Was ist der Unterschied zwischen Quarz und Flüssigkristall?

Wenn Sie auf Ihre Uhr blicken, denken Sie wahrscheinlich nicht darüber nach, wie unterschiedlich Quarz und Flüssigkristall voneinander sind. Und das solltest du wahrscheinlich auch nicht – wenn du mit dem Abhaken ihrer Kontraste fertig bist, kommst du vielleicht zu spät zu deinem nächsten Termin. Aber obwohl sich Quarz und Flüssigkristall nicht einmal im selben Aggregatzustand befinden, haben sie eine wichtige Gemeinsamkeit: Die durchschnittliche Digitaluhr oder Uhr funktioniert ohne sie nicht richtig.

Bevor wir ihre Funktionen in einer Uhr gegenüberstellen, wollen wir uns einige der Eigenschaften der einzelnen Substanzen ansehen. Quarz ist eines der am häufigsten vorkommenden Mineralien auf der Erdoberfläche. Quarz, bekannt unter dem chemischen Namen Siliziumdioxid , ist ein kristalliner Feststoff, der als Bestandteil von Schmuck und Sandpapier verwendet wird. Quarzkristalle sind auch ein häufiger Bestandteil von Geräten wie Mobiltelefonen, Fernsehempfängern und natürlich Uhren. Einer der Hauptgründe, warum Quarz in so vielen elektronischen Geräten verwendet wird, ist, dass es piezoelektrisch ist, das heißt, es erzeugt eine elektrische Ladung, wenn Druck darauf ausgeübt wird. Quarz zeigt auch einen umgekehrten piezoelektrischen Effekt: Wenn eine elektrische Ladung an einen Quarzkristall angelegt wird, beginnt er zu schwingen. Wie wir sehen werden, werden diese Attribute sehr wichtig, wenn es darum geht, die Zeit zu messen.

Flüssigkristalle hingegen sind keine singuläre Substanz. Erstmals im 19. Jahrhundert von Wissenschaftlern entdeckt, die versuchten, das Molekulargewicht von Cholesterin zu bestimmen, sind Flüssigkristalle eigentlich eine Klassifizierung von Verbindungen, die einen vierten Aggregatzustand umfassen: Die stäbchen- oder plattenförmigen Moleküle in Flüssigkristallen neigen dazu, wie Flüssigkeiten zu fließen, aber behalten Sie die Ausrichtung und Ordnung bei, die in Festkörpern zu sehen sind [Quelle: Nobelprize.org] . Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass LCDs – auch als Flüssigkristallanzeigen bekannt – in Computern, Fernsehern und einer Vielzahl anderer Technologien alltäglich sind. Das liegt daran, dass Flüssigkristallmoleküle optische Eigenschaften haben, die das Licht beeinflussen können, wenn es sie durchdringt. Die erste Uhr mit Flüssigkristallanzeige erschien 1973 [Quelle:Die New York Times] .

Nachdem wir nun die unterschiedlichen Eigenschaften von Quarz und Flüssigkristall kennen, schauen wir uns an, wie sie jeweils in einer Uhr funktionieren.

Lassen Sie uns die grundlegenden Komponenten überprüfen, die eine Uhr oder Uhr benötigt, um richtig zu funktionieren:

Denken Sie daran, dass wir speziell über digitale Quarzuhren und Uhren sprechen. Diese unterscheiden sich von den mechanischen Uhren, die regelmäßig aufgezogen werden müssen und normalerweise keinen Quarz enthalten, und sie unterscheiden sich von den analogen Uhren und Uhren, die Zahnräder verwenden, um die Zeiger über ein Gesicht zu bewegen, die normalerweise keine Flüssigkristalle enthalten.

Quarz fungiert als Zeitmesser. Quarzkristalle wurden erstmals 1969 von Seiko in Uhren eingeführt und sind in den Jahrzehnten seit [Quelle: Seiko] zum Standard für moderne Uhrenhersteller geworden . Der in Uhren verwendete Quarz schwingt mit einer sehr hohen Frequenz. Dies bedeutet eine große Genauigkeit: Die auf einer Quarzuhr angezeigte Zeit kann in einem bestimmten Monat nur um wenige Sekunden von der Echtzeit abweichen [Quelle: Lombardi] . Da Quarz piezoelektrisch ist, benötigt er außerdem nur sehr wenig Energie zum Schwingen, sodass eine einzige Alkalibatterie eine Quarzuhr jahrelang mit Strom versorgen kann.

Quarz arbeitet mit dem integrierten Schaltkreis der Uhr zusammen. Kurz gesagt, die Batterie sendet eine kleine elektrische Ladung an die integrierte Schaltung, die mit einem Paar winziger Elektroden an einem Quarzoszillator befestigt ist. Der Stromkreis leitet den Strom zum Quarzoszillator und dieser beginnt zu vibrieren. Die in Uhren verwendeten Quarzoszillatoren wurden so standardisiert, dass sie 32.768 Mal pro Sekunde oder mit einer Frequenz von 32,768 Kilohertz schwingen. Die integrierte Schaltung ist so programmiert, dass sie die Schwingungen des Oszillators zählt und die Intervalle misst – Sekunden, Minuten, Stunden und so weiter. Bei jedem Intervall sendet die Schaltung einen elektrischen Impuls.

