся точнее.
Как же работают атомные часы?
