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Quarzuhren und Piezo-Elektrizität

Uhren mit Quarzsteuerung sind wesentlich genauer als mechanische Uhren. Sie funktionieren nach dem Prinzip der Piezo-Elektrizität, das erstmals 1880 von Paul und Pierre Curie beschrieben wurde.

Von Frank Endres

Der piezoelektrische Effekt

1928 machten die beiden deutschen Physiker Adolf Scheibe und Udo Adelsberger einige Versuche, um die Schwingungen eines Quarzes als Zeitgeber zu nutzen. Wenige Jahre später konstruierten sie die ersten Quarzuhren. Da die Mikroelektronik zu diesem Zeitpunkt noch nicht existierte, waren die Uhren so groß wie Kleiderschränke.

Die technische Grundlage entdeckten 1880 die französischen Brüder Paul und Pierre Curie – Pierre erhielt übrigens 23 Jahre später zusammen mit seiner Frau Marie 1903 den Nobelpreis für Physik. Die Curies beschrieben als Erste den so genannten piezo-elektrischen Effekt oder "Piezo-Elektrizität" – also die Reaktion bestimmter Kristalle wie Quarz oder Turmalin.

Bei diesen speziellen Kristallen führt das Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Verformung des Kristalls (Schwingung). Umgekehrt führt eine erzwungene Verformung zu einer Spannung im Kristall. Dieser Effekt wird bei Mikrofonen, Lautsprechern und elektrischen Feuerzeugen (Piezozünder) genutzt.

Genauer als mechanische Uhren

Quarzuhren benötigen elektrische Energie, die sie über eine Batterie oder eine Photovoltaik-Anlage (Solarzelle) erhalten. Der Quarzkristall wird durch Anlegen einer Spannung in Schwingungen versetzt. Die Schwingungsfrequenz liegt bei 32768 Hertz (Schwingungen pro Sekunde).

Diese wird in der Quarzuhr durch eine elektronische Schaltung auf eine Schwingung pro Sekunde reduziert. Einmal pro Sekunde erzeugt der Quarz einen Impuls, der eine LED-Anzeige oder einen Schrittschaltmotor steuert. Der Schrittschaltmotor entspricht dabei dem eines analogen Zeigerwerks in einer mechanischen Uhr. Dieser Motor treibt den Sekundenzeiger an, der mechanisch mit den anderen Zeigern verbunden ist.

Quarzuhren sind wesentlich genauer als mechanische Uhren. Die Abweichung einer mechanischen Uhr kann bei vier bis sechs Sekunden pro Tag liegen, eine Quarzuhr hat in der Regel nur eine Abweichung von einer Sekunde pro Woche. Ein Quarzuhr mit digitaler Anzeige hat noch einen weiteren Vorteil: Aufgrund der fehlenden Mechanik ist sie resistenter gegen Beschädigungen.

(Erstveröffentlichung 2003. Letzte Aktualisierung 09.03.2020)