Die Quarzuhr ist nicht einfach angekommen. Es explodierte.
In den frühen 1970er Jahren war dies nicht nur eine Uhr. Es war das neueste High-Tech-Gerät der Welt. Diese ersten Modelle waren Luxusartikel. In den USA kosten sie etwa 500 US-Dollar. Sie verfügten über rote LED-Anzeigen, die im Dunkeln leuchteten. Heute ist die Landschaft völlig anders.
Die Preise sind eingebrochen. Quarzuhren finden Sie jetzt kostenlos in Müslischachteln. Die Technologie, die einst den Status signalisierte, ist allgegenwärtig geworden. Wir sehen Rosenquarz, die wunderschöne rosa Sorte, in billigen Beauty-Rollern und Kristallen im Supermarkt. Doch hinter dem ästhetischen Wandel verbirgt sich eine grundlegende Veränderung in der Art und Weise, wie wir Zeit messen.
Was ist eine Quarzuhr?
Im Kern nutzt eine Quarzuhr einen Quarzkristall zur Regulierung der Zeit. Dies unterscheidet sich von den jahrhundertelang vorherrschenden mechanischen Uhren mit Aufzug.
Die mechanische Uhr ist ein Wunderwerk der Ingenieurskunst. Seine Entwicklung begann im späten 14. Jahrhundert. Durch Innovationen im Laufe der Jahre wurden diese Geräte dünner, zuverlässiger und schließlich selbstaufziehend. Sie bleiben beeindruckende Meisterleistungen der Miniaturmechanik.
Herkömmliche Aufziehuhren basieren auf einer Reihe spezifischer Komponenten, die es schon seit Hunderten von Jahren gibt:
- Eine Triebfeder zur Stromversorgung
- Eine oszillierende Unruh zur Festlegung der Zeitbasis
- Zeiger zur Anzeige der Uhrzeit
- Ein Ziffernblatt
- Zahnräder zur Energieübertragung von der Feder auf die Zeiger
Sehen Sie sich die Funktionsweise von Pendeluhren an, um den breiteren Kontext der mechanischen Zeitmessung zu verstehen. Diese Systeme sind langsam. Sie ticken. Sie unterliegen Reibung und Schwerkraft.
Der Stimmgabelübergang
Ende der 1960er Jahre suchte die Branche nach einer Modernisierung. Bulova machte den ersten Schritt. Sie entfernten sich von der traditionellen Unruh.
Stattdessen verwendeten sie einen Transistorszillator mit einer Stimmgabel. Diese Uhr tickte nicht. Es summte. Es arbeitete mit Hunderten von Hertz. Das sind Zyklen pro Sekunde. Sie war weitaus schneller als mechanische Hemmungen.
Die Stimmgabel ersetzte Unruh und Feder. Es handelte sich um einen Resonator aus einem einzigen Material. Dadurch wurde die Reibung verringert und die Stabilität verbessert. Die Batterie ersetzte die Aufziehfeder. Dadurch entfiel die Notwendigkeit eines Handaufzugs.
Zahnräder und Zahnräder wandelten noch immer die mechanische Bewegung der Stimmgabel in eine Handbewegung um. Aber der grundlegende Timing-Mechanismus hatte sich geändert. Im Kern war es elektronisch, auch wenn die Zeiger noch mechanisch waren.
Der nächste logische Schritt
Die Uhrmacher erkannten Ende der 1960er Jahre eine Einschränkung. Die Stimmgabel war gut. Es entstanden jedoch integrierte Schaltkreise. Diese waren sehr neu. Ihre Preise sanken rapide. Die Anzahl der Transistoren in diesen Schaltkreisen wuchs exponentiell.
Es gab einen klaren Weg nach vorne. Der nächste Schritt erforderte ein Zeitglied, das noch stabiler war als eine Stimmgabel. Außerdem war ein integrierter Schaltkreis erforderlich, der sehr wenig Strom verbrauchte. Warum? Weil die Uhr mit einer winzigen internen Batterie betrieben wurde. Große Batterien würden das schlanke Design ruinieren.
Auch LEDs waren neu. Sie boten eine digitale Display-Alternative zu den Händen. Die Branche musste zwei Probleme gleichzeitig lösen. Sie brauchten ein neues Zeitelement. Sie brauchten Elektronik mit extrem geringem Stromverbrauch.
