സമയത്തെ നയിക്കുന്ന ക്വാർട്സ്

ഡോ. അബേഷ് രഘുവരൻ

നമ്മളിൽ ക്ലോക്ക് ഉപയോഗിക്കാത്തവരായി ആരും കാണില്ല. ക്ലോക്കുകളിൽ “ക്വാർട്സ്” (quartz) എന്ന് എഴുതിയിരിക്കുന്നതും കണ്ടിരിക്കുമല്ലോ. എന്താണ് “ക്വാർട്സ്” എന്നും, എങ്ങനെയാണ് അത് ക്ലോക്കുകളിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്നത് എന്നും ആരെങ്കിലും ചിന്തിച്ചിട്ടുണ്ടോ?    

മെക്‌സിക്കോയിലെ പ്യൂബ്ലയിലെ സകാറ്റ്‌ലാനിലുള്ള ക്ലോക്ക് മ്യൂസിയത്തിൽ പ്രദർശിപ്പിച്ചിരിക്കുന്ന ഗലീലിയോസ് പെൻഡുലം എന്ന് വിളിക്കപ്പെടുന്ന ക്ലോക്ക് കടപ്പാട്: വിക്കിപീഡിയ

സമയം കാണിക്കുന്ന ഉപകരണങ്ങൾ എന്നും നമുക്കൊരു അത്ഭുതമാണല്ലോ. ഒരു സെക്കൻഡുപോലും തെറ്റാതെ നമ്മുടെ ഹൃദയംപോലെ എന്നും ചലിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നയാണല്ലോ അവയൊക്കെ. അവയിൽ എങ്ങനെയാണ് ഇത്ര കൃത്യമായി ഓരോ സൂചികൾ സെക്കൻഡും, മണിക്കൂറും രേഖപ്പെടുത്തുന്നത്? ചോദ്യങ്ങൾ ഏറെയുണ്ടാവും നമുക്ക്, അല്ലേ. ക്ലോക്കുകളുടെ ചരിത്രം പരിശോധിച്ചാൽ എടുത്തു പറയേണ്ട ഒരു പേര് ഗലീലിയോ ഗലീലി (Galileo Galilei) യുടെ ആണെന്ന് കാണാൻ കഴിയും. അദ്ദേഹം പെൻഡുലത്തിന്റെ ചലനതത്വം അനുസരിച്ച് അതിന്റെ രണ്ടു വശത്തേക്കുമുള്ള ആട്ടത്തിന്റെ കണക്കനുസരിച്ചു അവയെ പൽച്ചക്രങ്ങളിലേക്കു കൂടി ഘടിപ്പിച്ചുകൊണ്ട് സെക്കന്റുകളെ ക്രമീകരിക്കുകയും, സെക്കൻഡുകൾ അനുസരിച്ചു മണിക്കൂറുകൾ ക്രമീകരിക്കുകയും ചെയ്തു. എന്നാൽ ഇത്തരം പെൻഡുലം ക്ലോക്കിന് ചില കുറവുകളും ഉണ്ടായിരുന്നു. പെൻഡുലം ചലിക്കുന്നതിന് ഒരു പ്രധാനകാരണം ഗുരുത്വാകർഷണബലം ആണെന്ന് അറിയാമല്ലോ. അതുകൊണ്ടുതന്നെ ഭിത്തിയിൽ തൂക്കിയിടുവാനല്ലാതെ, ചലിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന ഒരിടത്തു അത് കൃത്യതയോടെ പ്രവർത്തിപ്പിക്കുവാൻ കഴിയുകയില്ല.  ഈ പ്രശ്നത്തിനു പരിഹാരമായി സ്പ്രിംഗ് ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ടുള്ള ക്ലോക്കുകൾ നിലവിൽ വന്നത് പിന്നീടാണ്. അവയിൽ ചാവി ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ട് ഒരു സ്പ്രിംഗ് മുറുക്കുകയും ആ സ്പ്രിംഗ് അയയുന്നതിനനുസരിച്ചു ഓരോ സെക്കൻഡുകൾ ക്രമീകരിക്കാനും കഴിഞ്ഞു. എന്നാൽ അതിനുശേഷമാണ്  “ക്വാർട്സ്” എന്ന ക്ലോക്കുകളിലെ വിപ്ലവം സംഭവിക്കുന്നത്. അതിനുശേഷം ഇപ്പോൾ അതിനേക്കാൾ കൃത്യമായി സമയത്തെ അടയാളപ്പെടുത്തുന്ന അറ്റോമിക് വാച്ചുകൾ നിലവിലുണ്ട്.  സീഷ്യം എന്ന മൂലകത്തിന്റെ സഹായത്തോടെയാണ് അറ്റോമിക് വാച്ചുകളിൽ സെക്കൻഡിന്റെ ദൈർഘ്യത്തെ നിശ്ചയിക്കുന്നത്. അവയ്ക്ക് വളരെ സൂക്ഷ്മതയുണ്ട്. അതേ സമയം വളരെ വലിയ വിലയാണു താനും. എന്നാൽ ക്വാർട്സ് ക്ലോക്കുകൾക്ക് വില കുറവാണ്.  ഇന്ന് 99% സാധാരണ ക്ലോക്കുകളും ക്വാർട്സ് ഉപയോഗിച്ചാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. 

