Du schaust auf deine Uhr. Du denkst nicht über Physik nach. Sie möchten nur wissen, ob Sie zu spät kommen. Wenn jedoch der Quarz im Inneren nicht funktioniert, kommen Sie zu spät. Wenn die Anzeige ausfällt, erfahren Sie es erst, wenn Sie die Uhrzeit überprüfen.
Quarz und Flüssigkristall sind nicht einmal im gleichen Zustand. Diese sind jedoch das Rückgrat digitaler Uhren. Ohne diese wäre eine gewöhnliche Uhr nur ein Armband.
Was genau ist Quarz?
Kristalle sind überall. Quarz ist eines der am häufigsten vorkommenden Mineralien auf der Erde. Wissenschaftler nennen es Siliziumdioxid. Dies zeigt sich auch beim Schmuck. Sie sehen es im Sandpapier. Sie sehen es auch in Ihrem Telefon und Fernseher.
Das Geheimnis ist Piezoelektrizität.
Wenn man auf den Kristall drückt, entsteht eine elektrische Ladung. Legt man eine elektrische Ladung hinein, vibriert es. Dieser umgekehrte piezoelektrische Effekt ist der Grund, warum Quarz so gut für die Zeitmessung geeignet ist. Es braucht sehr wenig Kraft, um in Bewegung zu bleiben.
Warum brauchen Digitaluhren eine Flüssigkristallanzeige?
Flüssigkristalle sind anders. Sie sind keine einzelne Substanz. Sie wurden erstmals im 19. Jahrhundert entdeckt. Wissenschaftler untersuchten Cholesterin. Sie entdeckten den vierten Zustand der Materie.
Moleküle sind stäbchen- oder plattenförmig. Sie fließen wie eine Flüssigkeit. Sie behalten jedoch die Ausrichtung und Reihenfolge der Körper bei. Wenn Licht durch sie hindurchtritt, verändern sich ihre optischen Eigenschaften. Dadurch sind sie ideal für Displays geeignet.
Die erste Uhr mit LCD-Bildschirm kam 1973 auf den Markt. Seitdem haben LCD-Bildschirme Computer und Fernseher ersetzt. Zahlen werden auf dem LCD-Bildschirm der Uhr angezeigt.
Wie zeigt Quarz die Zeit an?
Eine digitale Quarzuhr besteht aus fünf Hauptteilen. Es ist ein Zeitmechanismus erforderlich. Sie benötigen eine Anzeige. Sie benötigen einen integrierten Schaltkreis. Du brauchst eine Batterie. Sie benötigen eine Platine.
Dies ist keine mechanische Uhr. Mechanische Uhren müssen aufgezogen werden. Sie benutzen Zahnräder. Sie verwenden keinen Quarz. Auch in Analoguhren kommen Zahnräder zum Einsatz. Sie verwenden normalerweise keine Flüssigkristalle. Digitale Quarzuhren nutzen beides.
Quarz ist ein Zeitmesser. Seiko führte dies 1969 in seinen Uhren ein und es wurde schnell zum Standard.
Die Genauigkeit ist hoch. Die angezeigte Zeit kann um einige Sekunden pro Monat variieren. Warum? Dies liegt daran, dass Quarz eine sehr hohe Schwingungsfrequenz hat. Es ist piezoelektrisch und verbraucht daher wenig Strom. Eine einzelne Alkalibatterie kann mehrere Jahre halten.
Die Batterie überträgt eine kleine Menge elektrischer Ladung an den integrierten Schaltkreis. Dieser Schaltkreis ist über kleine Elektroden mit dem Quarzoszillator verbunden. Der Strom bringt den Kristall zum Schwingen.
Vibrationen sind standardisiert. Beobachten Sie Quarzoszillatoren, die 32.768 Mal pro Sekunde vibrieren. Es beträgt 32,768 Kilohertz. Der integrierte Schaltkreis zählt diese Schwingungen. Es misst die Intervalle. Sekunden. Minuten. Zeit.
In jedem Intervall sendet die Schaltung einen elektrischen Impuls. Wohin geht der Puls? Zur Flüssigkristallanzeige.
Die Realität der Abweichung
Die Industrie standardisiert Vibrationen. Aber die Realität ist chaotisch. Der Oszillator vibriert etwas mehr oder etwas weniger. Es kommt auf die Temperatur an. Es kommt auf den Druck an.
Diese Uhr ist genau genug für den täglichen Gebrauch. Aber die Abweichungen summieren sich. Jeden Monat können Sie ein paar Sekunden verlieren. Es ist nicht perfekt. Aber es ist gut genug, um Sie zu Ihrem nächsten Termin zu bringen.
