Meranie fyziklnych velin as a frekvencia Frantiek Kundracik

Meranie fyzikálnych veličín Čas a frekvencia František Kundracik

Hodina, minúta, sekunda, deň, mesiac, rok n n n Sumeri (2000 p. n. l) – šesťdesiatková sústava – delenenie hodiny na šesťdesiatiny 12 denných hodín, 12 nočných hodín 12 mesiacov Rok – 6 x 60 dní + cca 6 dní Príčina – pravdepodobne v dobrej deliteľnosti čísla 60 číslami 2, 3, 4, 5, 6

Meranie času n n n Vzniklo prirodzene od striedania dňa a noci, od pohybu Slnka na oblohe Rozdiel medzi siderálnym dňom (otáčanie vzhľadom k hviezdam) a slnečným dňom (vzhľadom k Slnku) – asi 4 min Pohyb rôznou rýchlosťou po elipse, slnečný deň nie je konštantný!

Slnečné hodiny n n n Pozorovanie tieňa, napr. tyče alebo hrany - gnónom Slnečné hodiny – vyvinuli sa z gnónomu Na tienidle sú značky určujúce hodinu

Slnečné hodiny n n Počas roka sa mení výška Slnka nad obzorom – Slnko je na poludníku Ak tieň nemá závisieť od polohy na poludníku, musí byť tyč rovnobežná so zemskou osou

Slnečné hodiny n Nerovnomerný pohyb Zeme po elipse – slnečný deň sa mení, Slnko nie je na poludnie na tom istom poludníku - analemma

Časová rovnica N = 1 pre 1. január N = 2 pre 2. január minimum zero maximum zero − 14: 15 00: 00 +3: 41 00: 00 − 06: 30 00: 00 +16: 25 00: 00 11 February 15 April 14 May 13 June 26 July 1 September 3 November 25 December

Analematické slnečné hodiny n n Kompenzácia časového údaju Vertikálny gnónom, jeho poloha sa mení počas roka

Digitálne slnečné hodiny

Vodné hodiny - klepsidry n n Odkvapkáv anie vody cez malý otvor Stabilizácia výšky hladiny pomocnou nádržou

Presýpacie hodiny, sviečky n Málo presné, ale často používané

Kyvadlové hodiny n n Gallileo Gallilei, kyvadlo. Hodiny – jeho syn Vincenzio spoločne so zámočníkom Balestrim roku 1649 Kompenzácia teplotou spôsobenej zmeny dĺžky kyvadla vhodným závažím a jeho upevnením (Huygens, označovaný za objaviteľa kyvadlových hodín)

Hodiny so zotrvačníkom n n 1658 - Robert Hook Stále malá presnosť kvôli kolísaniu teploty, námorná navigácia pre určenie zem. dĺžky potrebuje menej než 3 s za deň 1714 ponúkla britská vláda odmenu 20000 libier za dosiahnutie tohto cieľa 1762 tesár John Harrison – mechanická kompenzácia dĺžky strunky pri zmene teploty – chronometer, chyba 54 s za 156 dní

Elektrické hodiny n n n Jednoduchá konštrukcia – elektromagnet pohne kolieskom pri príchode signálu Zdroj signálu – elektrorozvodná sieť 50 Hz + delenie kmitočtu na 1 Hz Presnosť – daná presnosťou kmitočtu siete. Dnes – garantovaný počet periód za 24 hod.

Kryštálom riadené hodiny n n n Piezoelektrický výbrus z kryštálu Si. O 2 (kremeň), doštička alebo laserom vytvarovaná „ladička“ 32768 Hz = 215 Hz Voľné kmity, sníma sa napätie a zavádza sa kladná spätná väzba (privádzaním napätia na kryštál) Presnosť – bežne 1 s/deň, na ruke je stabilizovaná teplota – až 1 s za mesiac

Atómové hodiny n n n Maser – zariadenie na generovanie rádiového žiarenia, využívajúce stimulovanú emisiu Jemná štruktúra energetického spektra atómov (vzájomná energia spinu jadra a spinu elektrónu) – žiarenie v oblasti GHz Čpavok, vodík, rubídium, cézium

Atómové hodiny n Stimulovaná emisia – musíme pripraviť atómy vo vyššom energetickom stave - separácia stavov (podobne ako v Stern–Gerlachovom experimente)

Atómové hodiny n n Výboj – atómy v rôznych stavoch Separácia Odoslanie atómov do dutinového rezonátora Zosilnia sa kmity s frekvenciou 1. 420405751 GHz

Atómové hodiny n n n Cézium – vieme urobiť najpresnejšie 9, 192631770 GHz, cena cca 50000 USD Vodík – lacnejšie, vynikajúca krátkodobá stabilita, zlá dlhodobá stabilita Rubídium –najlacnejšie, cca 50 USD

Atómové hodiny n Technické triky: n n Laserové chladenie (potlačenie Dopplerovského rozšírenia čiary) Fontánkové lúče – atómy sa vracajú späť do rezonátora (potlačenie rozšírenia čiary spôsobeného princípom neučitosti)

Céziové fontánkové hodiny NIST-F 1

Rádiom riadené hodiny n n Prijímajú signál vysielača, ktorého frekvencia je riadená atómovými hodinami Stredná Európa: DCF 77 (Mainflingen, pri Frankfurte, 77. 5 k. Hz dosah cca 2000 km Presnosť – kazí ovplyvňovanie doby šírenia rádiového signálu počasím a ionizáciou atmosféry Krátkodobá stabilita cca 1 ms/deň – nevhodné pre náročnejšie vedecké účely