വാറൻ എ മോറിസൺ കടപ്പാട്: invent.org

1927 ൽ ആണ് വാറൻ എ മോറിസ (Warren A. Morrison) നും, ജോസഫ്. ഡബ്യു. ഹോർട്ട (Joseph. W. Horton) നും  ചേർന്ന് ആണ് ക്വാർട്സ് വാച്ചുകൾ കണ്ടുപിടിക്കുന്നത്. പീസോ-ഇലക്‌ട്രിക് എഫക്ട് എന്ന തത്വത്തിൽ  ആണ് ഇവ പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. ക്വാർട്സ് എന്ന് പറയപ്പെടുന്ന സിലിക്കൺ ഡയോക്സൈഡ് ക്രിസ്റ്റലുകൾ വാച്ചുകളിൽ ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ട് ദോലനങ്ങൾ (ഓസിലേഷനുകൾ) ഉണ്ടാക്കിയെടുക്കുകയാണ് ചെയ്യുന്നത്. അത് ഒരു സെക്കൻഡിന്റെ ദൈർഘ്യം വരുന്നതിനനുസരിച്ചുള്ള ഓസിലേഷനുകൾ സൃഷ്‌ടിക്കുകയും ആ ഓരോ സെക്കന്റിലും ഓരോ വോൾട്ടേജ് മാറ്റങ്ങൾ കൂടി ഉണ്ടാക്കുന്നു. അതിനുശേഷം ഈ വോൾട്ടേജ് ഉപയോഗിച്ചു ചെറിയ മോട്ടോർ പ്രവർത്തിപ്പിക്കുകയും അത് ഉപയോഗിച്ച് ക്ലോക്കിലെ സൂചികളെ ചലിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്ന രീതിയാണ് അവർ അവലംബിച്ചത്. അതിനുശേഷം വർഷങ്ങൾ കഴിഞ്ഞാണ് വ്യാപകമായി ക്വാർട്സ് വാച്ചുകൾ ഉപയോഗിക്കാൻ തുടങ്ങുന്നത്.

 

