Quarzwerk: Die elektrische Uhr

Nicht nur in Hollywood-Blockbustern, sondern auch im echten Leben geht es oft nur um Bruchteile von Sekunden: Ob der Student noch pünktlich zu seiner Prüfung kommt, ob die Nachspielzeit des Fußballspiels schon abgelaufen ist oder ob der Zug den Bahnhof nach Fahrplan passieren wird - alles eine Frage von genauester Zeitmessung. Und ebendiese versprechen Quarzuhren. Im Gegensatz zu mechanischen Uhren erleiden Quarzmodelle nur Gangabweichungen von wenigen Sekunden pro Monat. Zudem sind die elektrischen Uhren in der Regel günstiger in der Produktion. Scheinbar alles gute Gründe, bei der Zeitmessung auf eine Quarzuhr zu setzen.

Funktionsweise

Während bei Automatikuhren die Zeiger durch eine aufwendige Mechanik ohne jeglichen elektronischen Antrieb zum Ticken gebracht werden, übernimmt diese Aufgabe bei Quarzuhren eine Batterie. Sie ist die Quelle der Energie und sorgt für Bewegung im Uhrwerk. Vereinfacht gesagt funktioniert eine Quarzuhr so: Die Batterie liefert Energie an kleine Zahnräder und setzt diese so in Bewegung. Diese wiederum sind mit den Zeigern auf dem Zifferblatt verbunden, die so letztendlich auch in Bewegung gesetzt werden und die Uhr zum Laufen bringen. Aber warum läuft eine Quarzuhr so genau? Und welcher Teil des Uhrwerkes regelt die Ganggenauigkeit?

Die Beantwortung dieser Fragen führt uns zu dem Namensgeber der Uhren: Dem Quarz. Genauer gesagt einem kleinem Quarzkristall, der wie eine Stimmgabel geformt ist und in einem kleinen Gehäuse im Inneren des Uhrwerkes sitzt. Er ist Taktgeber der Uhr und sorgt dafür, dass die Energie der Batterie nur in reguliertem Maße an die Zeiger weitergegeben wird. Dazu sind Quarzkristall und Batterie durch ein gemeinsames Teil verbunden. Bei den meisten Quarzuhren ist dies der "Schrittmotor". Er verrechnet die Impulse des Quarzkristalls mit der Energie der Batterie, gibt diese “gedrosselt” an das Räderwerk weiter und setzt so letztendlich die Uhrenzeiger in Bewegung - und das zeitgenau.

Funktionsweise Quarzuhrwerk

Dass der Kristall Impulse im Lauftempo der Zeit abgeben kann, basiert auf einer physikalischen Entdeckung aus dem Jahre 1880, dem "piezoelektrischen Effekt". Die weltbekannten Physiker und Brüder Pierre und Jacques Curie fanden heraus, dass bestimmte Kristalle ihre Form verändern, wenn an ihre Oberfläche elektrische Spannung angelegt wird. Dieser Effekt lässt sich sogar so genau berechnen, dass man nach der Verformung des Kristalls im wahrsten Sinne des Wortes die Uhr stellen kann. Im Zusammenhang mit einem Uhrwerk wird die Verformung des Quarzkristalls übrigens als “Schwingung” bezeichnet.

Große Ressourcen an Quarz

Größe und Form des Kristalls bestimmen dabei die Frequenz in der die Schwingungen stattfinden. In Armbanduhren hat man sich auf eine Standardzahl von 32.768 Schwingungen pro Sekunde geeinigt. Diese Anzahl an Schwingungen wurde dabei nicht willkürlich festgelegt, sondern hat den Vorteil, dass so genau ein Impuls pro Sekunde an den Schrittmotor weitergeleitet werden kann. Dieser setzt den Sekundenzeiger in Bewegung und ist mit den anderen Zeigern verbunden. Je nach Modell werden von dem Quarzkristall auch direkt Schaltimpulse an ein Zählwerk gesendet, welches die Zeit durch eine Digitalanzeige wiedergibt. Das Zählwerk ist eine kleine Rechenmaschine, die die Impulse in die Uhrzeit codiert.

