世界钟表史网上连载(三十八)——石英钟表
（苏）ВНПипуныров 著 张遐龄 译
石英钟表
肖尔特天文钟的走时精度被石英钟超过了，而石英钟出现的条件是以元线电技术和电子学的发展为前提的。
石英压电晶体应用的历史 对石英的物理—技术性质的研究和它在技术中（特别是在精密计时领域）的利用，有一段不大的、但是有趣的和很有教益的历史.对石英性质的研究导致了发现压电效应，它是当石英晶体受到压缩或者拉伸时，在石英晶体表面上出现数量一样、但符号不同的电荷。这个效应是П.和Ж.居里（Кюри）兄弟于公元1880年在研究电气石和石英晶体时发现的，称之为直接压电效应。公元1881年，德国学者里普曼（Липпман）在了解了居里的研究之后，设想了存在反压电效应，或者石英晶体的机械变形与电场的强度成比例。同年，居里兄弟实验证明了这种效应的存在。现今，这个效应已应用在石英钟表系统。
在电路中利用压电效应的第一个重要试验，是A.M.尼克尔松(Никольсон)在公元1917年做的。他使用了酒石酸钾钠（压电质），以便制造使电能转变为声音或者反之的装置。在这个基础上，他制造了扩音器和麦克风。尼克尔松是第一个善于利用石英的压电性质来检验频率的人之一。公元1918年，法国物理学家П.兰惹文(Ланжевен) 利用石英的压电效应借助超声振动传递信号。
利用石英的压电效应在技术领域里作为频率和时间标准的研究工作，是由美国学者凯基（Кеди）在公元1921年开始的，但只是在公元1927~1930年B.A.马利松(Маррисон)——美国别尔(Белл)电话实验室的研究员——第一个成功地利用石英的高频振动来制造钟表。为此而切割的石英块为环形晶体，并且使它的振动频率变化随着温度变化尽可能的小。晶体环曾放置在温度可控箱里，其温度变化只允许在±0.01°C范围内。在放置石英环的箱里，大气压力维持在常量水平。箱位于密封罩里。晶体振动频率调整为100千赫芝。
公元1937年，为了完善石英钟表的结构，A.谢别(Шебе)和Y.阿杰尔斯别尔格(Адельсберг) 在德国做了大量工作，对选择更为合理的制造石英片的方法给予了特别的注意。他们证明：共振频率与石英弹性振动波相对晶轴方向和波形有关。由这些研究所得出的结论，可用于确定石英块切割的方向，以便减小温度变化对石英振动共振频率的影响。
在谢别和阿杰尔斯别尔格制造的石英钟里，应用的石英条长为91毫米，两边的断面为11.4毫米的方形，其纵向振动频率为60千赫芝。石英条放在小管里，其中充有密度不大的氢。小管固定在弹性波节上。经验确定：如果石英条的轴切割成平行石英的电轴，可以取得非常小的温度系数，这个温度系数在36°C时变换自己的符号。
当装置的第一级放在温度为36°C的完全恒温器里时，可以成功地大幅度减小温度变化对石英振动频率的影响，由于这样以及其他一些完善措施，谢别和阿杰尔斯别尔格的石英钟质量达到了很高水平。戴叶（Дайе）和爱森（Эссен）在英国国家物理实验室对从石英晶体切割下来的石英环进行研究的结果，对进一步完善石英钟表结构具有非常重大意义。这些研究使得英国工程师在公元1934年制造出非常完善的石英钟，其振子是石英环，它的轴Z与平面垂直。同年，这只石英钟应用在格林威治天文台，作为频率和时间的标准，代替了肖尔特摆钟。
作为振子的右英特殊性质 石英，从宫的物理和化学性能方面来看，都是非常坚固的物质，它的硬度几乎与红宝石和蓝宝石一样.除了物理和化学稳定性外，石英还具有很小的弹性滞后和很小的内摩擦，因此，维持其振动所需的能量也不大。石英的阻尼振动是很弱的，但作为振子确具有很高的品质因数(Q)，等于10-6或更高。现今，还没有其他振动系统象石英具有这样的共振灵敏性和稳定性。石英晶体的结构是很复杂的，它的特点是有一系列晶轴：光轴(Z)、三个电轴(X)和三个机械轴(Y)。它们在坐标轴系统里是这样排列的，如图1所示。石英晶体按形状是六棱的棱镜，两端为六棱锥体。通过几何轴的光轴连接锥体的顶点；三个电轴与其垂直，通过棱镜的棱角，同样，三个机械轴也垂直于光轴，但通过棱镜相对的平面的中间。
作为振子的晶体石英，有环形的、片状的、圆盘形的和条状的，它们是从大块石英上按着与晶轴成不同的角度切割下来的。对于不同类型的切割，这些角度值都标在图上。角度值是根据尺寸大小、相对晶轴的取向确定的。用这些切割办法，可以得到相应要求的水晶振子。
为了激励水晶振子的振动，实际上要求的变电场是在电极之间装置振子形成的。给电极接上变电压，产生与电场强度成比例的石英弹性振动，其振幅在共振时达到最大值，也就是电场频率等于石英振动频率时。
片状振子产生的机械振动的实质，是造成驻弹性波，并且沿着片状振子方向传播振动波，振子的尺寸要与这些波长的一半成比例。当振动频率给定时，弹性波长与传播的速度成比例，而速度是由石英的弹性和密度决定的。最后，石英片尺寸是以厘米和毫米来计量的。
根据石英片在谐振器中的尺寸和形状，可以利用横向弹性振动，亦称厚度振动。厚度振动一般利用的频率为几百千赫芝，而长度振动利用的频率更低。频率低于300千赫艺时，利用横向振动是不利的，因为对于这样频率来说，厚度振动的石英片尺寸将是很大的。纵向振动用
石英钟表