ക്വാർട്സ് ക്ലോക്കിന്റെ പ്രവർത്തനം  അറിയുന്നതിന് പീസോഇലക്‌ട്രിക് എഫക്ട് എന്താണെന്ന് അറിഞ്ഞിരിക്കേണ്ടതുണ്ട്. ഭൂമിയിൽ ഏതാണ്ട് വലിയൊരളവിൽ കാണപ്പെടുന്ന മൂലകമാണ് സിലിക്കൺ ഡയോക്സൈഡ് (Silicon dioxide). സാധാരണ മണലിലും, ഗ്ലാസുകളിലും സിലിക്കൺ സംയുക്തമായ സിലിക്കൺ ഡയോക്സൈഡ് അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. പ്രത്യേകതരം ക്രിസ്റ്റലിന്റെ രൂപത്തിലുള്ള സിലിക്കൺ ഡയോക്സൈഡ് ആണ് ഇവിടെ ഉപയോഗിക്കുന്നത്. അതിൽ സിലിക്കൺ അറ്റത്തിന്റെ നേരെ എതിർവശത്തു ഓക്‌സിജൻ വരുന്നതുപോലെയാണ് കാണപ്പെടുന്നത്. എന്തെങ്കിലും തരത്തിലെ മർദ്ദം ഈ ക്രിസ്റ്റലിൽ കൊടുക്കുകയാണെങ്കിൽ അവിടെ ഒരു വോൾട്ടേജ് മാറ്റം ഉണ്ടാകും. അതായത്  മർദ്ദത്തെ വോൾട്ടേജായോ, വൈദ്യുതിയായോ മാറ്റാൻ കഴിവുള്ളവയാണ് ഇത്തരം ക്രിസ്റ്റലുകൾ. ഇത്തരത്തിൽ ഉണ്ടാകുന്ന വൈദ്യുതിയെ ആണ് പീസോ ഇലക്ട്രിസിറ്റി എന്ന് പറയുന്നത്. ക്രിസ്റ്റലിൽ ഒരു മർദ്ദം കൊടുക്കുമ്പോൾ അവിടെ ഒരു പൊട്ടൻഷ്യൽ മാറ്റം അനുഭവപ്പെടുന്നുണ്ട്. അതുപോലെതന്നെ, തിരിച്ചും ഒരു പൊട്ടൻഷ്യൽ മാറ്റം കൊടുക്കുമ്പോൾ ആ ക്രിസ്റ്റലിന് പ്രത്യേകരീതിയിൽ ചലിക്കാനും കഴിയുമല്ലോ. ഇത്തരത്തിൽ പീസോ ഇലക്ട്രിക് തത്വം കാണിക്കുന്ന ധാരാളം ക്രിസ്റ്റലുകൾ ഉണ്ട്.

ക്വാർട്സ് ക്രിസ്റ്റൽ റെസൊണേറ്റർ കടപ്പാട്: വിക്കിപീഡിയ

സ്‌കൂളുകളിൽ ഫിസിക്‌സ് ലാബുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ട്യൂണിങ് ഫോർക് കണ്ടിട്ടുണ്ടാകുമല്ലോ. ലോഹസങ്കരങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് “U” ആകൃതിയിൽ നിർമ്മിച്ച അവയിൽ ബലം പ്രയോഗിക്കുമ്പോൾ നിരവധി തവണ കമ്പനം ചെയ്യും.  ക്വാർട്സ് ക്ലോക്കുകളിൽ സിലിക്കൺ ഡയോക്സൈഡ് (ക്വാർട്സ്) ക്രിസ്റ്റലുകൾ ഒരു ട്യൂണിംഗ് ഫോർക്കിന്റെ ആകൃതിയിൽ നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നു. അതിൽ ഒരു ഇലക്ട്രിക് സിഗ്നലുകൾ ലഭിക്കുമ്പോൾ സെക്കൻഡിൽ 32768 തവണ കമ്പനം (Vibration) ചെയ്യാൻ കഴിയുന്നതരത്തിലാണ് അവയെ നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്. ശബ്‌ദത്തിന്റെ കാര്യത്തിൽ നമ്മുടെ ചെവികൊണ്ട് കേൾക്കാൻ കഴിയുന്ന ആവൃത്തി (frequency) യുടെ പരിധി 20 ഹെർട്സിനും, 20,000 ഹെർട്സിനും ഇടയിലാണ്. നമുക്ക് കേൾക്കാവുന്ന പരിധിക്കപ്പുറമുള്ള തരംഗങ്ങളാണ് ക്വാർട്സ് ക്ലോക്കുകളിൽ സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്നത്.

ക്വാർട്‌സ് ക്ലോക്കിലെ ക്രിസ്റ്റൽ ഓസിലേറ്റർ യൂണിറ്റ് (മുകളിൽ ഇടത്), കറുത്ത റോട്ടർ സ്‌പ്രോക്കറ്റുള്ള ലാവെറ്റ്-ടൈപ്പ് സ്റ്റെപ്പിംഗ് മോട്ടോറും (ഇടത്) ബന്ധിപ്പിച്ച വെള്ളയും സുതാര്യവുമായ ഗിയറുകൾ (വലത്). ഈ ഗിയറുകൾ സെക്കൻഡ്, മിനിറ്റ്, മണിക്കൂർ കൈകളുടെ ചലനത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്നു. കടപ്പാട്: വിക്കിപീഡിയ

