Was sind Uhren mit Quarzwerk (Quarzuhrwerk) und aus welchen Elementen bestehen sie?
Quarzuhren mit Quarzwerk sind sogenannte Echtzeituhren, da ihre Funktion auf einen Taktgeber oder Quarzschwinger basiert, dessen Schwingungen eine elektrische Schaltung realisiert. Zur Verarbeitung der Takte benötigt eine Quarzuhr oder ein Chronograph mit Quarzwerk ein elektronisches Element wie eine Batterie. Dieses hat die Aufgabe, die Schwingungen weiterzugeben, die der Quarzoszillator abgibt.
Quarz ist ein hartes Mineral, das in der Natur vorkommt. Dieses Mineral dient nicht als Taktgeber in einem Quarzuhrwerk einer Quarzuhr, sondern sogenannte Schwingquarze. Dabei handelt es sich um künstlich hergestellte Taktgeber, die sich in Form von kleinen Schwinggabeln in der Quarzuhr befinden, deren Frequenz 32768 Herz beträgt.
Bestandteile von Quarzuhren, Armbanduhren und Chronographen mit einem Quarzwerk (Quarzuhrwerk) sind:
- Taktgeber (Quarzschwinger)
- Elektronik (Verarbeitung der Takte und Benutzereingaben)
- Ein Anzeigeteil, der Zeitinformationen darstellt (bei vielen Modellen die Betriebszustände der Uhr)
- Eine Energieversorgung (Batterie oder Akku)
- Stoppuhrfunktion (Chronographen,
Die Funktion von Quarzuhren, Armbanduhren oder Chronographen mit Quarzuhrwerk (Quarzwerk)
Armbanduhren oder Chronographen mit Quarzkristallen als Taktgeber funktionieren vollelektronisch oder auf elektromechanischer Basis. Als Taktgeber benutzen Armbanduhren auf Quarzbasis die piezoelektrischen Schwingungen des Quarzkristalls, die sich in die Bewegungen des Uhrzeigers der Quarzuhr übersetzen lassen. Das bedeutet, Quarzkristalle im Quarzuhrwerk geben Quarzuhren und Armbanduhren (z.B. bei hochwertigen Herrenuhren) auf Quarzbasis den Takt an. Sie steuern entweder über eine Elektronik einen Magneten an, der ein Zahnräderwerk in Bewegung setzt. Oder die Schwingungen der Kristalle liefern Schaltimpulse für ein Zählwerk (digitale Anzeige).
Im Inneren von Quarzuhren, im Quarzuhrwerk von Armbanduhren auf Quarzbasis, befinden sich Quarzkristalle, die ein elektronischer Schaltkreis in Schwingungen versetzt. Dem zugrunde liegt das Prinzip der Piezoelektrizität, das sich bei verschiedenen Metallen und Kristallen erkennen lässt. Dieses besteht darin, dass eine Verformung von Metallen oder Kristallen in der Lage ist, elektrische Energie zu erzeugen und umgekehrt (Piezoeffekt). Aufgrund erregender und rückwirkender Schwingungen entsteht eine Schwingung von erstaunlicher Präzision in Armbanduhren auf Quarzbasis, welche die Uhrzeiger in Bewegung setzt.
Vereinfacht ausgedrückt: Strom aus der Batterie lässt den Quarzkristall im Quarzwerk einer Quarzuhr schwingen. Diese leichten und schnellen Schwingungen verlaufen extrem gleichmäßig, sodass sie sich messen lassen und in der Lage sind, als Grundlage für die Zeiteinteilung zu dienen. Da die Schwingungen des Quarzkristalls eine wesentlich höhere Frequenz aufweisen, läuft eine Quarzuhr über längere Zeit genauer als eine mechanische Uhr
Bei einer mechanischen Uhr sorgt das Pendel oder die Unruh, welche eine Feder antreibt, für die Taktfrequenz. Die Unruh ist ein aus Metall gefertigtes Teil mit einem Reif und einer Spirale. In Kombination mit der Spirale bestimmt die Unruh die Ganggenauigkeit der mechanischen Uhr. Aus diesem Grund ist eine gute Qualität der Unruh bei dieser Art mechanischen Uhr Voraussetzung für eine präzise Zeitangabe.
