Quelle est la différence entre le quartz et les cristaux liquides ?

Lorsque vous regardez votre montre , vous ne pensez probablement pas à la différence entre le quartz et les cristaux liquides. Et vous ne devriez probablement pas – au moment où vous aurez fini de cocher leurs contrastes, vous pourriez être en retard à votre prochain rendez-vous. Mais bien que le quartz et les cristaux liquides ne soient même pas dans le même état de matière, ils ont un point commun important : la montre ou l'horloge numérique moyenne ne fonctionnera pas correctement sans eux.

Avant de comparer leurs fonctions à l'intérieur d'une montre, examinons certaines des propriétés de chaque substance. Le quartz est l'un des minéraux les plus abondants trouvés à la surface de la terre. Connu sous le nom chimique de dioxyde de silicium , le quartz est un solide cristallin utilisé comme composant dans les bijoux et le papier de verre. Les cristaux de quartz sont également un composant courant des appareils tels que les téléphones portables, les récepteurs de télévision et, bien sûr, les montres et les horloges. L'une des principales raisons pour lesquelles le quartz est utilisé dans tant d'appareils électroniques est qu'il est piézoélectrique ., ce qui signifie qu'il génère une charge électrique lorsqu'une pression est exercée dessus. Le quartz présente également un effet piézoélectrique inverse : lorsqu'une charge électrique est appliquée à un cristal de quartz, il commence à vibrer. Comme nous le verrons, ces attributs deviennent très importants lorsqu'il s'agit de garder le temps.

Les cristaux liquides , en revanche, ne sont pas une substance singulière. Découverts pour la première fois au 19ème siècle par des scientifiques essayant de déterminer le poids moléculaire du cholestérol, les cristaux liquides sont en fait une classification de composés qui constituent un quatrième état de la matière : les molécules en forme de bâtonnets ou de plaques dans les cristaux liquides ont tendance à couler comme des liquides, mais conservez l'alignement et l'ordre observés dans les solides [source : Nobelprize.org] . Vous avez probablement remarqué que les écrans LCD - également connus sous le nom d'écrans à cristaux liquides - sont monnaie courante dans les ordinateurs, les téléviseurs et une foule d'autres éléments technologiques. En effet, les molécules de cristaux liquides ont des propriétés optiques qui peuvent affecter la lumière lorsqu'elle les traverse. La première montre à affichage à cristaux liquides est apparue en 1973 [source :Le New York Times] .

Maintenant que nous connaissons les différentes propriétés du quartz et des cristaux liquides, regardons comment chacun d'eux fonctionne à l'intérieur d'une montre.

Passons en revue les composants de base dont une montre ou une horloge a besoin pour fonctionner correctement :

N'oubliez pas que nous parlons spécifiquement de montres et d'horloges numériques à quartz . Celles-ci sont différentes des montres mécaniques qui doivent être remontées régulièrement et n'incorporent généralement pas de quartz, et elles sont différentes des montres et horloges analogiques qui utilisent des engrenages pour entraîner les aiguilles le long d'un visage, qui n'incorporent généralement pas de cristaux liquides.

Quartz fonctionne comme le mécanisme de chronométrage. Introduits pour la première fois dans les montres par Seiko en 1969, les cristaux de quartz sont devenus la norme pour les fabricants de montres modernes au cours des décennies qui ont suivi [source : Seiko] . Le quartz utilisé dans les montres vibre à une fréquence très élevée. Cela se traduit par une grande précision : l'heure affichée sur une montre à quartz peut s'écarter de l'heure réelle de quelques secondes seulement au cours d'un mois donné [source : Lombardi] . De plus, comme le quartz est piézoélectrique, il nécessite très peu d'énergie pour vibrer, ce qui permet à une seule pile alcaline d'alimenter une montre à quartz pendant des années.

Le quartz fonctionne en tandem avec le circuit intégré de la montre. En bref, la batterie envoie une petite charge électrique au circuit intégré, qui est relié à un oscillateur à quartz avec une paire de minuscules électrodes. Le circuit transmet l'électricité à l'oscillateur à quartz et il commence à vibrer. Les oscillateurs à quartz utilisés dans les montres ont été normalisés pour vibrer 32 768 fois par seconde, soit à une fréquence de 32,768 kilohertz. Le circuit intégré est programmé pour compter les vibrations de l'oscillateur et mesurer les intervalles -- secondes, minutes, heures et ainsi de suite. A chaque intervalle, le circuit émet une impulsion électrique.

