الكوارتز (بالإنجليزية: Quartz) أحد المعادن الموجودة على سطح الأرض، ويتكون من ثاني أكسيد السيلكون (SiO2)، وهو عبارة عن جزء من السيليكون مع جزئين من الأكسجين، وهو أكثر المعادن وفرة وتوزيعًا على سطح الأرض، ويتشكل في جميع درجات الحرارة، ويوجد في جميع أنواع الصخور النارية والمتحولة والرسوبية، ويتميز بأنّه شديد المقاومة للعوامل الجوية الميكانيكية، والكيميائية، هذه المتانة تجعله المعدن المهيمن على قمم الجبال والمكون الأساسي للشواطئ والأنهار ورمال الصحراء.[١]


من خصائص بلورات الكوارتز

يتميز الكوارتز بالعديد من الخصائص، منها:[٢]

  • تمتلك بعض بلورات الكوارتز خاصية الكهرضغطية، وهي القدرة على توليد جهد كهربائي عند تعرضها لضغط ميكانيكي.
  • يتميز بدرجة انصهار عالية جدًا، ويُمكنه تحمل درجات الحرارة المرتفعة للغاية.
  • يتميز بأنّه مستقر كيميائيًا، ولا يتفاعل مع المواد الكيميائية والمواد الأخرى.
  • يوجد بألوان مختلفة حسب درجة الشوائب الموجودة في البلورات، فتتدرج من الشفاف النقي إلى ألوان متعددة جذابة وجميلة.
  • يتميز بالصلابة العالية، إذ تصل درجة صلابته 7 على مقياس موس للصلابة (Mohs Scale)، وبالتالي لا تتآكل بسهولة.[١]


تصنيع بلورات الكوارتز

مع تطور الصناعات تزايدت الحاجة إلى بلورات الكوارتز عالية الجودة، فلم تكن عمليات التعدين قادرة على مواكبة زيادة الطلب على الكوارتز، فتمّ ابتكار طريقة لتكوين بلورات كوارتز اصطناعية لاستخدامها في الصناعات البصرية والإلكترونية بدلاً من إنتاجها من المناجم، وحاليًا يتمّ تكوين البلورات في المختبرات باستخدام طرق تعتمد على النشاط الحراري المائي والتي تحاكي الطريقة العملية الجيولوجية التي تحدث على الكرة الأرضية، إذ تزرع البلورات الاصطناعية في مياه غنية بالسليكا الذائبة على درجات حرارة عالية، من أهمّ ميّزات بلورات الكوارتز الاصطناعية ما يأتي:[٣]

  • انخفاض تكلفة زراعة بلورات الكوارتز بالمقارنة مع كلفة التعدين ومخاطره.
  • يُمكن زراعة البلورات بأشكال وأحجام وألوان تتناسب مع احتياجات التصنيع.


مبدأ عمل ساعات الكوارتز

في ساعة الكوارتز، يتمّ استخدام التأثيرالكهروضغطي العكسي للحفاظ على الوقت بدقة شديدة، ويتمّ تزويد بلورة الكوارتز بالطاقة الكهربائية من البطارية لجعلها تتأرجح آلاف المرات في الثانية، بعد ذلك تستخدِم الساعة دارة إلكترونية لإبطاء الدقات بمعدل مرة واحدة في الثانية وذلك باستخدام محرك صغير وبعض التروس الدقيقة لتحريك عقارب الثانية والدقائق بشكل صحيح.[٤]