Quarz ist übrigens das in der Erdkruste am zweithäufigsten enthaltene Mineral. Die Schwingquarze für Uhren werden oft auch synthetisch hergestellt. Auch wenn sich die Technik immer weiter verfeinert hat, so ist das grundlegende Prinzip einer Quarzuhr bis heute gleich geblieben. Mittlerweile gibt es auch Quarzuhren, die ähnlich einem Automatikwerk mit einer Feder angetrieben werden. Den Gang regelt weiterhin selbstverständlich ein Quarzkristall.

Quarz Stimmgabel

Die Quelle der Energie

Auch die Batterie einer Quarzuhr hält natürlich nicht ewig. Diese muss vielmehr in regelmäßigen Abständen gewechselt werden. Die Lebensdauer einer Batterie hängt dabei maßgeblich von deren Beanspruchung und Qualität ab. In der Regel wird man sie bei hochwertigen Quarzuhren alle drei bis sieben Jahre wechseln müssen. Uhren im günstigeren Preissegment werden oft mit Batterie gelagert, sodass man als Käufer Gefahr läuft, eine halbleere Uhr zu kaufen.

Leider gibt es kaum Möglichkeiten, die Batterie zu schonen. Zwar kursiert die Empfehlung, die Quarzuhr, wenn sie nicht getragen wird, “auszuschalten”, indem man die Krone herauszieht und so die Zeiger zum Erliegen bringt. Dieses Vorgehen ist allerdings besonders bei hochwertigen Quarzuhren nicht empfehlenswert. Zum Einen wird durch das Ziehen der Krone lediglich der Schrittmotor ausgeschaltet und nicht die gesamte Elektronik. Der Stromverbrauch wird daher höchstens verringert und nicht komplett eingestellt. Des Weiteren kann bei manchen Uhren mit gezogener Krone Dreck und Staub in das Uhrwerk eindringen. Folge kann das Auslaufen der Batterie und damit der Totalschaden einer im schlimmsten Fall kostspieligen Uhr sein.

Batterie Quarzuhr

Die Entdeckung der Quarzuhr

Die Entwicklung der ersten Quarzuhr wird zumeist dem kanadisch-amerikanischen Erfinder Warren Alvin Morrison zugeschrieben, der im Ersten Weltkrieg als Radiotechniker arbeitete. Seine Quarzuhr aus dem Jahre 1929 war bereits genauer als die viel früher erfundenen mechanischen Uhren. Sie wies jedoch bei unterschiedlichen Temperaturen teils grobe Schwankungen auf. Ein Phänomen, mit dem viele Quarzuhren anfänglich zu kämpfen hatten. Es wurzelt darin, dass die Teilchenbewegung maßgeblich von der Temperatur beeinflusst wird und so die Verformung des Quarzes bedingen. Mittlerweile überstehen die gängigen Quarzwerke Temperaturen von -10°C bis zu 40C° ohne signifikante Schwankungen in der Ganggenauigkeit aufzuweisen.

Die erste serienreife Quarz-Armbanduhr wurde im Jahre 1969 von dem japanischen Uhrenhersteller Seiko entwickelt. Ein Jahr später lancierte die deutsche Uhrenmanufaktur Junghans mit der Astro-Quartz die erste deutsche Quarz-Armbanduhr.

1976 produzierte Omega die erste Uhr, die ihre empfindliche Elektrik vor Wasser schützte. Die "Seamaster" Linie von Omega wird bis heute weitergeführt. Ein weiteres Highlight setzte Omega 1980 mit der "Dinosaure", die mit 1,46mm Höhe die flachste Quarzuhr der Welt war.

Entdeckung der Quarzuhr