Когда вы смотрите на свои часы, вы, вероятно, не думаете о том, насколько кварц и жидкие кристаллы отличаются друг от друга. И вы, вероятно, не должны - к тому времени, как вы закончите отмечать их контрасты, вы можете опоздать на следующую встречу. Но хотя кварц и жидкий кристалл даже не находятся в одном и том же состоянии вещества, у них есть одна важная общая черта: обычные цифровые часы не будут нормально работать без них.
Прежде чем мы сравним их функции внутри часов, давайте посмотрим на некоторые свойства каждого вещества. Кварц- один из самых распространенных минералов на поверхности земли. Кварц, известный под химическим названиемдиоксид кремния, представляет собой кристаллическое твердое вещество, используемое в качестве компонента в ювелирных изделиях и наждачной бумаге. Кристаллы кварца также являются обычным компонентом таких устройств, как сотовые телефоны, телевизионные приемники и, конечно же, наручные часы. Одна из основных причин, по которой кварц используется во многих электронных устройствах, заключается в том, что он являетсяпьезоэлектрическим, что означает, что он генерирует электрический заряд, когда на него оказывается давление. Кварц также демонстрирует обратный пьезоэлектрический эффект: когда к кристаллу кварца прикладывается электрический заряд, он начинает вибрировать. Как мы увидим, эти атрибуты становятся очень важными, когда дело доходит до сохранения времени.
Жидкие кристаллы, с другой стороны, не являются единичным веществом. Жидкие кристаллы, впервые обнаруженные в 19 веке учеными, пытавшимися определить молекулярную массу холестерина, на самом деле представляют собой класс соединений, включающих четвертое состояние вещества: палочковидные или пластинчатые молекулы в жидких кристаллах имеют тенденцию течь, как жидкости. но сохраняйте выравнивание и порядок, видимые в твердых телах. Вы, наверное, заметили, что ЖК-дисплеи, также известные как жидкокристаллические дисплеи, широко используются в компьютерах, телевизорах и множестве других устройств. Это потому, что молекулы жидких кристаллов обладают оптическими свойствами, которые могут влиять на свет, когда он проходит через них. Первые часы с жидкокристаллическим дисплеем появились в 1973 году.
Теперь, когда мы знаем о различных свойствах кварца и жидких кристаллов, давайте посмотрим, как каждый из них функционирует внутри часов.
Роль кварца
Давайте рассмотрим основные компоненты, которые необходимы часам для правильной работы:
- хронометрический механизм, который измеряет продолжительность времени, передавая постоянную частоту
- дисплей, отображающий время понятным нам образом
- интегральная схема, хранящая дату и время и взаимодействующая с механизмом отсчета времени и дисплеем
- батарейка для питания этих элементов
- печатная плата для размещения и соединения всех частей
Помните, что мы говорим именно о цифровых кварцевых часах и часах. Они отличаются от механических часов, которые должны регулярно заводиться и обычно не содержат кварца, и они отличаются от аналоговых часов и часов, в которых используются шестерни для движения стрелок по циферблату, которые обычно не содержат жидких кристаллов.
Кварц действует как механизм хронометража. Кристаллы кварца, впервые представленные Seiko в 1969 году, стали стандартом для современных производителей часов в последующие десятилетия. Кварц, используемый в часах, вибрирует с очень высокой частотой. Это обеспечивает высокую точность: время, отображаемое на кварцевых часах, может отклоняться от реального времени всего на несколько секунд в течение определенного месяца. Кроме того, поскольку кварц является пьезоэлектрическим, ему требуется очень мало энергии для вибрации, что позволяет одной щелочной батарее питать кварцевые часы годами подряд.
Кварц работает в паре с интегральной схемой часов. Короче говоря, батарея посылает небольшой электрический заряд на интегральную схему, которая подключена к кварцевому генератору с парой крошечных электродов. Цепь пропускает электричество через кварцевый генератор, и он начинает вибрировать. Кварцевые генераторы, используемые в часах, были стандартизированы для вибрации 32 768 раз в секунду или с частотой 32,768 кГц. Интегральная схема запрограммирована на подсчет колебаний осциллятора и измерение интервалов - секунд, минут, часов и так далее. На каждом интервале цепь передает электрический импульс.
