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어린이 과학 실험실
쿼츠 시계. 어린이 과학 연구실
몇 시죠? 우리는 시계를 보면서 이 질문에 대한 답을 찾는 데 익숙합니다. 매뉴얼, 포켓, 데스크탑, 벽, 거리, 타워. 전화나 라디오로 시간을 확인할 수 있습니다. 소련의 방송국에서는 하루에 네 번씩 정확한 시간 신호를 전송합니다. 우리 조상들은 어떻게 시간을 기록하였습니까? XNUMX천년 전, 사람들은 이를 위해 태양시계를 사용했습니다. 수직으로 설치되어 하루 중 시간에 따라 길이와 방향이 다른 그림자를 드리우는 일반 기둥이었습니다. 나중에는 물과 모래시계를 사용하여 시간을 측정했습니다. 물론 이러한 원시적 도구의 정확도는 매우 근사했습니다. 서기 XNUMX세기에 기계식 탑시계의 발명이 시작되었고, XNUMX년 후 최초의 스프링 시계가 등장했습니다. 그러나 속도 컨트롤러 (밸런서)가 고르지 않게 변동했기 때문에 정확성이 크게 다르지 않았습니다. 이 단점은 자유롭게 매달린 진자의 진동 주기를 일정하게 유지하는 특성이 발견되었을 때 제거되었습니다. 진자와 시계 장치를 연결함으로써 우리는 충분한 정확도로 시간을 측정하는 장치를 얻었습니다. 진자 시계의 지속적인 건설적인 개선으로 인해 진자 시계는 신뢰할 수 있는 시간 측정기가 되었습니다. 까다로운 소비자 그러나 과학과 기술은 가만히 있지 않습니다. 개발과 동시에 시간 결정의 정확성에 대한 요구 사항도 증가했습니다. XNUMX초의 정확성은 많은 "소비자"를 만족시키지 못했습니다. 그들은 시간을 XNUMX분의 XNUMX초, XNUMX분의 XNUMX초, 심지어 XNUMX만분의 XNUMX초까지 알고 싶어했습니다. 이들은 천체의 움직임을 연구하는 천문학자들만이 아니었습니다. 선박과 항공기의 항해사는 바다와 공중에서 올바른 방향을 잡기 위해 가장 정확한 시간이 필요했고, 지형학자와 측량사는 해당 지역을 측량했습니다. 지구상의 위치를 확인하기 위해 지리적 위도(적도로부터의 거리)와 경도(특정 장소의 자오선 평면과 영 자오선 평면 사이의 각도)를 결정해야 했습니다. 경도를 정확하게 결정하려면 현지 시간과 영도의 시간을 최대한 정확하게 알아야 합니다. 경도는 이 두 값의 차이로 계산되기 때문입니다. 주어진 장소에서 주어진 순간에 23시간 30분이라는 것을 별에 의해 결정되게 하라. 자오선 21도에 맞춰 라디오로 확인한 시계는 30시 360분을 가리키고 있습니다. 그 차이는 360시간이다. 하루에 지구는 축을 중심으로 서쪽에서 동쪽으로 한 바퀴 회전하는 것으로 알려져 있습니다. 즉, 24 ° 회전하고 한 시간 안에 15:30 = 30 ° 회전합니다. XNUMX시간 후에는 XNUMX°가 될 것입니다. 그러므로 관찰자는 동경 XNUMX°에 있다. 정확한 시간은 광물 탐사에 매우 중요한 지구 표면의 다양한 지점에서 중력 변화를 연구하는 지질학자와 중량 측정자에게도 알려져야 합니다. 천문시계 사람들의 삶에서 그렇게 중요한 역할을 하는 정확한 시간은 어떻게 결정됩니까? 과학자들은 어떤 초정밀 시계를 사용하여 시계를 확인합니까? 이 멋진 시계는 자연 그 자체로 만들어졌습니다. 다이얼은 밤하늘이고 시, 분, 초의 숫자는 별입니다. 엄격한 불변성을 가지고 그들은 창공에서 그들의 영원한 길을 따릅니다. 천문학자들이 정한 정확한 순간에 각각의 별은 변함없이 가장 높은 위치에 도달하고 천구의 자오선을 넘어갑니다. 완벽한 시간을 찾으려면 이 순간을 포착하는 것만으로도 충분합니다. 이 작업에 대처하기 위해 천문학자들은 천문시계의 "손"(교통 기구라고 불리는 특수 천문관)의 도움을 받습니다. 지구와 동시에 회전하는 이동 장비는 항상 얇은 수직 실로 장비 시야에 표시된 자오선을 따라 이동합니다. 