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石英钟表如何计时?

 dongchang 2014-03-18

 石英钟恐怕是现在最常见的计时工具了。在室内墙壁上挂着石英钟,很多人带的指针式手表也是石英的,连我们经常使用的电子计算机里也有石英元件。石英本来是一种矿石,它为什么会被用来计时呢?

 

  原来石英这种矿石具有一种很重要的特性:石英晶体的选频特性。所谓“选频”,就是选取一定频率,即使这一频率的强度增大,其他频率的强度减小。利用电阻、电容和电感等原件可以组建一个震荡电流电路,电路中有着以一定频率变化的、周期性的电压和电流。这种周期性变化的电路变量可以被用作计时,比如,假设电路电流的震荡频率是1000赫兹,即每一秒电流方向要变换2000次(因为由正变负一次由负变正又一次),那么1秒钟就是数电流的1000个周期,计数的工作对于电子电路是较为容易的,这样就实现了计时的功能。

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  但是在通常情况下,电子元器件很难做到非常准确,参数变化范围非常大,这对于计时的需求还是远远无法满足的。石英晶体只对某一个频率的交变电流敏感,在这个频率之下石英可以产生共振,增强震荡电流的幅度;而对于其他的频率,石英会抑制它的震荡幅度,这样在加入了石英的电子震荡电路中,对应的特定频率就被“选择”出来。经过石英选频的震荡电路中的频率比较单一,可以用作基准频率。选择不同成分的石英,就可以制成不同用途的石英晶体谐振器。它的频率从几千赫兹到几百万赫兹都有。现在的钟表可以将误差控制在每秒十万分之一秒,也就是说经过大约270年会差一秒,已经非常准确了。

 

  石英的这一特性是和温度相关的。温度会改变石英晶体的共振频率,经过它“选择”的频率就不一样了。同样的一个钟表,在赤道地区使用和在极地地区使用精度也是不一样的,所有的钟表都是有使用环境温度范围的限制。

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