Навигация
8. Атомные часы
До 40-х годов XX в. приборы времени были основаны только на использовании колебаний механических осцилляторов – маятника, баланса со спиральной пружиной и кристалла кварца. У этих и других осцилляторов, имеющих макроразмеры, собственная частота колебаний в значительной степени зависит от ряда дестабилизирующих факторов (температуры, барометрического давления, степени старения материалов и т.д.). Поэтому они не могут обладать такой высокой стабильностью, какая нужна для точного измерения времени.
Эталон времени и частоты, основанный на астрономическом определении его, также оказался величиной непостоянной. Было установлено, что угловая скорость вращения Земли изменяется, в результате чего продолжительность суток в течение года может отличаться от средней их продолжительности за год на Ѓ} 0,001 с. Поэтому пришлось отказаться от меры времени–секунды как основного эталона времени (1/86 400 доли солнечных суток).
В последние десятилетия развитие атомной физики и микроволновой радиоспектроскопии привело к созданию принципиально нового эталона частоты и времени на атомных постоянных, разработанного на основе изобретения молекулярных и атомных часов. Последние основаны на применении таких осцилляторов, как атом и молекула, частота колеба-ний которых в микромире строго стабильна и не зависит от внешних воздействий и для которых справедливы законы квантовой механики. В молекулярных часах в качестве осцилляторов используются группы молекул, в атомных часах – группы отдельных атомов. Кроме того, эти квантово-механические приборы времени можно разделить, в зависимости от выбранного вида осциллятора, на аммиачные, цезиевые, водородные, рубидиевые и др.
Появление и развитие этих приборов времени произвело революцию в области измерения времени. Она явилась одним из важных направлений научно-технической революции XX в.
В развитии квантовой колебательной хронометрии до наших дней можно выделить два периода, из которых начальный приходится на подготовку и создание в 1948 г.: первый – молекулярных (на аммиаке) часов, а второй падает уже на наши дни, так как именно за последние тридцать лет были созданы все модели молекулярных и атомных часов.
Первые молекулярные часы, 1948 г. В молекулах возможны такие энергетические состояния, для которых изменение энергии (Еп – Ет), входящей в уравнения Бора, настолько мало, что частоты, соответствующие этим энергетическим разностям, лежат в области миллиметровых и сантиметровых волн.
В сантиметровом диапазоне радиоволн систематические исследования начались с 1946 г., после освоения этого диапазона в результате развития радиолокации. Особенное значение для создания первых молекулярных часов имело изучение радиоспектра газообразного аммиака в области сантиметровых и миллиметровых радиоволн. В газообразном аммиаке имеет место сильное избирательное поглощение на волне 1,25 см и существует еще ряд частот, при которых оно происходит. В разреженном газе эти области поглощения настолько узки, что образуют спектральные линии поглощения. Совокупность спектральных линий дает радиоспектр газа.
В 1947 г. спектральные линии поглощения аммиака были применены для стабилизации частоты отражательного клистрона – широко распространенной электронной лампы для генерации радиоволн сантиметрового диапазона, а в 1948 г. – для создания молекулярных (аммиачных) часов. Колебания атомов в молекуле происходят с относительно меньшей частотой, поэтому их легче было связать с механической или электрической системой, показывающей время. Этим и объясняется то, что раньше всего появились молекулярные, а не атомные часы.
Первые практические результаты, показавшие возможность создания молекулярных часов, постоянных в качестве эталона времени и частоты, были достигнуты в Национальном комитете стандартов в Вашингтоне на основе использования принципа, разработанного Гарольдом Лайонсом – сотрудником научно-исследовательской лаборатории по изучению микроволн.
Опытным путем было обнаружено, что в волноводных трубках, заполненных аммиаком при атмосферном давлении 10 – 2, т.е. в сильно разреженном состоянии, на волне 1,25 см можно получать довольно узкие спектры поглощения аммиака. Впервые это явление было замечено в отношении газов в 1934 г. Клеетоном и Вильямсом.
9. Электрические и электронные наручные часы
В последние десятилетия в развитии наручных часов отчетливо наметились две основные тенденции. Одна связана с дальнейшим усовершенствованием традиционных механических наручных часов с целью повышения точности и стабильности их хода, другая направлена на создание новых конструкций электрических и электронных наручных часов.
