Hohe Genauigkeit und erschwinglicher Preis? Das trifft auf eine Quarzuhr zu, denn diese zeigt Ihnen mithilfe einer Batterie in Sekundenschnelle die richtige Uhrzeit an. Ob analoge oder digitale Quarzuhren – bei diesem Uhrentyp schwingt stets der komplette Schwingquarz mit. Aber wie funktioniert das auf physikalischer Ebene und seit wann werden Quarzkristalle (Quarzoszillatoren) in Uhren verwendet? In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie eine Quarzuhr aufgebaut ist und was sie im Vergleich zu anderen Uhren besonders macht.
Was ist eine Quarzuhr?
Der Quarz bildet dasHerzstück einer jeden Quarzuhr und wird auch als Tiefquarz oder α-Quarz bezeichnet. Mit einer Mohshärte von 7 auf einer Skala bis 10 zählt es zu den harten Mineralen und besteht aus Siliziumdioxid. Es ist ebenfalls von Schwingquarz die Rede, da sich ein winziger Quarzkristall durch elektrische Energie in Schwingungen versetzen lässt. Zudem kommt dieser Stoff neben dem Einsatz in Uhren auch in Schmuck wie Halbedelsteinen vor, die das Design vieler Armbanduhren aufwerten. Für die Produktion ist Quarz ein äußerst ressourcensparendes Produkt, da es nach den Feldspaten als Mineral am zweithäufigsten in der Erdkruste vorkommt.
Seit wann gibt es Quarzuhren?
Die erste Quarzuhr erblickte am 13. Oktober 1927 in New York das Licht der Welt, als sie von Joseph W. Horton und Warren Alvin vorgestellt wurde. Beide Erfinder entwickelten sie in ihren Bell Laboratories, wo sie auf einen Schwingquarz setzten, der eine Resonanzfrequenz von 50 kHz aufwies. So konnten sie einen elektronischen Schwingkreis erzeugen, der das Zeigerwerk antrieb. Dies war jedoch nur möglich, weil sich nach dem Ersten Weltkrieg Anfang der 1920er Jahredie Hochfrequenzforschung entwickelte und bereits 1880 die Piezoelektrizität entdeckt wurde.
Als massentaugliches Produkt wurde die erste Quarzuhr namens Astron Ende 1969 von Seiko in Japan verkauft. Das Besondere: Es war die erste Armbanduhr der Welt, die mit einer Quarzfrequenz betrieben wurde und damit eine Genauigkeit von +/- 5 Sekunden pro Monat erreichte. Diese Entwicklung gilt als wichtiger Meilenstein in der Geschichte der Uhrmacherei, da die Astron eine höhere Genauigkeit als damalige mechanische Uhren bot und neue Möglichkeiten für die Entstehung von weiteren Uhrenfunktionen eröffnete. In Deutschland kam mit der Astro-Quartz 1970 die erste deutsche Quarzuhr durch das Unternehmen Junghans auf den Markt.
Bis heute konkurrieren viele Uhrenhersteller bei hochwertigen Quarzuhren um die optimale Anzahl, Anordnung, besondere Form und Qualität ihrer einzelnen Komponenten, da sich ihre grundlegende Technik seit den 1970ern nicht mehr verändert hat.
Der Aufbau einer Quarzuhr
Zu den wichtigsten Komponenten einer elektronischen Quarzuhr gehört Schwingquarz, der der eigentliche Taktgeber ist unddie Taktfrequenz des Schaltkreises steuert. Dafür benötigt die Uhr eine externe Stromquelle in Form einer Batterie oder – bei größeren Uhren – den Anschluss an das Stromnetz. Weitere wichtige Elemente sind unter anderem:
- Armband
- Quarzkristall
- Akku oder Batterie für den elektronischen Antrieb
- Display (bei Digitaluhren)
- Elektronische Schaltung zur Steuerung der Uhrzeit
- Schaltung mit integriertem Schwingkreis (Induktivität und Kondensator)
- Schrittmotor
- Zeiger
- Zifferblatt, Gehäuse und Uhrenglas
Wie funktioniert eine Quarzuhr?