Vorteile von Armbanduhren oder Chronographen mit Quarzkristallen im Quarzuhrwerk (Quarzwerk) im Überblick
- Quarzuhren überzeugen durch leichte Handhabung
- Sie sind preisgünstiger als Automatikuhren
- Umweltfreundlich (solarbetriebene Batterien)
- Hohe Batterielaufzeit
- Laufen über längere Zeit überaus genau
- Es gibt viele Varianten von Quarzuhren
Die Vor- und Nachteile von Quarzuhren
Zu den Vorteilen einer Quarzuhr gehört das wartungsfreie Quarzuhrwerk, das ohne mechanische Bestandteile auskommt. Als weiterer Vorteil gilt, dass viele Armbanduhren auf Quarzbasis sich die Sonnenenergie zunutze machen, indem sie ihre Batterien mit dieser regenerierbaren Energieform speisen. Das bedeutet, Armbanduhren auf Quarzbasis lassen sich preisgünstig und umweltfreundlich betreiben. Sie benötigen keinen Uhrenbeweger wie Automatikuhren, was die Herstellungskosten senkt. Deswegen gibt es Quarzuhren für jeden Geldbeutel.
Der Markt bietet unterschiedliche Typen von Quarzuhren wie Armbanduhren oder Wanduhren mit Quarzuhrwerk. Des Weiteren Wecker, Schachuhren, Standuhren und viele weitere Typen.
Als Nachteil von Quarzuhren gilt die Empfindlichkeit gegen Temperaturschwankungen.
Was sind Chronographen?
Der Begriff beschreibt im Wesentlichen Uhren mit integrierter Stoppuhrfunktion. Chronographen bietet der Handel mit mechanischem Uhrwerk, mit oder ohne automatischen Aufzug, oder mit Quarzwerk. Chronographen mit einem Quarzuhrwerk sind in der Regel preisgünstiger als Chronographen mit einem mechanischen Uhrwerk.
Quarzuhrwerk (Quarzwerk) – Unterschiede zu anderen Uhrwerken
Automatikuhr, mechanische Uhr und Quarzuhr
Ein Unterschied zwischen dem Uhrwerk einer Automatikuhr und einer Uhr mit Quarzwerk lässt sich an der Laufweise des Sekundenzeigers erkennen. Voraussetzung ist, dass die Quarzuhr einen solchen hat. Wenn der Sekundenzeiger ruckartig von einer Sekunde zur anderen springt, handelt es sich um eine Quarzuhr. Springt er nahezu ohne Unterbrechung von einer Sekunde zur nächsten, handelt es sich nicht um eine Uhr mit Quarzuhrwerk, sondern um eine Automatikuhr.
Ein Quarzuhrwerk misst die Zeit nicht mittels mechanischer Bauteile wie mechanische Uhrwerke, sondern verwendet ein System mit einem Stromkreis und einem Quarzkristall als Schwingelement. Letzterer schwingt jede Sekunde 32760 mal und treibt die Zeiger an.
Bei Quarzuhren beträgt die Zeitabweichung maximal eine Sekunde in der Woche, bei mechanischen Uhren zehn Sekunden an einem Tag oder mehr.
Automatikuhren zählen zu den mechanischen Uhren. Trotzdem ziehen sie sich auf andere Weise auf als mechanische Uhren mit Handaufzug. Ihr Aufzug erfolgt automatisch durch das Tragen am Handgelenk. Ein Rotor im Inneren zieht die Uhr in kleinen Schritten durch die Bewegungen des Handgelenks auf. Auf diese Weise bleibt die Feder gleichmäßig gespannt. Dies führt zu einer besseren Laufgenauigkeit der Uhr als bei einer mechanischen Uhr mit Handaufzug.
Automatikuhr, Solaruhr und kinetische Uhr
Uhren mit Solarwerken funktionieren wie Quarzuhren. Der Unterschied ist, dass sie keine Batterie benötigen, sondern Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen. Dies geschieht durch Sonnenkollektoren auf dem Ziffernblatt oder darunter. Viele Uhren mit Solarwerk verfügen über eine Dunkelgangsreserve von mehreren Monaten, damit sie nachts nicht stehen bleiben.
Die Vorteile dieser Uhren mit innovativer Solartechnik liegen auf der Hand: Zum einen sorgen sie beim Träger für ein beruhigtes Umweltgewissen. Zum anderen besteht die Gefahr nicht, dass eine zu schwache Batterie die Uhr zum Stillstand bringt. Solaruhren bieten sich für jeden an, der mehrere Uhren besitzt und mehrmals die Uhr wechselt.
Daneben gibt es eine Kombination aus Quarzuhr und Automatikuhr. Gemeint sind kinetische Uhren mit einem Quarzuhrwerk. Diese Uhren erzeugen Energie durch Bewegungen. Diese Energie lässt sich mittels eines Generators in elektrische Energie umwandeln.
Eine kinetische Quarzuhr vereint die Vorteile einer Quarzuhr und einer Automatikuhr. Das bedeutet, sie hat ein quarzgenaues Uhrwerk ohne Batterie.
