Schwingquarze steuern Oszillatoren
Übt man Druck auf bestimmte Kristalle aus, so gibt es einen elektrischen Spannungsstoß. Dieser piezoelektrische Effekt wirkt auch anders herum: Durch ein von außen angelegtes elektrisches Wechselfeld kann man ein Quarzplättchen zum Schwingen anregen. Damit wird der Quarz aber selbst zur elektrischen Stromquelle, die eine elektrische Rückwirkung auf die erregende Schwingung ausübt. Die resultierende Schwingung ist aufgrund von Rückkopplungseffekten von erstaunlicher Präzision und außerdem von sehr geringer Dämpfung. Solch einen Quarz nennt man Schwingquarz.
Dieser kann zunächst einmal als weitgehend "monochromatischer" Ultraschallsender genutzt werden. In diesem Fall überträgt er seine mechanischen Schwingungen auf die umgebende Luft.
Aufgrund des piezoelektrischen Wechselfeldes, das der Quarz beim Schwingen aufbaut, kann er aber auch als Steuerungselement eines Schwingkreises dienen.
Unter einem elektrischen Schwingkreis versteht man bekanntlich einen Stromkreis, der eine Kapazität und eine Selbstinduktion besitzt (d. h. aus Kondensator und Spule aufgebaut ist) und zu elektrischen Eigenschwingungen befähigt ist. Diese beruhen auf der periodischen Ladung und Entladung des Kondensators. Es handelt sich hier um erzwungene Schwingungen. Wenn die Frequenz der Schwingung mit der Frequenz der erregenden Kraft übereinstimmt, tritt Resonanz ein.
Somit ist der Schwingquarz frequenzbestimmendes und -regulierendes Bauteil besonders in Oszillatorschaltungen von Sendern und Empfängern, aber auch - schon seit 1929 - von Quarzuhren.

Gewöhnliche Uhren und Quarzuhren im Vergleich
Antriebsenergie
Jede Uhr benötigt eine Antriebsenergie. Die gewöhnlichen Uhren haben dazu eine Spiralfeder, die aufgezogen werden muss. Quarzuhren benötigen elektrische Energie, verfügen also über eine Batterie oder eine Fotovoltaik-Anlage. Neuerdings diskutiert man auch den Einsatz von Brennstoffzellen, die mit Methanol betrieben werden. Denn mittlerweile ist deren Miniaturisierung weit fortgeschritten.

Zeitmessung bei der gewöhnlichen Uhr
Mit der Energie der Uhrfeder wird über einen ausgetüftelten Zahnradmechanismus das Uhrwerk angetrieben, werden also die Zeiger bewegt. Die Zeitmessung bei gewöhnlichen Uhren wird Pendel oder durch eine Unruhe gesteuert. Beide schwingen konstant hin und her wie das Pendel einer Standuhr und geben so den Zeittakt vor. Ständig muss zum Pendeln Energie nachgeliefert werden, entweder durch ein herabziehendes Gewicht wie bei der Kuckucksuhr oder durch eine Uhrfeder wie bei der Armband- oder Taschenuhr. Beim Pendel kann man die Zeitmessung durch die Pendellänge bzw. durch Verschieben von Pendelgewichten steuern. Die schwingende Unruhe wirkt mit ihrer kleinen, dem Druck der Uhrfeder entgegengesetzt wirkenden Spiralfeder.
Diesen Druck kann man regulieren. Letztlich beruht hier die Steuerung aber auf dem Zusammenwirken von Uhrfeder und den vielen kleinen Zahnrädern. Da die geballte Kraft der Uhrfeder auf die ganze Mechanik des Uhrwerks übertragen wird, ist die Steuerung nicht besonders fein. Hinzu kommen Reibungsverluste bei Betrieb der Zahnrädchen. Diese Reibungen, die Zeitverzögerung bedeuten, versucht man, durch Lagerung der Zahnrad-Achsen in Kristallen von künstlich hergestelltem Rubin zu vermindern. Womit wir auch bei den klassischen Uhren wieder beim Thema "Kristalle" sind. (Dazu kommen natürlich noch die Diamanten zum Schmücken...)

Zeitmessung bei der Quarzuhr
Mit der Energie aus der Batterie wird zunächst die Zeitmessung gesteuert. Anders als bei der gewöhnlichen Uhr hat die Zeitmesseinheit keine beweglichen Teile mehr. Hier wirkt sich die erregende Kraft nur auf den Quarz aus. Der Quarz liefert ausschließlich schwingungsförmige Signale, die das Weiterrücken des Sekundenzeigers regeln. Die Sinusschwingungen müssen dazu zuvor allerdings in Rechtecksimpulse umgewandelt werden.

Für die Zeitmessung hat man sich auf die Standardschwingungszahl 32768 pro Sekunde geeinigt. Da das 2¹⁵ ist, wird deutlich, dass sich dahinter digitale Informationsverarbeitung versteckt. Tatsächlich reguliert man durch geschickte elektrische Schaltungen die Schwingungszahl auf exakt eine Sekunde herunter. Damit wird pro Sekunde ein Impuls auf einen feinen Schrittmotor übertragen. Dieser treibt über eine Art Kurbelwelle den Sekundenzeiger an, der mechanisch mit Minuten- und Stundenzeiger verbunden ist.
Die Anregung der Quarzuhr und damit die Zeitmessung sind also besonders fein steuerbar. Eine Quarzuhr ist deshalb um den Faktor 1000 bis 10000 Mal genauer als eine gewöhnliche Uhr.

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