Tip:
Highlight text to annotate it
X
Hoe een atoomklok werkt en hoe het word toegepast in Global Positioning Systems (GPS)
Ik wil je iets geweldigs laten zien.
De kleinste atoomklok ter wereld die er te koop is.
Symmetricon\'s CSAC
Dat klopt: dit kleine apparaatje
ongeveer ter grootte van een kwartje
is een atoomklok
De meest nauwkeurige atoomklok verliest ongeveer
een seconde per 138 miljoen jaar
De manier waarop atoomklokken werken verbazen mij
laat me uitleggen hoe de allereerste werkte.
Ik zal beginnen met een drilpudding
Geef een kleine tik tegen een blok drilpudding en het zal gaan trillen.
net zoals de slinger van een oude wandklok
de trilling van de pudding kan worden gebruikt om de tijd te meten
nu is pudding niet de beste manier om dit te doen
maar binnenin een atoomklok zit er een stukje quartz
van een soortgelijke vorm zodat als we het aantikken
wat we doen met een kleine stroomstoot
dat het vijf miljoen keer per seconde gaat trillen
De fout die de klok maakt is ongeveer 1 seconde over 90.000 jaar
een fractie van wat nodig is voor een atoomklok.
Quartz verliest tijd omdat het steeds langzamer zal gaan trillen en daarom opnieuw
een tik moet krijgen om zijn trilling voort te zetten.
Dat is waar het \"atoom\" gedeelte van de atoomklok komt kijken.
We gebruiken Cesium atomen om deze kleine tikjes heel nauwkeurig uit te delen.
Elke keer als het quartz minder gaat trillen
bij zelfs de kleinste verandering, geven we het een tik
een kleine stroomstoot net op het juiste moment
zodat de trilling eigenlijk nooit afneemt.
Laat me uitleggen hoe we het cesium gebruiken om dit te doen.
De atomen in puur cesium bestaan voornamelijk uit
twee verschillende vormen
Een lage energiehoudende vorm en een met een beetje meer energie
Voor een atoomklok hebben deze twee vormen twee eigenschappen
die belangrijk zijn voor het maken van een klok.
Een, ze kunnen door magneten worden gescheiden
En twee, de lagere energie atomen kunnen worden omgezet
in de hogere energie als we het cesium bestralen met de juiste straling
Engineers verbinden het afnemen van de trilling van het quartz
aan de exacte frequentie van de straling
om zo een feedback loop te maken.
Ik zal laten zien hoe.
In een oven verhitten we cesium chloride om zo
een gasstroom van cesium ionen te creeren.
De stroom bevat zowel de lage als de hoge energie ionen.
Eerst laten we het tussen een magneet doorstromen om de twee types te scheiden
hierbij laten we de hoge ionen gaan, waardoor de lagere energie ionen
worden afgebogen naar een kamertje.
In deze kamer bestralen we de ionen met
precies de juiste frequentie straling zodat ze in een hogere energiestaat komen.
Als deze gasionen de kamer weer verlaten
buigt een andere magneet ze om naar een detector
deze keer gebruiken we de lagere energie ionen niet.
De detector zet de ionen om in een spanning
De truc is om een link te leggen tussen de spanning van de detector
en de trilling van het quartz
Als de trilling in het quartz afneemt
dat betekend dat het langzamer trilt
dan zal de energie(frequentie) van de straling op de cesium ionen afnemen
in de kamer waardoor er minder hoge energie
ionen de kamer uitstromen, waardoor de detector spanning afneemt of stopt
dit geeft dan een signaal aan de elektronica om een \"zap\" te geven aan het quartz
om zo de juiste trillingstijd weer in te stellen
Het doet het door het juiste voltage toe te passen dat
via het piezoelektrisch effect, het quartz aantikt
en de trilling hersteld.
Waardoor het een klok creert dat minder
dan een seconde per vele miljoenen jaren verliest.
Onze wereld loopt op dit soort nauwkeurigheid.
Bijvoorbeeld, het Global Positioning System (GPS) heeft het nodig.
het GPS bestaat uit
24 satellieten in een baan om de aarde.
Een GPS ontvanger gebruikt de positie van vier
van deze satellieten om een locatie vast te stellen.
Een om de juiste tijd vast te stellen op de ontvanger
en drie voor zijn positie.
Hier is hoe dat werkt.
Een signaal word verzonden naar de ontvanger vanaf de eerste satelliet
dat signaal bevat de locatie van de satelliet
en het tijdstip van vertrek van het signaal.
De ontvanger vermenigvuldigt de reistijd van het signaal
met de lichtsnelheid om de afstand tot die satelliet te bepalen.
Met een satelliet weet de ontvanger dat
het ergens op een bol rond die satelliet bevind
met een straal ter grootte van de berekende afstand.
Op dezelfde manier wordt het signaal van de tweede satelliet afgehandeld.
De kruising van deze 2 bollen verkleint
de mogelijke locatie tot een cirkelomtrek.
Dan met het signaal van de derde satelliet kan de ontvanger
de locatie beperken tot een enkel punt.
Aangezien de signalen met de snelheid van het licht reizen,
betekend dat zelfs een fout van een milliseconde resulteert
in een foute positie van ongeveer 300 kilometer.
Maar met de nauwkeurigheid van de atoomklok
kan de ontvanger zijn locatie bepalen tot ongeveer een meter.
Mijn naam is Bill Hammack, the engineerguy.
Deze video is gebaseerd op een hoofdstruk in het boek
\"Eight Amazing Engineering Stories\".
Het hoofdstuk bevat nog veel meer informatie over dit onderwerp.