Измерения и меры - страница 16

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?

Вспомним строение вещества. Все тела в природе построены из атомов различных химических элементов. В большинстве веществ атомы объединены в более крупные частицы — молекулы. Каждый атом и каждая молекула, подобно любому упругому телу — струне, пружине и т. д. — обладает определённой собственной частотой, на которую резонирует — «откликается». Поскольку атомы или молекулы одного и того же вещества одинаковы, одинаковы и их собственные частоты. Эти частоты исключительно постоянны и почти не зависят от внешних влияний — температуры, атмосферного давления и др. Вот почему так заманчиво использовать колеблющийся атом или молекулу в качестве часового механизма.