مقالة حول Crystal Quartz

 

مقدمة:

الكريستال الكوارتز (Crystal Quartz) هو معدن يتكون أساسًا من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) وله هيكل بلوري. يستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات التكنولوجية، أبرزها في الساعات الإلكترونية وأنظمة الاتصالات. يُستخدم الكوارتز بسبب خصائصه الكهرو ضغطية (Piezoelectric)، حيث يمكن أن ينتج ترددات دقيقة ومستقرة عند تعرضه لتيار كهربائي.

في هذه المقالة، سنتناول كيفية استخدام الكريستال الكوارتز في الساعات، وشرح خصائصه، وتقديم القوانين العددية التي تحكم عمله كمذبذب في الدوائر الإلكترونية، وخاصة في الساعات الرقمية.

خصائص الكوارتز:

1. الكهروضغطية:

تحدث الكهروضغطية عندما يتعرض الكريستال لضغط ميكانيكي، مما يولد تيارًا كهربائيًا. والعكس صحيح أيضًا؛ عندما يُطبَّق جهد كهربائي على الكريستال، فإنه يتذبذب بتردد محدد. هذه الخاصية تُستخدم في ضبط الترددات في الأجهزة الإلكترونية.

2. استقرار التردد:

الكوارتز يعتبر من أكثر المواد استقرارًا في ضبط التردد، إذ يمكن أن يولد ترددًا دقيقًا جدًا عند تصميمه بشكل صحيح. يعتمد التردد الناتج على شكل وقطع الكريستال.

3. التحمل الحراري:

الكريستال الكوارتز لديه استقرار حراري عالٍ، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية في نطاقات واسعة من درجات الحرارة.

استخدام الكريستال في الساعات:

تُعرف الساعات التي تستخدم الكوارتز بـ "ساعات الكوارتز". وهي تعتمد على مذبذب كوارتز صغير يعمل على تحويل الطاقة الكهربائية إلى ذبذبات بتردد ثابت للغاية. هذا التردد هو الأساس في حساب الوقت بدقة.

عادةً، تكون ترددات الكوارتز المستخدمة في الساعات الرقمية حوالي 32,768 هرتز. يتم اختيار هذا التردد تحديدًا لأنه يمثل قوة 2 (2¹⁵) مما يسهل تقليل الإشارة وتحويلها إلى نبضات ثانية باستخدام الدوائر الإلكترونية.

كيفية عمل المذبذب الكوارتز في الساعة:

1. المذبذب الكوارتز: عندما يتم تمرير تيار كهربائي عبر مذبذب الكوارتز، يتذبذب الكريستال بتردد معين بناءً على خصائصه الفيزيائية. يتم تصميم المذبذب الكوارتز ليتذبذب عند 32.768 هرتز.

2. دائرة التقسيم: يتم تقسيم التردد الناتج من المذبذب تدريجيًا عبر دائرة تقسيم كهربائية (Counter Circuit). تُقسِّم هذه الدائرة التردد الأصلي (32,768 هرتز) إلى 1 هرتز، والذي يساوي نبضة واحدة في الثانية.

3. آلية ضبط الوقت: يتم استخدام النبضات الناتجة عن التقسيم لتحديث العدادات في الساعة، حيث يتم قياس الثانية، الدقيقة، والساعة بناءً على هذه النبضات.

القوانين العددية:

يُستخدم الكوارتز في توليد تردد معين داخل الأجهزة الإلكترونية، ويتم تحديد هذا التردد بواسطة القانون:

$$f = \frac{n}{2L}$$

حيث:

• $f$ هو التردد الناتج.
• $n$ هو عدد النبضات أو الذبذبات في الثانية.
• $L$ هو طول الكريستال المستخدم.

وللساعات التي تعمل بتردد 32,768 هرتز، يُستخدم قانون بسيط لحساب الزمن بناءً على تردد الكوارتز:

$$\text{عدد الذبذبات لكل ثانية} = 2^{15} = 32,768$$

هذا يعني أن المذبذب يولد 32,768 نبضة في الثانية الواحدة. باستخدام دائرة التقسيم، يمكن تقليص هذا الرقم إلى نبضة واحدة في الثانية (1 هرتز).

المعادلات الخاصة بالتقسيم الزمني:

إذا كانت دائرة التقسيم تُقسم التردد بشكل ثنائي، فستكون القوانين كالتالي:

$$t_{الزمن} = \frac{1}{f}$$

حيث $t_{الزمن}$ هو الزمن المستغرق لكل نبضة (أي 1 ثانية بعد التقسيم).

وللحصول على نبضة واحدة في الثانية من تردد 32,768 هرتز، يجب تقسيم التردد كالتالي:

$$f_{التقسيم} = \frac{32,768}{2^{15}} = 1 هرتز$$

هذا التردد النهائي يُستخدم في ضبط الوقت داخل الساعات الرقمية.

استنتاج:

الكريستال الكوارتز هو مكون رئيسي في الساعات الحديثة، حيث يتميز بالدقة العالية والاستقرار الحراري الممتاز. باستخدام تردد 32,768 هرتز وتقنية تقسيم التردد، يمكن للكوارتز توليد نبضات زمنية دقيقة جدًا، مما يسمح للساعات بالحفاظ على الوقت بشكل دقيق ومستمر.

خاتمة:

تُعد الساعات القائمة على الكوارتز جزءًا أساسيًا من حياتنا اليومية، وتستخدم مبدأ الكهروضغطية لضبط الوقت بدقة. عن طريق استخدام قوانين فيزيائية بسيطة ولكن فعالة، يمكن توليد الترددات الدقيقة اللازمة للحفاظ على التوقيت الصحيح.

المصدر Chat-GPT