So funktioniert der Bildschirm
Die Impulse des integrierten Schaltkreises treffen auf die Flüssigkristallanzeige. Flüssigkristalle verändern ihre Anordnung. Sie blockieren oder lassen Licht durch. Dadurch werden die Zahlen erstellt, die auf dem Zifferblatt angezeigt werden.
Der Prozess ist still. Es ist effizient. Es basiert auf einem seltsamen Tanz zwischen vibrierenden Kristallen und fließenden Flüssigkeiten.
Sie schauen auf Ihre Uhr. Eine Zahl wird angezeigt. Du solltest gehen. Sie werden nie wieder an Kieselsäure oder Cholesterinderivate denken. Bis die Batterie leer ist. Oder der Bildschirm wird dunkel. Dann erinnerst du dich.
Die Technik ist einfach. Physik ist kompliziert. Das Ergebnis ist nur eine Zahl.
Quarz zeichnet kleine Momente auf, die der Mensch nicht wahrnehmen kann. Flüssigkristalle verwandeln diesen unsichtbaren Rhythmus in etwas, das wir lesen können. Eine davon ist die Zeitmessung. Ein anderer zeigt es. Zusammen sorgen diese dafür, dass Ihr Zeitplan intakt bleibt.
Flüssigkristall-Twist
Die LCD-Bildschirme haben seltsame Abstände. Es ist nicht sehr haltbar. Es ist weniger Flüssigkeit vorhanden. Aufgrund seiner optischen Eigenschaften eignet es sich ideal für eine Twisted Nematic (TN)-Anzeige, die bei den meisten Digitaluhren Standard ist.
Innerhalb dieses Schirms sind die Moleküle spiralförmig angeordnet. Betrachten Sie sie als winzige Korkenzieher. Durch Anlegen eines elektrischen Impulses (äußere Kraft) werden diese Bindungen aufgebrochen. Diese physikalische Veränderung verändert die Art und Weise, wie sich Licht ausbreitet.
Zwischen Licht und Strom
LCD-Bildschirme sind im Grunde Sandwiches. Es besteht aus zwei Glasstücken. Beide leiten Strom. Dazwischen sitzen die Flüssigkristallchemikalien.
Das ist der schwierige Teil. Jede Platte verfügt über einen Polarisationsfilter. Die Filter sind in einem Winkel von 90 Grad zueinander ausgerichtet. Typischerweise sind die Flüssigkristallmoleküle parallel zu diesen Filtern ausgerichtet. Das Umgebungslicht wird vom Spiegel unten reflektiert. Das Ergebnis? Silberner reflektierender Hintergrund. Aus diesem Grund sieht das Zifferblatt im Dunkeln metallisch aus.
Wenn man jedoch eine elektrische Ladung anwendet, drehen sich die Moleküle um. Sie verlaufen senkrecht zum Filter. Filter absorbieren alles Licht. Die Zellen werden schwarz.
„Wenn Sie einer Flüssigkristallanzeige eine Ladung hinzufügen, ändern die Moleküle ihre Ausrichtung … und hinterlassen schwarze Zellen auf dem Bildschirm.“
Zähle die Sekunden
Integrierte Schaltkreise übernehmen die schwere Arbeit. Es empfängt Zeitdaten vom Quarzoszillator. Dieser Schaltkreis sendet in regelmäßigen Abständen elektrische Impulse, beispielsweise jede Sekunde, Minute oder Stunde.
Diese Impulse teilen dem LCD-Bildschirm mit, welche Teile ein- oder ausgeschaltet werden sollen. Der Bildschirm ist in mehrere Teile unterteilt. Die meisten Ziffern verwenden ein siebensegmentiges Layout. Hier werden die Zahlen 0-9 angezeigt. Wenn Sie ein Segment ändern, werden aus drei zwei. Aus einer Fünf wird eine Sechs.
Einige Displays verwenden Abschnitte mit 14 Segmenten. Diese haben mehr Zellen. Sie können Buchstaben anzeigen, nicht nur Zahlen. Wenn es jedoch um das Timing geht, überwiegen Sieben-Segment-Modelle. Auf diese Weise können Sie in einer Sekunde 12:15 und in der nächsten 12:16 lesen.
Eine unwahrscheinliche Partnerschaft
Quarz und Flüssigkristall sind grundsätzlich unterschiedliche Materialien. Ihr Zweck ist ein völlig anderer. Quarz schwingt. Flüssigkristalle blockieren oder lassen Licht durch.
Aber ohne diese Partnerschaft wären wir verloren. Quarz sorgt für den Herzschlag. Flüssigkristall sorgt für das Gesicht. Ohne das eine ist das andere nur ein Häkchen oder ein leerer Bildschirm.
