石英鐘的工作原理，幾塊錢的東西竟有著精密巧妙的設計！

這應該是科技造福人類最經典的案例了 幾塊錢的東西卻有着如此精密巧妙的設計 而且幾乎人人都會用到它 它就是石英鐘 那它究竟是如何精準控制時間的呢? 石英鐘的核心就是這個表芯 它共有五部分組成 拆開它最先看到的就是由八個齒輪組成的齒輪系統 齒輪系統最終會帶動每個時針 而齒輪系統的源頭就是驅動齒輪 驅動齒輪上有一個永磁體 它又由電磁鐵提供動力而旋轉 電磁鐵由一圈線圈和一條鐵條組成 線圈一旦通過電流 鐵條就會將磁場引導至驅動齒輪 電磁鐵的電流每秒切換一次方向 對應的磁極每秒也切換一次方向 從而使驅動齒輪上的磁鐵每秒旋轉180度 再通過齒輪傳動帶動秒針旋轉一秒 注意哈 目前這些都相對好理解 但有個問題 電磁鐵是怎麼絲毫不差的控制 每秒鐘就改變一次電流方向的呢? 接下來我們就一塊看看石英中核心中的核心 石英晶體振盪器 也就是電路板上這個小的不起眼的圓柱體 這種鐘錶之所以命名爲石英錶 可見它的分量也是我們重點要講的 石英晶體振盪器的內部 有一個石英晶體調卸插 由一塊經過精確加工的石英晶體片組成 上面印有金屬電路 電路沿着插角延伸到外部的電路板上 首先我們先了解一下石英晶體的特性 石英晶體屬於一種壓電材料 分子結構是由硅原子和氧原子 通過共架鍵結合成的六方對稱結構 且排列成周期性重複的網格 我們單獨拿出一個網格來看看 這個結構中有三個氧原子和三個硅原子 氧原子帶負電硅原子帶正電 它們的電場在中心保持平衡 但這時如果我們給它施加一個壓力 這個結構就會被壓縮 電荷中心也會發生偏移 從而使正負電荷中間形成了一個電場 那當對整個結構施加力時 每個結構都會形成一個電場 你可以把它想象成一個並聯的電池 這也是石英石碰撞時產生火花的原因 相反如果我們給石英晶體施加一個電場 它的網格結構也會因爲電場作用而拉伸和壓縮 這種壓電效應就是石英晶體的獨特之處 我們再回到調諧差 如前面所講 當給它施加一個電壓時 調諧差會伸長並向外彎曲 當電壓關閉時 它就會反彈回來 然而要使晶體持續震盪 必須不斷地對插腳上的電線施加變化的電壓 這就像推孩子盪鞦韆一樣 每當鞦韆在最高點時開始給鞦韆一個力 才能使鞦韆蕩得更快更高 那怎麼才能正確地施加這個電場力呢 這個是通過集成電路的設計 形成反饋迴路實現的 這個集成電路原理非專業的很難理解 我們只需知道 它的作用就是要激發晶體調諧差 以及固有頻率震盪 而晶體的固有頻率是由晶體的尺寸 形狀和切割方式等物理特性決定的 不受其他因素的影響 比如石英鐘裏的石英晶體 它的形狀大小就決定了 它的固有頻率爲32768赫茲 這個頻率非常精準而穩定 這也是爲什麼要用它技術的原因 這時電場的頻率和震盪器的輸出頻率保持一致 信號隨後被送到集成電路的另一個部分 通過二進制技術器計數每個頻率週期 也就是每32768爲一個週期 每個週期發送一個信號給電磁鐵的控制器 使驅動齒輪旋轉180度 從而推動時鐘指針向前走一秒鐘 齒輪系統中大部分齒輪都是由複合齒輪組成 每個齒輪都有兩個不同的齒輪 它們通過不同的傳動比 最終實現秒針 分針和時針的轉動 好啦 這就是幾塊錢就可以買到的科技 看完是不是也震撼到你了呢