천문학자는 이 필라멘트를 통해 별이 지나가는 것을 관찰함으로써 시계를 얼마나 수정해야 하는지 계산합니다. 매일 밤 전 세계 모든 천문대의 천문학자들이 통과 장비 앞에 앉습니다. 그러나 날씨가 항상 관측에 도움이 되는 것은 아닙니다. 그들은 맑은 하늘이 필요하며, 예를 들어 모스크바에는 일년에 약 90번의 구름 없는 밤이 있고 화창한 타슈켄트에서는 약 250번의 밤이 있습니다. 종종 하늘은 한 달 연속으로, 때로는 더 오랫동안 구름으로 덮여 있습니다. 하나의 천문 관측에서 다른 관측으로 강제 중단되는 동안 정확한 시간을 설정하는 방법을 찾는 것이 필요했습니다. 그래서 시간의 '저장'에 문제가 있었습니다. 이 복잡한 문제의 해결은 고정밀 천문시계의 개발로 촉진되었습니다. 두 개의 진자 천문시계의 가장 중요하고 중요한 부분은 진자입니다. 알았습니다. 결국 시계의 가장 큰 장점은 코스의 균일성과 일관성에 있습니다. 그러나 진자의 길이가 항상 일정하게 유지되고 진동의 진폭이 변하지 않는 경우에만 시계가 고르게 움직일 수 있습니다. 무엇이 이러한 가치에 영향을 미칠 수 있나요? 우선, 온도와 기압의 변화입니다. 따라서 진자는 온도 변화에 가장 적게 영향을 받는 재료로 만들어져야 합니다. Invar는 니켈 36%와 강철 64%로 구성되고 선팽창계수가 강철보다 10-12배 작은 합금인 것으로 밝혀졌습니다. 진자는 Invar로 만들어졌습니다. 천문시계 설계자들은 다른 예방 조치도 취했습니다. 그들은 온도 변화가 거의 없는 지하실에 시계를 놓고 유리 뚜껑이 달린 밀폐된 구리 원통에 시계를 넣었습니다. 공기는 실린더 밖으로 거의 완전히 펌핑되며 대기압은 수은 20-25mm 범위 내에서 지속적으로 유지됩니다. 시계는 건물과 분리된 특별한 기초 위에 설치되었습니다. 따라서 그들은 자신이 위치한 건물의 진동에 그다지 민감하지 않습니다. 그들은 또한 아주 작은 기계적 부하라도 진자에 걸리지 않도록 주의를 기울였습니다. 이것이 고정밀 천문시계의 핵심 아이디어이다. 우리가 설명한 자유 회전 진자는 전송 및 시간 표시 메커니즘과 연결되어 있지 않습니다. 그것은 "자유로운" 진자라고 불립니다. 그의 임무는 제한되어 있습니다. 이는 시간만 측정하며 모든 "검은색" 기계적 작업은 다른 보조 진자에 할당됩니다. 자유 진자는 30초마다 진동 충격을 받습니다. 그들은 보조 진자에 의해 전선으로 그에게 보내집니다. 특수 전기 장치의 도움으로 자유 진자는 보조 진자를 명령하여 자체적으로 엄격하게 동기식으로 진동하도록 만듭니다. 보조 진자는 다이얼의 바늘을 움직이는 전달 메커니즘을 작동합니다. 첫 번째 시계에 전선으로 연결된 이 두 번째 시계는 진정한 시간 관리인인 주 진자로부터 거리에 관계없이 어디에나 설치할 수 있습니다. 이제 세계의 모든 천문대와 계측 기관에서는 작업에 두 개의 진자가 있는 시계를 사용합니다. 이러한 시계의 정확도는 매우 높습니다. 조정되는 코스는 매일 0,003초 이하로 달라집니다. 이러한 정확도는 아주 훌륭해 보이지만 현대 과학에서는 충분하지 않습니다. 왜냐하면 수천 분의 XNUMX초의 오류라도 천문학자, 계측학자 및 지구물리학자가 관심을 갖는 특정 현상을 연구하는 데 방해가 되기 때문입니다. 크리스탈의 기적적인 속성 탈출구를 어디에서 찾을 수 있습니까? 역학은 모든 가능성을 소진하고 한계에 도달한 것처럼 보였습니다. 진자 시계를 더 이상 개선하는 것은 생각할 수 없는 것처럼 보였습니다. 그런 다음 전기 기술자와 라디오 엔지니어가 천문 시계 설계를 맡았습니다. 진자는 그 시대보다 오래됐다고 그들은 주장했다. 이상적인 조건에 배치되더라도 진자는 과학자들의 증가하는 요구를 충족할 수 없습니다. 이는 일정한 주파수의 진동을 제공하는 다른 조정기로 교체해야 함을 의미합니다. 그러한 조절기를 찾기 위해 그들은 석영을 기억했습니다. 석영 크리스탈과 그 축