Und wohin geht dieser Puls? Die Flüssigkristallanzeige. Wie zeigt Flüssigkristall Ziffern auf einem digitalen Zifferblatt an? Lesen Sie weiter, um es herauszufinden.

Standardabweichung

Während die Uhrenindustrie Quarzoszillatoren so standardisiert, dass sie 32.768 Mal pro Sekunde vibrieren, ist die Realität, dass der Oszillator je nach Temperatur und Druck in der Umgebung etwas mehr oder weniger vibriert. Während die Uhr für den täglichen Gebrauch immer noch genau genug ist, können mehr oder weniger Vibrationen zu Abweichungen von der Echtzeit von mehreren Sekunden pro Monat führen [Quelle: Woodford].

Während Quarz den Zeitablauf in Mikromomenten misst, die für den Menschen nicht wahrnehmbar sind, hilft Flüssigkristall dabei , den Zeitablauf auf dem Display so darzustellen, dass wir ihn leicht verstehen können.

Wir haben bereits erwähnt, dass Flüssigkristalle optische Eigenschaften haben, die sie zu einer bevorzugten Komponente von LCD - Bildschirmen machen. Flüssigkristall-Substanzen werden je nach ihren individuellen Eigenschaften in ein Spektrum zwischen fest und flüssig eingeteilt. Der gebräuchlichste Anzeigetyp, der für LCD-Bildschirme auf einer Digitaluhr verwendet wird, wird als Twisted Nematic (TN)-Anzeige bezeichnet . Die Moleküle, aus denen der Flüssigkristall in diesem Display besteht, sind spiralförmig angeordnet. Aber die Chemikalien können durch Anwenden einer äußeren Kraft – wie eines elektrischen Impulses – aufgedreht werden, was das durch sie hindurchtretende Licht beeinflusst.

Ein LCD auf einer Uhr enthält im Wesentlichen Flüssigkristallchemikalien zwischen zwei elektrisch leitenden Glasplatten, wobei Polarisationsfilter an jeder Platte angebracht und im 90-Grad-Winkel zueinander ausgerichtet sind. Die Flüssigkristallmoleküle verlaufen natürlicherweise parallel zum Polarisationsfilter, wodurch das Umgebungslicht von einem unter dem Polarisator platzierten Spiegel reflektiert werden kann – das verleiht dem LCD sein silbernes Aussehen. Das Anlegen einer elektrischen Ladung an die Flüssigkristalle ändert jedoch die Ausrichtung ihrer Moleküle so, dass sie senkrecht zum Polarisationsfilter verlaufen, und der Filter absorbiert das gesamte Licht und hinterlässt schwarze Zellen auf dem Display.

Wenn die integrierte Schaltung diese elektrischen Impulse nach jeder Sekunde, Minute, Stunde und anderen vom Quarzoszillator gemessenen Intervallen freigibt, kommuniziert sie mit dem LCD, um Teile des LCD ein- und auszuschalten. Das LCD ist in eine Reihe von Abschnitten mit sieben oder 14 Segmenten unterteilt, und jeder Abschnitt mit sieben Segmenten übermittelt eine Zahl von Null bis Neun. Die Kombination von Abschnitten kann beispielsweise den Zeitablauf von 12:15 bis 12:16 oder von 1:00 bis 2:00 offenbaren. (Da mehr Zellen vorhanden sind, können 14-Segment-Abschnitte sowohl Buchstaben als auch Zahlen anzeigen.)

Wie Sie sehen können, sind Quarz und Flüssigkristall sehr unterschiedliche Substanzen, die sehr unterschiedliche Zwecke erfüllen, wenn es darum geht, die Zeit anzuzeigen. Aber ohne die Zusammenarbeit der beiden würden wir uns wahrscheinlich verspäten.

Die größte Überraschung während meiner Recherche für diese Geschichte war das Paradoxon: Flüssigkristalle und Quarz haben fast nichts gemeinsam, aber im Innern einer Armbanduhr hängen sie voneinander ab. Ich denke, ich habe nie darüber nachgedacht, weil ich seit Jahren keine Uhr mehr getragen habe (solange ich mein iPhone habe, werde ich es wahrscheinlich nie wieder tun). Aber es ist erstaunlich zu wissen, dass jedes Mal, wenn ich jemanden begegne, der eine Quarzuhr trägt, die Zeit von Tausenden von Mikrovibrationen pro Sekunde diktiert wird; dass wir die Vorwärtsverschiebung erkennen, weil Licht Filter passiert; und dass dies alles völlig unsichtbar und doch so nah bei uns in einem einfachen Stück Technologie vor sich geht, das wir für selbstverständlich halten. Ich frage mich, was in meinem Garagentoröffner ist.

Zum Thema passende Artikel

Quellen