Основная идея совершенствования механических наручных часов заключается в стабилизации импульса, сообщаемого часовым механизмом, и в обеспечении изохронизма колебательной системы в различных положениях. Так, часы с автоматическим заводом, непрерывно подзаводящим пружину, часы со стабилизатором, выравнивающим момент на оси анкерного колеса, отличаются более стабильным режимом работы, чем часы, не имеющие их. Однако на этом пути трудно ожидать каких-либо кардинально новых технических решений, поскольку за длительный период существования механические часы в большей мере исчерпали ресурсы своего развития. Поэтому особый интерес представляет быстро развивающаяся область электрохронометрии. Электрические наручные часы способны работать в течение года (и более) от одной батареи. Увенчались успехом и усиленные поиски путей и средств для замены классической системы баланс–спираль новыми высокочастотными осцилляторами (камертон, кварц). Наручные камертонные часы выпускаются в США фирмой Бюлова миллионами штук. В настоящее время кварцевые наручные часы могут считаться уже вполне освоенными, серийное их производство налажено во многих странах (Швейцария, Япония, СССР и др.). Добротность новых осцилляторов значительно выше, чем добротность системы баланс–спираль. Необходимость преобразования относительно высокой частоты таких осцилляторов в сравнительно медленное движение стрелок связано с рядом трудностей. Они стали причиной того, что малогабаритные часы с такими осцилляторами появились с большим запозданием.
Однако в настоящее время основные проблемы, стоящие на пути создания электронно-механических часов, получили более или менее удовлетворительное решение.
Электрические наручные часы. Отдельные попытки использовать достижения электротехники для создания электромеханических хронометров (с балансовым регулятором) имели место еще во второй половине XIX в. Именно к 1872 г. относится создание электромеханических хронометров И.А. Данишевским и к 1882 г.-И.А. Тимченко [19, 192–197] на основе работ русской электротехнической школы, во главе которой тогда стояли Р.Н. Яблочков, А.Н. Лодыгин и др. В 1904 г. в Женеве был выдан Н.А. Комприче патент на электрический морской хронометр. К концу XIX в. среди изобретателей разных стран появляется интерес к созданию карманных часов с электрическим приводом. В 1899 г. патент на электромеханические часы обычного типа был выдан Д. Бютхеру (США), а в 1900 г. – на электромеханический спусковой регулятор И. Купцову (Россия) [19, 200]. В 1920 г. два французских изобретателя изготовили электрические карманные часы. Хотя в данной области было заявлено множество патентов, их реализация задерживалась из-за непреодолимых в то время Трудностей, связанных с отсутствием миниатюрных батарей и с проблемой осуществления контактов и надежного спускового регулятора.
Исследования с целью создания наручных часов с электрическим приводом становятся более интенсивными начиная с 1945 г. В США и Франции на проведение этих исследований были вложены значительные средства. В печати того времени высказывались оптимистические прогнозы о том, что в 1953 г. появятся электронные наручные часы и часовая промышленность переключится на их изготовление взамен механических часов. К сожалению, производство таких наручных часов вызвало большие трудности; их выпуск был на время прекращен. Тем не менее в производстве электрических часов крупного калибра были достигнуты значительные успехи; эти часы стали вытеснять даже механические часы.
Производство нового типа наручных часов началось не с электронных, а с электромеханических контактных часов. Они были созданы на основе традиционной, хорошо освоенной часовщиками системы баланс–спираль с применением в качестве источника энергии миниатюрной батареи. Первые промышленно изготовленные образцы наручных электрических часов появились во Франции в 1954 г., а серийное их изготовление впервые осуществила в январе 1957 г. американская фирма Гамильтон. Особенно интенсивно производство наручных электрических часов стало развиваться с 1965 г.
10. Электронно-механические наручные часы
Рассмотренные конструкции электромеханических часов из-за наличия контакта не могут обеспечить надежность в работе в течение длительного срока службы. Другим принципиальным их недостатком является значительное рассеивание магнитного потока, что приводит к большим энергетическим потерям. Это вызвало поиски других конструктивных решений, в первую очередь таких, где не требовались бы электрические контакты. Дальнейший прогресс и заключался в применении в наручных часах бесконтактного спускового механизма на транзисторах.
В 1918 г. В. Экклс и Ф, Джордан в Англии и в 1919 г. Г. Абрахам и Э. Блох во Франции применили трехэлектродные вакуумные радиолампы для бесконтактного управления импульс-ной катушкой маятника. Одновременно же они предложили первую схему электронно-механического камертонного регулятора. Но такая схема привода не нашла широкого примене-ния из-за малого срока службы электронных ламп и других причин. Положение изменилось после изобретения транзисторов – кристаллических триодов точечного типа.