ഇനി അൽപ്പം കണക്കുകൂടി അറിഞ്ഞിരിക്കണം. നമ്മുടെ ട്യൂണിങ് ഫോർക്ക് ഉണ്ടാക്കുന്ന വൈബ്രെഷൻ  ഒരു സെക്കൻഡിൽ 32768 ആണെന്ന് പറഞ്ഞുവല്ലോ. അപ്പോൾ ഒരു സെക്കൻഡിനെ വൈബ്രെഷന്റെ/ഓസിലേഷനു തുല്യമായ ഇലക്ട്രിക്കൽ പൾസ് ആയി മാറ്റാൻ സാധിച്ചാൽ കൃത്യം ഒരു സെക്കൻഡിന്റെ ദൈർഘ്യം അറിയാൻ കഴിയും. ബാറ്ററിയിൽ നിന്നുവരുന്ന പൊട്ടൻഷ്യൽ മാറ്റം ക്വാർട്സിലൂടെ കടന്നുപോകുമ്പോൾ ഉണ്ടാക്കുന്ന ഓസിലിലേഷനെ ഒരു സർക്യൂട്ടിലൂടെ കടത്തിവിടുകയാണെങ്കിൽ ഒരു സെക്കന്റിന് തുല്യമായ സമയത്ത് വൈദ്യതി പൾസ് തരുന്ന രീതിയിൽ ആക്കാൻ കഴിയും. അങ്ങനെ വരുന്ന പൾസിനെ ഒരു സ്റ്റെപ്പർ മോട്ടോറുമായി ഘടിപ്പിക്കുകയും ആ മോട്ടോർ കറങ്ങുകയും ചെയ്യുന്നു. ആ ചലനമാണ് നമ്മുടെ ക്ലോക്കുകളിലെ സൂചികൾ കാണിച്ചുതരുന്നത്.

റോട്ടർ (വൃത്തം) ഒരു സ്ഥിരമായ കാന്തം (ചുവപ്പ്, പച്ച ധ്രുവങ്ങളുള്ള) ആണ്. ചിത്രത്തിൽ (എ) വിമുഖത കുറയ്ക്കുന്നതിന് അത് സ്റ്റേറ്ററിലേക്ക് (xx’ കോഗിംഗ് പോയിന്റ്) തിരിയുന്നു. (ചെറിയ അർദ്ധവൃത്താകൃതിയിലുള്ള വായു വിടവുകളിൽ നിന്ന് തിരിഞ്ഞാണ് ഇത് ചെയ്യുന്നത്.) ചിത്രത്തിൽ (b) വൈദ്യുതകാന്തിക സ്വിച്ച് ഓൺ ചെയ്യുമ്പോൾ അതിന്റെ തിരശ്ചീന കാന്തികക്ഷേത്രം റോട്ടറിന്റെ ധ്രുവങ്ങളെ ആകർഷിക്കുന്നു (yy’ cogging point). ഈ ചക്രം കറന്റ്, കാന്തിക ധ്രുവങ്ങൾ വിപരീതമായി കണക്കുകൾ (സി), (ഡി) എന്നിവയിലൂടെ ആവർത്തിക്കുന്നു. കടപ്പാട്: വിക്കിപീഡിയ
ഒറ്റവാചകത്തിൽ പറഞ്ഞാൽ നാം ഇടുന്ന വൈദ്യുത സെല്ലിൽ നിന്നുള്ള വൈദ്യുതിയെ ക്വാർട്സിലൂടെ കടത്തിവിട്ടുകൊണ്ട് ഒരു സെക്കൻഡിന്റെ ദൈർഘ്യം കിറുകൃത്യമായി അടയാളപ്പെടുത്തുകയാണ്. അതിൽ യാതൊരു വിധത്തിലുള്ള മാറ്റങ്ങളും വരുന്നുമില്ല. ഇതാണു നാം ക്ലോക്കുകളിൽ കാണാറുള്ള ക്വാർട്സിന്റെ പിന്നിലെ പ്രവർത്തനരഹസ്യം.

അധിക വായനയ്ക്ക്

  1. ആറ്റോമിക് ക്ലോക്ക് ബഹിരാകാശത്തേക്ക്


 

 

Leave a Reply