Batteriebetriebene Quarzuhren zählen zu den elektromechanischen und vollelektronischen Uhren, die auf Basis der Piezoelektrizität funktionieren. So erzeugen Quarzkristalle aufgrund mechanischer Verformungen eine elektrische Ladung, während externe elektrische Felder diese Verformungen wiederum beeinflussen. Der Schwingquarz dient dabei als Taktgeber, von dem elektromechanische Resonanzschwingungen ausgehen. Eine Batterie stellt Energie zur Verfügung, um in regelmäßigen Abständen für Bewegung im Uhrwerk zu sorgen.
Der elektrische Schwingkreis besteht aus einem Kondensator und einer Induktivität. Wenn eine elektrische Spannung an den Schwingkreis angelegt wird, beginnt der Kristall aus Quarz zu schwingen und erzeugt elektrische Impulse, die von einem elektronischen Schaltkreis in der Uhr gezählt werden. Dieser steuert die Impulse des Quarzkristalls, um in regelmäßigen Intervallen ein Signal auszugeben, das den Sekundenzeiger der Uhr antreibt. Die elektronische Schaltung kann auch Minuten- und Stundenzeiger steuern.
Die Ganggenauigkeit von Quarzuhren hängt von der Frequenz des Quarzkristalls ab. In der Regel werden 32.768 Schwingungen pro Sekunde mit einer Frequenz von 32.768 Hertz als Impulse an den Schrittmotor weitergeleitet, der den Sekundenzeiger in Bewegung versetzt. So können Bruchteile einer Sekunde exakt gemessen werden, um hohe Ganggenauigkeiten zu erreichen.
Zum Einsparen von Energie wird eine Frequenzteiler-Schaltung verwendet, die bewirkt, dass die Frequenz des Quarzoszillators (Quarzkristall) niedriger wird. Nur so kann die genaue Uhrzeit wiedergegeben werden, indem die Frequenzteiler-Schaltung die Eingangsfrequenz beispielsweise um das 10-fache verringert.
Fazit
Die Erfindung der Quarzuhr gilt als wichtiger Meilenstein in der Geschichte der Uhrmacherei und sie wurde erstmals 1927 in New York vorgestellt. Seit den 1970er Jahren hat sich ihre grundlegende Technologie nicht mehr verändert, wobei sie sich aber bis heute noch als zuverlässiger und genauer Zeitmesser auf dem weltweiten Uhrenmarkt etabliert hat. Quarzuhrwerke verwenden Quarzkristalle als Taktgeber, die elektromechanische Resonanzschwingungen erzeugen, um den Sekundenzeiger der Uhr anzutreiben. Dafür benötigen sie auch eine externe Energieversorgung, wie zum Beispiel eine Batterie.
Häufig gestellte Fragen
Sind Quarzuhren oder Automatikuhren besser?
Je nach individuellem Anspruch liefern Quarzuhren höhere Ganggenauigkeiten und bedürfen weniger Wartung als Automatikuhren. Eine Automatikuhr verfügt allerdings über ein mechanisches Uhrwerk, das von der Bewegung des Handgelenks angetrieben wird und oft auch eine höhere Lebensdauer erreicht.
Benötigen alle Quarzuhren eine Batterie?
Alle Quarzuhren für das Handgelenk enthalten eine Batterie, die den Quarzkristall in Schwingung versetzt, was dazu führt, dass das Uhrwerk präzise läuft. Dies ist möglich, weil die Energie aus der Batterie den Quarz erhitzt und dessen Schwingungen das Uhrwerk antreiben. Ohne eine Batterie würde die Uhr nicht laufen.
Wie lange hält die Batterie einer Quarzuhr?
Die Lebensdauer einer Quarzuhr hängt beispielsweise von der Größe, Qualität sowie der Art der Uhr ab und wie oft bestimmte Funktionen und Komplikationen verwendet werden. Batterien von Quarzuhren können nach individueller Nutzung zwischen 1 und 3 Jahren halten, bevor sie ausgetauscht werden müssen.