Uhrenwerke – Magnetfelder und andere Störfaktoren und deren Auswirkungen
Uhren in der Nähe von elektronischen Geräten, die Magnetfelder erzeugen, sind oftmals weniger Leistungsfähig. Die Wirkung von Magnetfeldern auf Uhren mit einem Quarzwerk ist in der Regel von kurzer Dauer. Sie beschränkt sich auf die Zeit, in der sich die Uhr innerhalb des Magnetfelds befindet.
Anders verhält es sich bei mechanischen Uhren, egal, ob mit Handaufzug oder automatischen Aufzug. Diese reagieren empfindlicher auf Magnetfelder.
Uhren sind nach ihrer Konstruktion in der Regel in der Lage, Magnetfeldern im Alltag standzuhalten. Oftmals führen starke Magnetfelder bei mechanischen Uhren zur Magnetisierung von Stahlteilen im Uhrwerk wie die Unruhefeder. In wenigen Fällen haften magnetisierte Teile aneinander, sodass die Uhr zu schnell läuft oder stehen bleibt. In diesem Fällen hilft eine Entmagnetisierung der Uhr durch einen Fachmann.
Grundsätzlich gilt es, bei allen Uhren Folgendes zu vermeiden: Schläge, Stöße und starke Druckbelastungen sind für viele Uhren problematisch. Für Automatikuhren mehr als für Quarzuhren. Gleiches gilt für Magnetfelder, die zu auftretenden Gangregelmäßigkeiten oder Stillstand der Uhr führen. Deshalb am besten eine Uhr nicht auf einem Kühlschrank lagern.
Eine gute Quarzuhr bleibt zu Hause, wenn der Strand ruft. Der Sand, Salzgehalt des Wassers sowie die ständige Sonneneinstrahlung setzen vielen Uhren auf die Dauer zu und verkürzen ihre Lebensdauer.
Die Batterien von Quarzuhren
Die Lebensdauer der Batterien hängt von mehreren Faktoren ab: Art des Quarzwerks, Benutzerverhalten und Umwelteinflüsse.
Am besten ist es, die Batterien alle zwei Jahre auszutauschen. Des Weiteren gilt: Bei längerer Nichtbenutzung der Quarzuhr die Batterie von einem Uhrmacher herausnehmen lassen, da alte Batterien zum Auslaufen neigen. In solchen Fällen lässt es sich nicht ausschließen, dass frei werdende, aggressive Chemikalien das Uhrwerk beschädigen.
Die geschichtliche Entwicklung der Quarzuhr
Der Kanadier Warren Alvin Marrison stellte 1923 die erste Quarzuhr der Welt vor und gilt als deren Erfinder. Zehn Jahre später erfolgte die erste nennenswerte Weiterentwicklung der Uhr mit Quarzwerk (Quarzuhrwerk): Die deutschen Physiker Adolf Scheibe und Udo Adelsberger entdeckten, dass die Erde sich nicht gleichmäßig dreht. Abhängig von der Jahreszeit differiert die Zeit um eine Millisekunde. Nach dieser Erkenntnis richteten sie ihre neuen Quarzwerke aus.
Die Markteinführung der ersten käuflichen Quarzuhr für Wissenschaft und Industrie fand 1938 statt. Diese Quarzuhr war wesentlich zuverlässiger als frühere Modelle mit Röhrenelektronik, was an der Kombination aus Quarzoszillator und Stimmgabel lag. Ein Einsatz im deutschen Zeitdienst war die Folge.
Nach dem Zweiten Weltkrieg ging die Erfolgsgeschichte der Quarzuhr weiter. Sie ersetzte Präzisionspendeluhren als wissenschaftlichen Standard. Es folgten Bemühungen der Forschung nach einer Verkleinerung der Quarzuhren, sodass sie sich als Armbanduhren zum Tragen am Handgelenk eigneten.
Der Schweizer Patek führte Ende der 1950er Jahre die Halbleitertechnologie, neuartige Synchronmotoren sowie zuverlässige arbeitende Batterien zusammen. Auf diese Weise tat er einen entscheidenden Schritt zur Entwicklung von Armbanduhren (Quarzuhr). Die ersten Armbanduhren mit einem Quarzuhrwerk brachte das Unternehmen Seiko 1969 auf den Markt.
Den Weg von der Entwicklung der ersten Quarzuhr bis zu modernen Armbanduhren mit Quarzwerk ebneten weitere Wissenschaftler und Genies mit ihren technischen Errungenschaften. Zu diesen gehörten Jaques und Pierre Curie, George Washington Pierce und andere, sodass die moderne und präzise Quarzuhr viele Väter hat.
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