Guardi l’orologio e non pensi alla fisica. Vuoi solo sapere se sei in ritardo. Tuttavia, se il quarzo all’interno non funziona, farai tardi. Se il display si spegne, non lo saprai finché non controlli l’ora.
Il quarzo e i cristalli liquidi non sono nemmeno nello stesso stato. Tuttavia, queste sono la spina dorsale degli orologi digitali. Senza questi, un normale orologio sarebbe solo un braccialetto.
Cos’è esattamente il quarzo?
I cristalli sono ovunque. Il quarzo è uno dei minerali più abbondanti sulla terra. Gli scienziati lo chiamano biossido di silicio. Questo può essere visto anche in gioielleria. Lo vedi nella carta vetrata. Lo vedi anche nel tuo telefono e nella TV.
Il segreto è la piezoelettricità.
Quando si preme sul cristallo, si crea una carica elettrica. Mettigli una carica elettrica e vibra. Questo effetto piezoelettrico inverso è il motivo per cui il quarzo è così adatto per il cronometraggio. Ha bisogno di pochissima energia per continuare a muoversi.
Perché gli orologi digitali necessitano di un display a cristalli liquidi?
I cristalli liquidi sono diversi. Non sono una sostanza unica. Furono scoperti per la prima volta nel XIX secolo. Gli scienziati stavano studiando il colesterolo. Hanno scoperto il quarto stato della materia.
Le molecole hanno la forma di bastoncini o piastre. Scorrono come un liquido. Ma mantengono l’allineamento e l’ordine dei solidi. Quando la luce li attraversa, le loro proprietà ottiche cambiano. Questo li rende ideali per i display.
Il primo orologio con schermo LCD è stato lanciato sul mercato nel 1973. Da allora, gli schermi LCD hanno sostituito computer e televisori. I numeri vengono visualizzati sullo schermo LCD dell’orologio.
Come fa il quarzo a leggere l’ora?
Un orologio al quarzo digitale è composto da cinque parti principali. È necessario un meccanismo di temporizzazione. Hai bisogno di uno schermo. Hai bisogno di un circuito integrato. Hai bisogno di una batteria. Hai bisogno di un circuito.
Questo non è un orologio meccanico. Gli orologi meccanici devono essere caricati. Usano gli ingranaggi. Non usano il quarzo. Gli ingranaggi sono utilizzati anche negli orologi analogici. Di solito non usano cristalli liquidi. Gli orologi digitali al quarzo utilizzano entrambi.
Il quarzo è un cronometrista. Seiko lo introdusse nei suoi orologi nel 1969 e divenne rapidamente lo standard.
La precisione è elevata. L’ora visualizzata può variare di alcuni secondi al mese. Perché? Questo perché il quarzo ha una frequenza vibrazionale molto elevata. È piezoelettrico, quindi consuma poca energia. Una singola batteria alcalina può durare diversi anni.
La batteria trasferisce una piccola quantità di carica elettrica al circuito integrato. Questo circuito è collegato all’oscillatore a cristallo tramite piccoli elettrodi. La corrente fa vibrare il cristallo.
Le vibrazioni sono standardizzate. Guarda gli oscillatori al quarzo che vibrano 32.768 volte al secondo. Sono 32.768 kilohertz. Il circuito integrato conta queste vibrazioni. Misura gli intervalli. Secondi. Minuti. tempo.
Ad ogni intervallo, il circuito invia un impulso elettrico. Dove va il polso? Al display a cristalli liquidi.
La realtà della deviazione
L’industria standardizza le vibrazioni. Ma la realtà è confusa. L’oscillatore vibra un po’ di più o un po’ di meno. Dipende dalla temperatura. Dipende dalla pressione.
Questo orologio è abbastanza preciso per l’uso quotidiano. Ma le deviazioni si sommano. Ogni mese puoi perdere qualche secondo. Non è perfetto. Ma è abbastanza buono per portarti al tuo prossimo appuntamento.