تاريخ استخدام الكوارتز في صناعة الساعات

بدأ العمل على تطبيق قياس التردد في الاتصال والتحكم فيه، من خلال مقارنات مع الوقت الفلكي، كوسيلة لتحديد التردد الذي يتحكم فيه، وكان الثبات من البداية كبيرًا بدرجة كافية على فترات من يوم أو أكثر، وتمّ إنشاء أول هذه الساعات عام 1927م في مختبرات بل (Bell Telephone Laboratories) في مدينة نيويورك، لاستخدامها كمعيار دقيق للتردد، ومنذ تلك التجربة الأولى، تمّ بناء ثلاثة تركيبات لاحقة لاستبدالها بأداء محسّن تدريجيًا، وفي عام 1937م تمّ تثبيت المعيار المعمول به الآن منذ عام 1947م، وذلك باستخدام النموذج المختبري الأول من بلورات الكوارتز المقطوعة على شكل (GT)، وأول مجموعة من أربع مذبذبات مثبتة على جسر، وهي تعمل بشكل مستمر منذ ذلك الوقت، ويعمل هذا الجهاز كمعيار للقياسات الدقيقة للتردد والوقت في جميع أنحاء، ويستخدَم لتنظيم خدمة وقت الهاتف خلال اليوم في مدينة نيويورك، كما أنّه المعيار المرجعي لخدمات الإضاءة والطاقة الكهربائية في نيويورك، وقد تمّ التحكم في المذبذبات الأصلية في هذا التركيب بواسطة شوكات ضبط فولاذية مقترنة بالكهرباء الساكنة في الفراغ، ولكن تمّ استبدالها مؤخرًا بمذبذبات محسّنة يُمكن التحكم فيها بواسطة رنانات كوارتز ثنائية التشكيل لتعطي 4000 دورة.[٥]


ومن الأمثلة البارزة على استخدام ساعة الكوارتز في العديد من المجالات هو تطبيقها لقياس الجاذبية في البحر، فقد طلب الدكتور موريس إيوينغ (بالإنجليزية: Maurice Ewing) في كانون الأول/ديسمبر 1935م من مختبرات عما إذا كان يُمكن صناعة ساعة كوارتز محمولة للاستخدام أثناء رحلة استكشافية لاستخدامها في قياس الجاذبية بواسطة غواصة في جزر الهند الغربية، فتمّ تجميع أول كرونومترية أو ما يُسمّى الميقاتية (بالإنجليزية: Crystal Chronometer) محمولة لهذه الرحلة، وقد استخدمه الدكتور إيوينغ وزملاؤه في غواصة الولايات المتحدة الأمريكية باراكودا على في 30 كانون الثاني/نوفمبر من عام 1936م، ثمّ استخدم الكرونومتر البلوري الأصلي هذا في العديد من بعثات قياس الجاذبية ولا يزال في الخدمة النشطة.[٥]


لماذا يستخدم الكوارتز في صناعة الساعات

هناك العديد من الميزات التي تجعل من الكوارتز مناسبًا لدخوله في صناعة الساعات، منها:[٦]

  • تمتلك بلورات الكوارتز القدرة على إنتاج الكهرباء عند وضعها تحت ضغط ميكانيكي، وتُسمّى هذه الحالة الكهرباء الانضغاطية (بالإنجليزية: Piezoelectricity) وهي تحويل الجهد من وإلى الضغط الميكانيكي.
  • تحافظ بلورات الكوارتز على معيار تردد دقيق، مما يساعد على تنظيم حركة الساعات، مما يجعلها دقيقة جدًا.
  • لن تحتاج إلى تغيير البطارية إلّا بعد بضع سنوات.[٧]

المراجع

  1. ^ أ ب Hobart M. King, PhD, RPG, " Quartz A ubiquitous mineral with an enormous number of uses", https://geology.com/, Retrieved 16/6/2021.
  2. ↑ Dinesh Aqarwal (7/12/2019), "Quartz Applications & Uses In Different Industries", Unique Crystal Minerals , Retrieved 16/6/2021. Edited.
  3. ↑ Hobart M. King, PhD, RPG, "Quartz A ubiquitous mineral with an enormous number of uses", https://geology.com, Retrieved 16/6/2021. Edited.
  4. ↑ Chris Woodford (11/12/2020), "Piezoelectricity", explainthatstuff, Retrieved 24/6/2021. Edited.
  5. ^ أ ب "The Evolution of the Quartz Crystal Clock", IEEE ultrasonic free electronics and frecuency control society, Retrieved 23/6/2021. Edited.
  6. ↑ Benjamin Radford (22/2/2013), "Why Is Quartz Used in Watches?", livescience, Retrieved 15/6/2021.
  7. ↑ Chris Woodford (15/9/2020), "Quartz clocks and watches", explainthatstuff, Retrieved 21/6/2021. Edited.