1880년에 일부 결정의 놀라운 특성이 발견되었는데, 가장 두드러지는 것은 석영이었습니다. 석영은 일반적으로 끝이 뾰족한 피라미드 모양의 육면체 결정 형태로 발견됩니다(그림 1a). zz 라인은 크리스탈의 광축을 나타냅니다. 결정이 광축에 수직으로 절단되면 모든 각도가 120°인 육각형이 얻어집니다(그림 1b). 이 각도의 이등분선을 통과하는 선 xx, x1x1 X2X2는 전기 축을 나타내고 선 yy, Y1Y1, Y2Y2-결정의 기계적 축을 나타냅니다. 표면이 전기 축 중 하나에 수직 인 석영 크리스탈에서 판을 잘라내면 판이 기계적으로 압축되거나 늘어나면 표면에 전하가 발생하는 것으로 나타났습니다. 이 현상을 직접 압전 효과라고 합니다(고대 그리스어 "피에조"는 누르다, 쥐다라는 의미). 역압전 효과는 전기장에 놓인 석영 판의 변형으로 표현됩니다. 단파 라디오 아마추어는 석영의 이러한 특성을 잘 알고 있습니다. 그들은 석영 판이 발진기 주파수를 일정하게 유지하는 능력을 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 석영 안정기는 라디오 방송국에서 널리 사용됩니다. 새로운 시간 기록원의 제작자가 사용하기로 결정한 것은 바로 이러한 석영의 안정화 능력이었습니다. 쿼츠 시계 쿼츠 시계 디자이너는 단면이 7x7mm이고 길이가 약 60mm인 크리스탈에서 직사각형 막대를 잘라냅니다. 막대의 반대쪽 두 표면에 가장 얇은 금 층을 적용했습니다. 그 결과 유전체가 막대이고 플레이트가 두 개의 금속 층으로 구성된 커패시터가 탄생했습니다. 석영 시계에서 이 장치의 목적은 일반 시계의 진자의 목적과 동일합니다. 즉 조정기입니다. 그리고 전적으로 신뢰할 수 있는 레귤레이터입니다. XNUMX극관 주파수 설정 회로의 수정
그런 다음 석영이 램프 생성기 회로에 포함되었습니다. 크리스탈은 그리드 회로 - 발전기 램프 음극 - 삼극관에 배치되었습니다(그림 2). 병렬로 큰 저항이 설치되었습니다. 인덕터와 커패시터로 구성된 발진 회로는 회로의 양극 회로에 포함되었습니다. 이는 양극의 커패시턴스(램프 그리드)를 통한 연결로 인해 감쇠되지 않은 진동을 유지하기 위한 조건이 생성되도록 하기 위해 필요합니다. 회로는 고유 주파수가 석영 막대의 진동 주파수보다 높도록 조정되었습니다. 이것은 일반적으로 석영 시계의 주요 부분인 석영 발진기의 장치입니다. 정확도는 발진기 주파수의 안정성에 직접적으로 의존합니다. 석영의 자연 진동의 불변성은 매우 높습니다. 중력의 변화나 지각의 지진 진동에 영향을 받지 않습니다. 그러나 온도와 대기압의 변동에 민감합니다. 석영 온도를 일정하게 유지하기 위해 설계자는 특별한 조치를 취했습니다. 그들은 1분의 10도 정확도로 일정한 온도가 유지되는 다층 벽이 있는 온도 조절 장치에 수정 발진기를 배치했습니다. 이러한 온도 불변성은 수은 접촉 온도계로 제어되는 온도 조절 장치의 전기적 가열을 통해 달성됩니다. 이렇게 하면 주파수가 약 8*XNUMX-XNUMX의 정확도로 저장됩니다. 석영 자체는 진공이 생성된 밀폐 용기에 담겨 있었습니다. 주파수 분배기가 있는 석영 발진기
설계자들은 고유 주파수가 100kHz인 수정 크리스털에서 이러한 모양과 크기의 블록을 가공했습니다. 그러나 이 주파수의 전류는 시계 장치를 움직이는 모터의 회전에 적합하지 않습니다. 블록 다이어그램(그림 3)에 표시된 여러 중간 장치를 만들어야 했습니다. 여기에서 전자 제품은 디자이너에게 많은 도움이 되었습니다. 다수의 전자 발전기 회로는 동기화된 발전기의 고유 주파수보다 몇 배 높거나 낮은 경우 또는 그러한 배수 값에 충분히 가까운 경우 다른 발전기의 주파수와 동기화할 수 있습니다. 쿼츠 시계 설계자는 멀티바이브레이터 또는 차단 발진기와 같은 회로의 기능을 활용하여 자신의 것보다 더 높은 주파수로 동기화했습니다. 