肖尔特天文钟的走时精度被石英钟超过了，而石英钟出现的条件是以元线电技术和电子学的发展为前提的。
石英压电晶体应用的历史 对石英的物理—技术性质的研究和它在技术中（特别是在精密计时领域）的利用，有一段不大的、但是有趣的和很有教益的历史.对石英性质的研究导致了发现压电效应，它是当石英晶体受到压缩或者拉伸时，在石英晶体表面上出现数量一样、但符号不同的电荷。这个效应是П.和Ж.居里（Кюри）兄弟于公元1880年在研究电气石和石英晶体时发现的，称之为直接压电效应。公元1881年，德国学者里普曼（Липпман）在了解了居里的研究之后，设想了存在反压电效应，或者石英晶体的机械变形与电场的强度成比例。同年，居里兄弟实验证明了这种效应的存在。现今，这个效应已应用在石英钟表系统。
在电路中利用压电效应的第一个重要试验，是A.M.尼克尔松(Никольсон)在公元1917年做的。他使用了酒石酸钾钠（压电质），以便制造使电能转变为声音或者反之的装置。在这个基础上，他制造了扩音器和麦克风。尼克尔松是第一个善于利用石英的压电性质来检验频率的人之一。公元1918年，法国物理学家П.兰惹文(Ланжевен) 利用石英的压电效应借助超声振动传递信号。
利用石英的压电效应在技术领域里作为频率和时间标准的研究工作，是由美国学者凯基（Кеди）在公元1921年开始的，但只是在公元1927~1930年B.A.马利松(Маррисон)——美国别尔(Белл)电话实验室的研究员——第一个成功地利用石英的高频振动来制造钟表。为此而切割的石英块为环形晶体，并且使它的振动频率变化随着温度变化尽可能的小。晶体环曾放置在温度可控箱里，其温度变化只允许在±0.01°C范围内。在放置石英环的箱里，大气压力维持在常量水平。箱位于密封罩里。晶体振动频率调整为100千赫芝。
公元1937年，为了完善石英钟表的结构，A.谢别(Шебе)和Y.阿杰尔斯别尔格(Адельсберг) 在德国做了大量工作，对选择更为合理的制造石英片的方法给予了特别的注意。他们证明：共振频率与石英弹性振动波相对晶轴方向和波形有关。由这些研究所得出的结论，可用于确定石英块切割的方向，以便减小温度变化对石英振动共振频率的影响。
在谢别和阿杰尔斯别尔格制造的石英钟里，应用的石英条长为91毫米，两边的断面为11.4毫米的方形，其纵向振动频率为60千赫芝。石英条放在小管里，其中充有密度不大的氢。小管固定在弹性波节上。经验确定：如果石英条的轴切割成平行石英的电轴，可以取得非常小的温度系数，这个温度系数在36°C时变换自己的符号。
当装置的第一级放在温度为36°C的完全恒温器里时，可以成功地大幅度减小温度变化对石英振动频率的影响，由于这样以及其他一些完善措施，谢别和阿杰尔斯别尔格的石英钟质量达到了很高水平。戴叶（Дайе）和爱森（Эссен）在英国国家物理实验室对从石英晶体切割下来的石英环进行研究的结果，对进一步完善石英钟表结构具有非常重大意义。这些研究使得英国工程师在公元1934年制造出非常完善的石英钟，其振子是石英环，它的轴Z与平面垂直。同年，这只石英钟应用在格林威治天文台，作为频率和时间的标准，代替了肖尔特摆钟。
作为振子的右英特殊性质 石英，从宫的物理和化学性能方面来看，都是非常坚固的物质，它的硬度几乎与红宝石和蓝宝石一样.除了物理和化学稳定性外，石英还具有很小的弹性滞后和很小的内摩擦，因此，维持其振动所需的能量也不大。石英的阻尼振动是很弱的，但作为振子确具有很高的品质因数(Q)，等于10-6或更高。现今，还没有其他振动系统象石英具有这样的共振灵敏性和稳定性。石英晶体的结构是很复杂的，它的特点是有一系列晶轴：光轴(Z)、三个电轴(X)和三个机械轴(Y)。它们在坐标轴系统里是这样排列的，如图1所示。石英晶体按形状是六棱的棱镜，两端为六棱锥体。通过几何轴的光轴连接锥体的顶点；三个电轴与其垂直，通过棱镜的棱角，同样，三个机械轴也垂直于光轴，但通过棱镜相对的平面的中间。
作为振子的晶体石英，有环形的、片状的、圆盘形的和条状的，它们是从大块石英上按着与晶轴成不同的角度切割下来的。对于不同类型的切割，这些角度值都标在图上。角度值是根据尺寸大小、相对晶轴的取向确定的。用这些切割办法，可以得到相应要求的水晶振子。
为了激励水晶振子的振动，实际上要求的变电场是在电极之间装置振子形成的。给电极接上变电压，产生与电场强度成比例的石英弹性振动，其振幅在共振时达到最大值，也就是电场频率等于石英振动频率时。
片状振子产生的机械振动的实质，是造成驻弹性波，并且沿着片状振子方向传播振动波，振子的尺寸要与这些波长的一半成比例。当振动频率给定时，弹性波长与传播的速度成比例，而速度是由石英的弹性和密度决定的。最后，石英片尺寸是以厘米和毫米来计量的。
根据石英片在谐振器中的尺寸和形状，可以利用横向弹性振动，亦称厚度振动。厚度振动一般利用的频率为几百千赫芝，而长度振动利用的频率更低。频率低于300千赫艺时，利用横向振动是不利的，因为对于这样频率来说，厚度振动的石英片尺寸将是很大的。纵向振动用
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