Zegarek kwarcowy - jak powstał i jak działa?

 By prześledzić historię związaną z powstaniem zegarków kwarcowych, trzeba cofnąć się do zdarzeń z końca XIX wieku. To wtedy odkryto zasadę, w oparciu o którą - zegarek kwarcowy działa, a po drodze dołożono niezbędną do tego technologię. Poniżej historia i opis działania zegarków na baterie. 

 Na początek oddajmy głos fizyce i historii. W niektórych materiałach – wyrobach ceramicznych, białkach i kościach, kryształach – pod wpływem naprężeń mechanicznych wytwarza się ładunek elektryczny. Materiał piezoelektryczny (piezoelektryk) jest to więc kryształ wykazujący zjawisko piezoelektryczne, polegające na pojawieniu się na jego powierzchni ładunków elektrycznych pod wpływem naciskania.
W roku 1880 bracia Jaques i Pierre Curie (małżonek naszej noblistki, Marii Curie-Skłodowskiej) odkryli tę prawidłowość i zaprezentowali ją światu. Piezoelektryczność (z greckiego języka zn. „ściskać”)  szybko znalazła zastosowanie. Zaprzęgnięto ją do pracy w urządzeniach wykorzystujących fale dźwiękowe -  sonarach, fonografach, telefonach i radiach. Znalazła też zastosowanie w przemyśle zegarkowym. Dziś, piezoelektryczność jest masowo wykorzystywana w konstrukcji współczesnych zegarków na rękę,  wyposażonych w rezonatory wykonane z kryształów kwarcu. Kryształy kwarcu zaczęto stosować w zegarach w latach 60-tych XX wieku. Kwarc to  minerał z gromady krzemianów przestrzennych zbudowany głównie z dwutlenku krzemu. Jest najpospolitszym minerałem w skorupie ziemskiej i składnikiem wielu skał.

Jak działa zegarek kwarcowy?

 Wywoływane przez baterię zegarka drgania kryształu są przeliczane przez rezonator kwarcowy i pozwalają na wyświetlanie na zegarku aktualnej godziny. W rezultacie drgań kryształu kwarcu mechanizm zegarka otrzymuje jeden impuls elektryczny na sekundę, który przesuwa sekundnik o jedno położenie na tarczy. Wykorzystywane w czasomierzach kryształki są przycinane do kształtu kamertonu i ustala się częstotliwość ich drgań na 32 768 Hz – czyli potrafią drgać prawie 33 tys. razy na sekundę. Specjalny mikroprocesor steruje zarządzaniem energii w zegarku i „przerabia" odebrane drgania kryształu kwarcu - na czas. Technicznie odbywa się to w poniższy sposób. 

Zintegrowany mikroprocesor w regulatorze zamienia energię elektryczną (z baterii) na impulsy, które dalej są przekazywane do balansu kryształu, by wprawić kryształ w drganie. Drgania kryształu przenoszone są na zintegrowany z kryształem mikroprocesor i są przez niego redukowane. W piętnastu binarnych krokach (poprzez zespół dzielników częstotliwości) wytwarzany jest impuls, który z 32 768 drgań na sekundę, wytwarza tylko jedno wahnięcie na sekundę (częstotliwość 1 Hz). 32 768 podzielone 15 razy na 2 da nam wynik 1. (Idąc odwrotnie 2¹⁵   = 32 768) . Impuls ten przekazywany jest z rezonatora dalej do rotorka, który poprzez mechanizm kół obraca wskazówki. Inaczej odbywa się technicznie wskazanie czasu w zegarku analogowym (poprzez wskazówki) i zegarku cyfrowym (na wyświetlaczu). Przeniesienie napędu w przypadku zegarków z analogwym odczytem  następuje poprzez rotorek i powiązany z nim system kół aż do wskazówek.  Rotorek otrzymuje od mikroprocesora sygnał co sekundę. Silnik krokowy (elektromagnetyczny mikro silniczek) zamienia impulsy na ruch kołowy. Składa się z cewki, blaszek stetora i rotora. Sygnał z mikroprocesora (prąd) płynący do silniczka krokowego, co sekundę zmienia swoją polaryzację, z plusa na minus i z minusa na plus. Prąd ten przekazuje się na cewkę, tworzy się na niej pole elekromagnetyczne. Oddziałuje ono na leżące naprzeciw siebie, w kierunku biegunów N i P – stetory, które są w przeciwieństwie do biegunów rotora i odpychają je. Takie odepchnięcie powoduje obrócenie się rotora o 180 stopni. Stała zmiana kierunku prądu, a więc i zmiana pola – odbywają się w tempie sekundowym i są powtarzalne. Mechanizm kół przekazuje wytworzony ruch kołowy przez silnik krokowy do wskazówek.  Stąd też prawie każdy zegarek „cyka” co sekundę i ruch sekundnika nie jest stale płynny jak w przypadku zegarków mechanicznych. 

Pierwszy zegar kwarcowy został stworzony w 1927 przez urodzonego w Kanadzie Warrena Marrisona. Przez następne trzydziestolecie zegary kwarcowe były wykorzystywane tylko w laboratoriach,  były dużych rozmiarów i miały konstrukcję podatną na uszkodzenia. W 1932 zegary kwarcowe były na tyle dokładne by zmierzyć małe tygodniowe zmiany w tempie obrotu Ziemi. 

 Seiko Astron (Seiko Quartz-Astron 35SQ) to pierwszy na świecie, produkowany na masową skalę, zegarek kwarcowy. Jego premiera w 25 grudnia 1969 jest uznawana za początek rewolucji kwarcowej i jeden z kamieni milowych w rozwoju elektrotechniki. W pierwszym tygodniu sprzedano 100 złotych zegarków, każdy po cenie katalgowej 450 000 jenów (1 250 dolarów), czyli ówcześnie równowartość średniej klasy samochodu. Według Seiko, mechanizm ten odmierza czas z precyzją ± 5 sek/msc (1min/rok), a jego żywotność baterii wynosiła minimum rok. Pomimo wysokiej ceny Seiko Astron sprzedawał się nadzwyczaj dobrze, a niebawem wraz z upowszechnieniem się tej technologii, dojdzie do rewolucji kwarcowej, która ostatecznie sprawi, że współcześnie na zakup zegarka kwarcowego może sobie pozwolić właściwie każdy bez wyjątku. Ofensywa zegarków kwarcowych zatrzęsła branżą w tak wielkim stopniu, że na lata zegarki mechaniczne skazała na marginalizację i wręcz technologiczne wymarcie. Wiele firm nie przetrwało konkurencji, inne musiały znacząco zmienić profil produkcji. Ucierpiała Szwajcaria, od wieków kojarzona z tradycyjnym zegarmistrzostwem. Zyskała Japonia, wykorzystująca nowatorską technologię. Rewolucja kwarcowa upowszechniła za to zegarki jako takie, znacząco obniżając też ich cenę i wielokrotnie zwiększając jednocześnie precyzję chodu.