이러한 동기화된 고주파 발진기를 일반적으로 주파수 분배기라고 합니다. 동기 모터를 구동할 수 있는 최고 전류 주파수는 약 1000Hz입니다. 그러나 분주비가 1:100인 주파수 분주기는 매우 불안정합니다. 따라서 1000kHz의 석영 주파수와 동기화된 100Hz의 주파수를 얻으려면 1:4와 1:5 비율로 직렬로 동기화되는 여러 개의 분배기를 설치해야 했습니다. 주파수 분배기로 사용되는 발생기는 많은 수의 고조파를 갖습니다. 안정성을 저하시킬 수 있는 유해한 고주파 발진이 수정 발진기 회로에 침투하는 것을 방지해야 했습니다. 이를 방지하기 위해 석영 발진기와 그리드 전류 없이 작동하는 첫 번째 주파수 분배기 사이에 버퍼 증폭기를 연결했습니다. 이 모드는 수정 발진기의 부하를 줄이고 작동 안정성을 높이는 데 도움이 됩니다. 주파수 분배기 회로에서는 일반적으로 저전력 램프가 사용됩니다. 그들이 제공하는 전류는 초 접점 시계 장치를 구동하는 동기 모터를 돌리기에는 너무 약합니다. 따라서 주파수 분배기 (1000Hz 주파수의 전류 제공) 후에 증폭기가 켜져 모터 권선에 수 와트의 전력을 공급합니다. 안정성 측면에서 쿼츠 시계는 기존의 모든 진자 시계보다 우수합니다. 코스의 평균 일일 변동은 XNUMX만분의 XNUMX초입니다. 초정밀 시계의 제작은 현대 과학의 뛰어난 성과입니다. 많은 과학 기관이 이미 석영 시계를 구입했습니다. 모스크바의 측지학, 항공 사진 및 지도 제작 중앙 연구소에서 PS Popov가 제작한 국내 최초의 쿼츠 시계는 끊임없이 초를 측정합니다. 전파 측정 연구소, Sternberg Astronomical Institute 및 기타 연구소와 관측소에는 석영 시계가 있습니다. 새로운 시간 측정 방법에 열광하는 사람들은 석영 시계가 곧 진자 시계를 완전히 대체하고 시간을 지키는 유일한 시계가 될 것이라고 주장합니다. 그러한 주장에 대해 이의를 제기하는 회의론자들도 있습니다. 그들은 쿼츠 시계의 명백한 장점을 부정하지 않으면서도 단점도 지적합니다. 우리는 이미 쿼츠 시계의 장점에 대해 이야기했습니다. 이것은 탁월한 정확성과 불변성, 거의 모든 외부 요인으로부터의 독립성입니다. 그들의 단점은 무엇입니까? 천문학자들은 시간을 측정하는 데 사용하는 시계가 XNUMX년, XNUMX년 또는 그 이상 동안 쉬지 않고 작동할 수 있기를 요구합니다. 쿼츠 시계가 이 요구 사항을 충족합니까? 좀 빠지는. 전기 네트워크의 전류로 전원이 공급된다는 점을 기억하십시오. 스테이션은 전류 공급을 중단하고 시계도 멈춥니다. 그러나 시계가 네트워크가 아닌 배터리로 전원을 공급받는 경우에는 이런 일이 발생하지 않습니다. -맞습니다. -회의론자들도 동의합니다. - 라디오 튜브의 마모로 인한 석영의 노화는 어떻습니까? 실제로 석영은 시간이 지남에 따라 노화되고 진동 빈도도 변합니다. 어떤 램프도 갑자기 고장나지 않을 것이라고 보장할 수는 없습니다. 그러나 석영 애호가들은 그러한 사고를 두려워하지 않습니다. 그들은 실험실에 시계 하나가 아닌 세 개를 설치하여 동시에 작동합니다. 둘 중 하나가 멈춰도 상관없습니다. 수리될 때까지 나머지 두 개는 시간을 유지합니다. 논쟁은 계속되고 있지만 그동안 수십 개의 쿼츠 시계가 정기적으로 과학에 기여하고 있습니다. 오늘날 그들의 정확성은 가장 섬세한 연구를 수행하는 과학자들을 만족시킵니다. 내일은 무슨 일이 일어날까요? 더욱 정확하고 새로운 시간의 기준을 찾는 것이 가능할까요? 아마도 그러한 표준의 기초는 분자, 또는 오히려 진동의 주파수일 것입니다. 소련 과학자들은 이미 이 방향으로 연구하고 있습니다. 저자: A. 브로드스키
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