Die Lösung lag in einer materiellen Eigenschaft. Piezoelektrizität.
Die Kraft der Piezoelektrizität
Die Wahl des richtigen Zeitelements war nicht schwer. Quarz ist tausendmal besser als eine Stimmgabel, um die Zeit zu messen. Diese Kristalle gab es schon seit Jahren. Die eigentliche Herausforderung bestand darin, eine integrierte Schaltkreistechnologie zu finden, die bei ausreichend geringer Leistung funktionieren kann.
Quarz ist überall. Es liefert genaue Frequenzen an Funksender, Empfänger und Computer. Diese Genauigkeit beruht auf einer Reihe glücklicher physikalischer Zufälle. Siliziumdioxid, das im Wesentlichen Sand ist, bleibt über Hunderte von Grad kristallin. Die meisten Lösungsmittel werden ignoriert.
Die Magie entsteht, wenn man es drückt. Durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt Quarz beim Komprimieren eine Ladung oder Spannung auf seiner Oberfläche. Legen Sie eine Spannung an und es verbiegt sich. Nur leicht.
Stellen Sie sich eine Glocke aus einem einzelnen Quarzkristall vor. Tippen Sie darauf und es klingelt minutenlang. Es geht nahezu keine Energie verloren. Die Schwingungsgeschwindigkeit ändert sich nicht mit der Temperatur. Diese Oberflächenspannung können Sie mit Elektroden abgreifen. Verstärke es. Setzen Sie es wieder ein. Der Kristall klingelt weiter.
Du könntest eine Quarzglocke herstellen. Es ist jedoch nicht ideal. Es entweicht zu viel Energie in die Luft. Eine gerade Stange oder eine Scheibe funktioniert besser. Ein Balken behält seine Frequenz so lange, wie das Verhältnis von Länge zu Breite gilt.
Moderne Uhren verwenden winzige Balken oder Stimmgabelformen. Sie bestehen oft aus dünnen Quarzschichten. Beschichten Sie sie wie einen integrierten Schaltkreis. Ätzen Sie sie chemisch in Form.
32 Kilohertz ist die Standardfrequenz für Uhren. Es ist klein. Höhere Frequenzen benötigen mehr Leistung. Frühe Uhrmacher investierten Millionen in den Versuch, integrierte Schaltkreise dazu zu bringen, die von Scheibenkristallen erzeugten Frequenzen von 1 bis 2 MHz herunterzuteilen.
Eine gute Zeitmessung hängt von der anfänglichen Frequenzgenauigkeit ab. Der Winkel des Schnitts relativ zur Kristallachse ist wichtig. Dies gilt auch dafür, wie viel Schmutz in das Innere der Uhr gelangt.
Die Elektronik verstärkt Rauschen mit der Quarzfrequenz. Dadurch entsteht eine Schwingung. Der Oszillatorausgang wandelt sich in Impulse für digitale Schaltkreise um. Oder, wenn Zeiger vorhanden sind, erzeugen die Teiler Impulse von einer Sekunde. Ein kleiner Motor treibt das Getriebe an.
Präzision trifft auf Erschwinglichkeit
Quarzuhren veränderten die Branche. Sie verbinden Präzision mit Haltbarkeit und Erschwinglichkeit. Mechanische Uhren können mit der Konstanz von Quarzschwingungen nicht mithalten.
Batteriebetrieb bedeutet weniger bewegliche Teile. Das erhöht die Zuverlässigkeit. Der Wartungsaufwand sinkt erheblich.
Die Uhrmacherkunst liebte schon immer Innovationen. Quarz verbindet traditionellen Charme mit moderner Effizienz. Auch wenn sich die Technologie weiterentwickelt, bleiben diese Zeitmesser ein Zeugnis dieses Geistes.
Über den Autor
Douglas Dwyer gründete Frequency Precision Ltd. Er berät die Elektronikindustrie. Er ist seit Mitte der 1960er Jahre in der Frequenzkontrolle tätig. Er hat über Quarzoszillatoren, temperaturkompensierte Versionen und ofengesteuerte Modelle geschrieben. Ein weiterer Bereich seiner Expertise sind Oberflächenwellenoszillatoren. Auch industrielle Fertigungstechnologien sind Teil seiner Arbeit. Seit er begann, Quarzuhren zu entwerfen, interessierte er sich für die Geschichte der Uhren.