И куда девается этот пульс? Жидкокристаллический дисплей. Как жидкий кристалл отображает цифры на цифровом циферблате? Читайте дальше, чтобы узнать.
Стандартное отклонение
В то время как часовая индустрия стандартизирует кварцевые генераторы для вибрации 32 768 раз в секунду, реальность такова, что генератор вибрирует немного больше или немного меньше, в зависимости от температуры и давления в окружающей среде. Хотя часы по-прежнему достаточно точны для повседневного использования, большее или меньшее количество вибраций может привести к отклонению от реального времени на несколько секунд каждый месяц.
Роль жидких кристаллов
В то время как кварц измеряет течение времени в микромоментах, незаметных для человека, жидкий кристалл помогает отображать течение времени на дисплее таким образом, который мы можем легко понять.
Мы упоминали ранее, что жидкие кристаллы обладают оптическими свойствами, которые делают их предпочтительным компонентом ЖК-экранов. Жидкокристаллические вещества классифицируются по спектру между твердыми и жидкими в зависимости от их индивидуальных характеристик. Наиболее распространенный тип дисплея, используемый для ЖК-экранов на цифровых часах, называетсявитой нематический (TN) дисплей Молекулы, из которых состоит жидкий кристалл в этом дисплее, расположены в виде скрученной, спиральная форма. Но химические вещества можно раскрутить, применив внешнюю силу, например электрический импульс, который повлияет на проходящий через них свет.
ЖК-дисплей на часах, по сути, помещает жидкокристаллические химические вещества между двумя электропроводящими стеклянными пластинами с поляризационными фильтрами, прикрепленными к каждой пластине и ориентированными под углом 90 градусов друг к другу. Молекулы жидких кристаллов естественным образом движутся параллельно поляризационному фильтру, позволяя освещению от окружающего света отражаться от зеркала, расположенного под поляризатором, что придает ЖК-дисплею серебристый вид. Однако приложение электрического заряда к жидким кристаллам меняет ориентацию их молекул, чтобы они располагались перпендикулярно поляризационному фильтру, и фильтр поглощал весь свет, оставляя на дисплее черные ячейки.
Когда интегральная схема выпускает эти электрические импульсы через каждую секунду, минуту, час и другие интервалы, измеряемые кварцевым генератором, она связывается с ЖК-дисплеем, чтобы включать и выключать части ЖК-дисплея. ЖК-дисплей разделен на серию семи- или 14-сегментных секций, и каждая семисегментная секция передает цифры от нуля до девяти. Комбинация разделов может показать течение времени, например, с 12:15 до 12:16 или с 1:00 до 2:00. (Благодаря большему количеству ячеек 14-сегментные секции могут отображать не только цифры, но и буквы.)
Как видите, кварц и жидкие кристаллы - это очень разные вещества, которые служат совершенно разным целям, когда речь идет об отсчете времени. Но если бы они оба не работали вместе, мы бы, вероятно, опоздали.
Примечание автора
Самым большим сюрпризом во время моего исследования этой истории был парадокс: жидкие кристаллы и кварц не имеют почти ничего общего, но внутри наручных часов они зависят друг от друга. Думаю, я никогда не задумывался об этом, потому что я не ношу часы уже много лет (пока у меня есть iPhone, я, вероятно, никогда больше не буду). Но теперь поразительно знать, что всякий раз, когда я встречаю кого-то с кварцевыми часами, время определяется тысячами микровибраций в секунду; что мы распознаем сдвиг вперед, потому что свет проходит через фильтры; и что все это происходит совершенно незаметно, но так близко к нам в простой технологии, которую мы принимаем как должное. Это заставляет меня задаться вопросом, что внутри моего устройства открывания гаражных ворот.