Come funziona lo schermo
Gli impulsi del circuito integrato colpiscono il display a cristalli liquidi. I cristalli liquidi cambiano la loro disposizione. Bloccano o lasciano passare la luce. Questo crea i numeri che appaiono sul quadrante.
Il processo è silenzioso. È efficiente. Si basa su una strana danza tra cristalli vibranti e liquidi fluenti.
Controlli l’orologio. Verrà visualizzato un numero. Dovresti andartene. Non penserai mai più ai derivati della silice o del colesterolo. Fino a quando la batteria non si esaurisce. Oppure lo schermo si oscura. Poi ti ricordi.
La tecnica è semplice. La fisica è complicata. Il risultato è solo un numero.
Il quarzo registra piccoli momenti che le persone non possono percepire. I cristalli liquidi trasformano questo ritmo invisibile in qualcosa che possiamo leggere. Uno è misurare il tempo. Un altro lo mostra. Insieme, questi assicurano che il tuo programma rimanga intatto.
Torsione di cristalli liquidi
Gli schermi LCD sono stranamente distanziati. Non è molto durevole. C’è meno liquido. Le sue proprietà ottiche lo rendono ideale per un display twisted nematic (TN), che è lo standard per la maggior parte degli orologi digitali.
All’interno di questo schermo, le molecole sono disposte in una spirale attorcigliata. Pensateli come piccoli cavatappi. L’applicazione di un impulso elettrico (forza esterna) rompe questi legami. Questo cambiamento fisico cambia il modo in cui viaggia la luce.
Tra luce ed elettricità
Gli schermi LCD sono fondamentalmente dei sandwich. Ha due pezzi di vetro. Entrambi conducono elettricità. Tra di loro si trovano le sostanze chimiche a cristalli liquidi.
Questa è la parte difficile. Ogni piastra ha un filtro polarizzatore. I filtri sono orientati ad un angolo di 90 gradi l’uno dall’altro. Tipicamente, le molecole dei cristalli liquidi sono allineate parallelamente a questi filtri. La luce ambientale viene riflessa dallo specchio sottostante. Il risultato? Sfondo riflettente argento. Questo è il motivo per cui il quadrante appare metallico al buio.
Ma applica una carica elettrica e le molecole si capovolgono. Corrono perpendicolari al filtro. I filtri assorbono tutta la luce. Le celle diventano nere.
“Quando aggiungi una carica a uno schermo a cristalli liquidi, le molecole cambiano il loro orientamento… lasciando cellule nere sullo schermo.”
Conta i secondi
I circuiti integrati gestiscono il lavoro pesante. Riceve i dati orari dall’oscillatore al quarzo. Questo circuito invia impulsi elettrici a intervalli regolari come ogni secondo, minuto o ora.
Questi impulsi indicano allo schermo LCD quali parti accendere o spegnere. Lo schermo è diviso in più parti. La maggior parte delle cifre utilizza un layout a sette segmenti. Verranno visualizzati i numeri da 0 a 9. Se cambi un segmento, tre diventano due. Un cinque diventa un sei.
Alcuni display utilizzano sezioni da 14 segmenti. Questi hanno più cellule. Possono mostrare lettere, non solo numeri. Tuttavia, per quanto riguarda i tempi, prevalgono i modelli a sette segmenti. In questo modo puoi leggere 12:15 un secondo e 12:16 quello successivo.
Una partnership improbabile
Il quarzo e il cristallo liquido sono materiali fondamentalmente diversi. Il loro scopo è completamente diverso. Il quarzo oscilla. I cristalli liquidi bloccano o trasmettono la luce.
Ma senza questa partnership saremmo perduti. Il quarzo fornisce il battito cardiaco. Il cristallo liquido fornisce il viso. Senza uno, l’altro è solo una casella da spuntare o uno schermo vuoto.
