Вы смотрите на часы. Вы не думаете о физике. Вам просто нужно знать, не опаздываете ли вы. Однако, если кварц внутри не работает, вы опоздаете. Если дисплей выйдет из строя, вы узнаете об этом только тогда, когда проверите время.
Кварц и жидкие кристаллы находятся даже не в одном агрегатном состоянии. Однако именно они составляют основу цифровых часов. Без них обычные часы были бы просто браслетом.
Что такое кварц?
Кристаллы повсюду. Кварц — один из самых распространенных минералов на Земле. Ученые называют его диоксидом кремния. Его также можно увидеть в ювелирных изделиях. Вы видите его в наждачной бумаге. Вы также видите его внутри своего телефона и телевизора.
Секрет заключается в пьезоэлектричестве.
Когда вы давите на кристалл, он создает электрический заряд. Если подать в него электрический заряд, он начнет вибрировать. Именно обратный пьезоэлектрический эффект делает кварц столь подходящим для измерения времени. Для поддержания колебаний требуется очень мало энергии.
Зачем цифровым часам нужен жидкокристаллический дисплей?
Жидкие кристаллы — это нечто иное. Они не являются единым веществом. Они были впервые обнаружены в XIX веке. Ученые изучали холестерин. Они открыли четвертое состояние материи.
Молекулы имеют стержневидную или пластинчатую форму. Они текут, как жидкость. Но сохраняют ориентацию и порядок, характерные для твердых тел. Когда свет проходит через них, их оптические свойства изменяются. Это делает их идеальными для дисплеев.
Первые часы с ЖК-экраном были выпущены в 1973 году. С тех пор ЖК-дисплеи заменили компьютеры и телевизоры. Цифры отображаются на ЖК-экране часов.
Как кварц отсчитывает время?
Цифровые кварцевые часы имеют пять основных частей. Нужен механизм отсчета времени. Нужен дисплей. Нужна интегральная схема. Нужна батарея. Нужна печатная плата.
Это не механические часы. Механические часы нужно заводить. Они используют шестерни. Они не используют кварц. Шестерни также используются в аналоговых часах. Они, как правило, не используют жидкие кристаллы. Цифровые кварцевые часы используют и то, и другое.
Кварц — это хронометрист. Seiko представила эту технологию в своих часах в 1969 году, и она быстро стала стандартом.
Точность высокая. Отображаемое время может отклоняться на несколько секунд в месяц. Почему? Это связано с тем, что кварц имеет очень высокую частоту колебаний. Он пьезоэлектричен, поэтому потребляет мало энергии. Одной щелочной батареи может хватить на несколько лет.
Батарея передает небольшой электрический заряд на интегральную схему. Эта схема подключена к кварцевому генератору через небольшие электроды. Ток заставляет кристалл вибрировать.
Колебания стандартизированы. Кварцевые генераторы часов вибрируют 32 768 раз в секунду. Это 32,768 килогерца. Интегральная схема подсчитывает эти колебания. Она измеряет интервалы. Секунды. Минуты. Время.
На каждом интервале схема посылает электрический импульс. Куда идет импульс? На жидкокристаллический дисплей.
Реальность отклонений
Отрасль стандартизирует колебания. Но реальность несовершенна. Генератор вибрирует немного больше или немного меньше. Это зависит от температуры. Это зависит от давления.
Эти часы достаточно точны для повседневного использования. Но отклонения накапливаются. Каждый месяц вы можете терять несколько секунд. Это не идеально. Но этого достаточно, чтобы попасть на следующую встречу.
Как работает экран
Импульсы от интегральной схемы воздействуют на жидкокристаллический дисплей. Жидкие кристаллы изменяют свою ориентацию. Они блокируют или пропускают свет. Это создает цифры, которые появляются на циферблате часов.
Процесс бесшумен. Он эффективен. Он основан на странном танце между вибрирующими кристаллами и текущими жидкостями.
Вы смотрите на часы. Отобразится число. Пора выходить. Вы больше никогда не подумаете о диоксиде кремния или производных холестерина. Пока не сядет батарея. Или пока экран не погаснет. Тогда вы вспомните.
Техника проста. Физика сложна. Результат — просто число.
Кварц фиксирует мельчайшие промежутки времени, которые человек не способен воспринимать. Жидкие кристаллы преобразуют эту невидимую ритмику в нечто, что мы можем прочитать. Один измеряет время, другой его отображает. Вместе они обеспечивают сохранность вашего расписания.
Скручивание жидких кристаллов
ЖК-экраны имеют специфическую структуру. Они не отличаются высокой долговечностью. В них содержится меньше жидкости. Их оптические свойства делают их идеальными для искривленно-нематических (TN) дисплеев, которые являются стандартом для большинства цифровых часов.
Внутри этого экрана молекулы расположены в виде скрученной спирали. Представьте себе крошечные штопоры. Приложение электрического импульса (внешнего воздействия) разрушает эти связи. Это физическое изменение изменяет путь прохождения света.
Между светом и электричеством
ЖК-экраны по своей сути напоминают сэндвичи. Они состоят из двух стеклянных пластин. Обе проводят электрический ток. Между ними находятся химические соединения жидких кристаллов.
Это самая сложная часть. Каждая пластина имеет поляризационный фильтр. Фильтры ориентированы под углом 90 градусов друг относительно друга. Обычно молекулы жидких кристаллов выровнены параллельно этим фильтрам. Окружающий свет отражается от зеркала, расположенного снизу. Результат? Серебристый отражающий фон. Именно поэтому циферблат часов выглядит металлическим в темноте.
Но если приложить электрический заряд, молекулы переворачиваются. Они становятся перпендикулярными фильтру. Фильтры поглощают весь свет. Ячейки становятся черными.
«Когда вы подаете заряд на ЖК-дисплей, молекулы изменяют свою ориентацию… оставляя черные ячейки на экране.»
Считаем секунды
Интегральные схемы выполняют основную работу. Они получают данные о времени от кварцевого генератора. Эта схема отправляет электрические импульсы через регулярные интервалы, например, каждую секунду, минуту или час.
Эти импульсы указывают ЖК-экрану, какие части включить или выключить. Экран разделен на несколько частей. Большинство цифр используют семисегментную разметку. Она отображает числа от 0 до 9. Если изменить один сегмент, тройка превратится в двойку. Пятерка станет шестеркой.
Некоторые дисплеи используют четырнадцатисегментные секции. У них больше ячеек. Они могут отображать буквы, а не только цифры. Однако в вопросах отображения времени модели с семисегментной разметкой преобладают. Таким образом, вы можете прочитать 12:15 одну секунду и 12:16 в следующую.
Неожиданное партнерство
Кварц и жидкие кристаллы — принципиально разные материалы. Их назначение совершенно различно. Кварц колеблется. Жидкие кристаллы блокируют или пропускают свет.
Но без этого партнерства мы бы оказались в тупике. Кварц обеспечивает сердцебиение. Жидкие кристаллы обеспечивают лицо. Без одного из них другой представляет собой просто тикающую коробку или пустой экран.
