石英钟的工作原理是什么？带着疑问我们一探究竟 #科學 #科普 #科技 #机械 #涨知识

一個看似平常的掛鐘 卻蘊含如此精妙的系統工程 說它是天才設計 一點都不為過 一起來看看石英鐘的工作原理 石英鐘的主要結構有兩部分 首先是這個由八個尺數各不一樣的複合齒輪組成的齒輪系統 其中第一個齒輪叫做驅動齒輪 它由電磁驅動 也就是說石英鐘指針走動的動力源頭就在這裡 這個電磁鐵由普通的線圈和中心的鐵片組成 電流來到線圈周圍就會產生磁場 與此同時驅動齒輪的上端金屬也會被磁化 形成一個新的磁鐵 由於一邊電磁場的方向每秒都會發生改變 所以在同性相斥異性相吸的作用下 驅動齒輪上端金屬的磁極也會發生變化 結果就是每秒鐘旋轉一百八十度 旋轉三百六十度 則需要整整兩秒鐘 在這套齒輪系中 大多數齒輪都屬於複合齒輪 也就是一根旋轉軸上疊加有兩個或者多個齒輪 它們的齒數各不相同 以此來達到變速的目的 石英鐘的秒針直接安裝在中心軸上 為了使其走動 動力先是從十二尺傳遞到四十八尺 然後由八尺傳遞到六十尺 這個過程為減速傳遞 所以在此期間秒針會由原來的兩秒轉一圈 變成每六十秒轉一圈 分針也是同樣的道理 它也安裝在中心軸上 動力先是由八尺減速到六十四尺的舵輪 然後再由八尺傳遞到六十尺 最後來到分針 時針也是如此 它通過一旁的舵輪由十五尺減速至四十五尺 再由十尺傳遞到四十尺 最終使得時針以每十二小時轉一圈的速度來走動 好了 這就是石英鐘內部的機械原理部分 看起來好像並沒有視頻開頭說的這麼驚艷 別急哈 接下來上重頭戲 也就是石英鐘內部的石英晶體震盪器 這個金屬桶內部有一個石英晶體音叉 其側面印有線際 它們沿著音叉一直延伸到桶外的微型電路板 我們重點觀察這個印有線際的石英晶體音叉 從微觀層面出發 單個石英晶格包含兩個氧原子和一個矽原子 多個晶格又由共架件組合在一起 由於氧元素的電負性要大於矽元素 所以電子更容易被氧吸引 當我們沿特定方向切割一塊石英晶體時 然後把它放在電子顯微鏡下 就會看到這麼一幅畫面 多個六邊形在一起 形成了切割的橫界面 當負電壓施加到外部的線際上時 電場就會再次形成 與此同時 電負性高的氧原子就會被慢慢推開 而電負性較低的矽原子則會被慢慢拉近 而這種微觀層次的聯合運動 如果被放大 就會導致石英晶格被橫向拉長 同樣的道理 如果正電荷被施加在外部線際上 電負性高的氧原子 則會向正電荷移動 而電負性較低的矽原子 則會逐漸遠離 如此一來 石英晶格就會向中間收縮 而這種石英晶格的伸長和收縮 就是我們經常聽說的壓電效應 石英鷹叉兩隻腳的來回收縮 就是源於此現象 前面已經說了 鷹叉兩隻腳都有線際 當我們給鷹叉施加電壓時 它的兩隻腳就會伸長並向外彎曲 反過來 當我們中斷電壓 鷹叉的兩隻腳就會恢復到初始模樣 而鷹叉兩隻腳的來回變形 就會產生正電壓和負電壓 其震盪頻率取決於晶格的方向 以及切割晶體的形狀和尺寸 之所以把晶體設計成鷹叉形狀 是因為它能創建出一種震動模式 其中一隻腳產生的震動 能引發另一隻腳產生共振 而鷹叉的底座卻是不會發生移動 另外 很多廠家會在鷹叉的末端 添加少量金屬 以此將其調整至所需的頻率 然而 為了使鷹叉持續震盪 我們需要向鷹叉上的線際 重複施加變化的電壓 說深一點就是 該電壓需要與晶體的運動相匹配 以此來保證 峯值正電壓與晶體在一個方向上的運動一致 而當晶體在另一個方向運動時則相反 為了實現這種高精度的匹配 微型電路板上 有一個帶有反向器的集成電路 來形成反饋電路以及兩個電容器 以此來協助對來自反向器 和反饋電路的電壓進行定時 從而在晶體中產生斜振運動 這個電路相當複雜 這裡就不再贅述 有興趣的小夥伴 可以查閱相關資料研究一番 總之 經過一系列的控制後 使鷹晶體鷹叉的震盪頻率 達到了每秒三萬兩千七百六十八次 而後這個信號會被發送到電磁鐵的控制器 接下來便有了電磁鐵的磁場反轉方向 從而旋轉驅動齒輪一百八十度左右 並將秒針向前移動一格 也就是一秒