Et où va ce pouls ? L'écran à cristaux liquides. Comment les cristaux liquides affichent-ils les chiffres sur un cadran de montre numérique ? Continuez à lire pour le découvrir.

Écart-type

Alors que l'industrie horlogère standardise les oscillateurs à quartz pour qu'ils vibrent 32 768 fois par seconde, la réalité est que l'oscillateur vibre un peu plus ou un peu moins, selon la température et la pression dans l'environnement. Bien que la montre soit suffisamment précise pour un usage quotidien, plus ou moins de vibrations peuvent se traduire par des écarts par rapport au temps réel de plusieurs secondes chaque mois [source : Woodford].

Alors que le quartz mesure le passage du temps dans des micro-moments imperceptibles pour l'homme, les cristaux liquides aident à représenter le passage du temps sur l'écran d'une manière que nous pouvons facilement comprendre.

Nous avons mentionné précédemment que les cristaux liquides ont des propriétés optiques qui en font un composant privilégié des écrans LCD . Les substances à cristaux liquides sont classées sur un spectre entre solides et liquides, en fonction de leurs caractéristiques individuelles. Le type d'affichage le plus couramment utilisé pour les écrans LCD sur une montre numérique est appelé un affichage nématique torsadé (TN) . Les molécules qui composent les cristaux liquides de cet écran sont disposées en forme de spirale torsadée. Mais les produits chimiques peuvent être détordus en appliquant une force extérieure - comme une impulsion électrique - qui affectera la lumière qui les traverse.

Un écran LCD sur une montre prend essentiellement en sandwich des produits chimiques à cristaux liquides entre deux plaques de verre électriquement conductrices, avec des filtres de polarisation fixés à chaque plaque et orientés à 90 degrés l'un par rapport à l'autre. Les molécules de cristaux liquides sont naturellement parallèles au filtre de polarisation, permettant à l'éclairage de la lumière ambiante de se refléter sur un miroir placé sous le polariseur - c'est ce qui donne à l'écran LCD son aspect argenté. Cependant, l'application d'une charge électrique aux cristaux liquides modifie l'orientation de leurs molécules pour qu'elles soient perpendiculaires au filtre de polarisation, et le filtre absorbe toute la lumière, laissant des cellules noires sur l'écran.

Lorsque le circuit intégré libère ces impulsions électriques après chaque seconde, minute, heure et autres intervalles mesurés par l'oscillateur à quartz, il communique avec l'écran LCD pour allumer et éteindre des parties de l'écran LCD. L'écran LCD est divisé en une série de sections à sept ou 14 segments, et chaque section à sept segments transmet un chiffre de zéro à neuf. La combinaison des sections peut révéler le passage du temps de 12h15 à 12h16, par exemple, ou de 1h00 à 2h00. (En vertu du fait d'avoir plus de cellules, les sections de 14 segments peuvent révéler des lettres ainsi que des chiffres.)

Comme vous pouvez le constater, le quartz et les cristaux liquides sont des substances très différentes qui servent à des fins très différentes lorsqu'il s'agit de garder le temps. Mais sans qu'ils travaillent tous les deux ensemble, nous serions probablement en retard.

La plus grande surprise lors de mes recherches pour cette histoire a été le paradoxe : les cristaux liquides et le quartz n'ont presque rien en commun, mais dans les entrailles d'une montre-bracelet, ils dépendent l'un de l'autre. Je suppose que je n'y ai jamais pensé, car je n'ai pas porté de montre depuis des années (tant que j'ai mon iPhone, je ne le ferai probablement plus jamais). Mais il est frappant de savoir maintenant que, chaque fois que je rencontre quelqu'un portant une montre à quartz, le temps est dicté par des milliers de micro-vibrations par seconde ; que nous reconnaissons le décalage vers l'avant parce que la lumière passe à travers des filtres ; et que tout cela se passe complètement hors de vue, mais si proche de nous dans une simple technologie que nous tenons pour acquise. Je me demande ce qu'il y a à l'intérieur de mon ouvre-porte de garage.

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Sources