Джон Бардин и Уолтер Бреттейн 23 декабря 1947 г. обнаружили, что германий может выполнять функции выпрямителя. В 1951 г. им удалось осуществить разработку конструкции германиевого плоскостного триода – транзисторакак основного элемента современной полупроводниковой техники. В 1956 г. эти изобретатели за открытие способности транзистора осуществлять все функции приемно-усилительных ламп получили Нобелевскую премию. Это открытие имело своим следствием возникновение и развитие полупроводниковой техники и, в частности, применение германиевых транзисторов для создания электронно-механических часов. В электронно-механических часах имеется электронная система – формирования импульса для приведения осциллятора в колебательное состояние. В качестве осциллятора раньше всего был применен маятник и баланс, а затем камертон.
Система привода в электронно-механических регуляторах представляет собой электронно-механическое устройство, преобразующее электрическую энергию тока источника питания в механическую энергию импульса привода.
В настоящее время основное отличие электромеханических часов от электронно-механической практики сводится к способу переключения цепи источника тока в момент передачи энергии часовому осциллятору. В электромеханических часах это переключение осуществляется путем замыкания обычных контактов, а в электронно-механических – переключением транзистора, т.е. процесс формирования импульса в этих часах осуществляется не с помощью контакта, а с помощью транзистора. Соответственно этому электромеханические часы называют контактными, а электронно-механические – бесконтактными.
Первые сведения об электронно-механических регуляторах на транзисторах, предложенных в 1953 г. французскими инженерами М. Лаве и Ж. Дитчем, появились в печати в 1957 г. На этом принципе в течение 1953–1956 гг. французская фирма Ато сконструировала электронно-механический хронометр типа Хроностат, который стал выпускаться серийно фирмой Леруа. В нем в качестве регулятора применена система баланс – спираль с магнитно-электрической системой привода, каскад формирования импульса собран на плоском германиевом триоде.
Список используемой литературы
1. Канн Г. Краткая история часового искусства. Л., 1926.
2. Завельский Ф.С. Время и его измерение. М.: Наука, 1977.
3. Время и современная физика: (Сб. статей). Пер. с фр. М.: Мир, 1970
4. Бакулин П.И., Блинов С.Н. Служба точного времени. М.: Наука, 1968.
5. Бек Т. Очерки по истории машиностроения. М.; Л.: Гостехиздат, 1933.Т. 1.
6. Бернал Дж. Наука в истории общества. М.: ИЛ, 1956.
7. Берри А. Краткая история астрономии. М.; Л.: Гостехиздат, 1946.
8. McCarthy J. Remington: A matter of time. N.Y.;.L., 1947.
9. Milham W.J. Time and timekeepers. N.Y., 1945.
10. Агафонов В.К. Современная техника. М., 1915. Т. 3. Ч. II.
11. Геродот. История в девяти книгах. Л.: Наука, 1972.
12. Добиаш-Рождественская О.А. Как люди научились узнавать время? Берлин, 1924.
13. Аксельрод 3. М. Часовые механизмы: Теория, расчет и проектирование.
М.; Л.: Машгиз, 1947.
14. Шишелов Л.П. Механика часового механизма. Л.: Кубуч, 1933. Ч. 1; Л.: ОНТИ, 1935. Ч. 2.
Похожие работы
... Дотримання цих умов обов’язкове для покупця жінки. Спробуємо тепер перевірити правильність наших висновків. Звернемося до історії, оскільки вона зберегла до нас дані щодо правового становища заміжньої жінки, заснованого в стародавності на викраденні, давнині, купівлі й інших способах. Найдавніша історія скупа у своїх свідченнях. Дещо зберегла вона для нас із глибокої давнини. Але і це дещо часто ...
... платы. 4.Расширение общественных фондов потребления снижало заинтересованность личности в результатах своего труда. 1 В Полном собрании сочинений В.И.Ленина нет никаких высказываний, о которых говорит И.В.Сталин. В.Н. Гузаров и Н.И. Гузарова Курс лекций «История России: 1861-1995 гг. Томск - 1999Глава 1. Введение к курсу «Истории России» Территория современной России, огромной страны, ...
... об исторических персоналиях, оснащены иллюстрациями, портретами. Представленный материал помогает учащимся создать представление об эпохе, о жизнедеятельности исторических личностей прошлого. ГЛАВА 11. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ПЕРСОНАЛИЙ НА УРОКАХ ИСТОРИИ РОССИИ (8 КЛАСС) § 1 Итоги констатирующего эксперимента Педагогическое исследование происходило в три этапа. Каждый этап имел свои цели и ...
... это? Почему? Обоснованные доказательства с привлечением фактического материала Вопросы В чём его суть? Обоснованные доказательства сути неизвестного явления Формирование познавательной способности старшеклассников на уроках истории таджикского народа в школе не может осуществляться без постоянного управления со стороны педагогов. Это означает, что педагогический коллектив строго следит за ...
0 комментариев