horloge.

horloge. n.f., instrument de mesure du temps. Les horloges les plus utilisées aujourd'hui sont mécaniques, à quartz ou atomiques. Le fonctionnement de l'horloge mécanique. Les organes essentiels d'une horloge sont le moteur, le rouage, l'échappement, le régulateur, le cadran et les aiguilles. La force motrice peut être produite par la chute d'un poids suspendu à une corde ou à une chaîne enroulée sur un tambour mobile autour de son axe ; par un ressort en acier enroulé sur lui-même dans un barillet ; par un petit moteur électrique. Le rouage est un système de roues et de pignons dentés qui démultiplie et transmet, par l'intermédiaire de l'échappement, le mouvement au régulateur, puis aux aiguilles indicatrices. L'échappement décompose le mouvement en parties égales. Son rôle est de canaliser le flux d'énergie que délivre le poids qui tombe ou le ressort bandé qui se déroule et d'en contrôler le débit de façon à le rendre régulier. C'est une sorte de vanne qui s'ouvre et se ferme régulièrement, laissant à chaque ouverture une petite bouffée d'énergie, toujours la même, entraîner les rouages pour faire avancer les aiguilles. La régularité de cette suite d'ouvertures et de fermetures est assurée par le régulateur, étroitement associé au mécanisme d'échappement. Outre sa fonction de vanne, l'échappement assure l'entretien du mouvement du régulateur. Le régulateur est en général un pendule oscillant, dont les oscillations sont isochrones lorsqu'elles sont de petite amplitude, ou un balancier, petit volant solidaire d'une des extrémités d'un ressort spiral dont l'autre extrémité est attachée à un point fixe. Ce ressort agit sur le volant comme la pesanteur sur un pendule ; les oscillations du système peuvent être considérées comme isochrones. Au-delà du système régulateuréchappement, le train de rouage démultiplie le mouvement de la roue d'échappement jusqu'aux valeurs nécessaires pour l'entraînement des différentes aiguilles. Le fonctionnement de l'horloge à quartz. L'horloge à quartz n'est, dans son principe, pas fondamentalement différente de la pendule ou de la montre à balancier spiral. On y retrouve la même chaîne d'éléments : une source d'énergie, un oscillateur-régulateur, un échappement, un train de rouage et un affichage, mais l'énergie est électrique et non mécanique ; elle est donc transportée à travers cette chaîne par des conducteurs électriques et non des engrenages. Tel un instrument de musique, un cristal de quartz peut entrer en vibration et il vibre d'autant plus vite qu'il est plus petit : sa fréquence de vibration ne dépend que de sa forme et de ses dimensions, on peut donc faire des quartz vibrant à n'importe quelle fréquence, il suffit de bien les tailler. Les quartz sont des oscillateurs très peu amortis et leur fréquence de vibration est donc extrêmement bien définie. Le quartz possède la propriété de piézoélectricité, découverte par Pierre et Paul Curie : toute contrainte mécanique engendre dans le cristal un champ électrique. Réciproquement, l'application d'un champ électrique entraîne une déformation du quartz. Un quartz qui vibre est donc le siège d'un champ électrique qui oscille à la même fréquence que le cristal. Si l'on place un quartz entre deux plaques métalliques reliées à un générateur d'oscillations électriques, le quartz ressent un champ électrique oscillant et se met à vibrer à la fréquence du champ électrique. Il ne vibre vraiment que si la fréquence électrique est la même que sa propre fréquence de vibration ; mais alors, il entre en résonance, et cette résonance est si intense qu'elle force littéralement le générateur électrique à osciller comme elle. On dit que l'oscillation du quartz « pilote « celle du circuit électrique. À partir de là, la montre est quasiment construite ; il ne reste plus qu'à diviser la fréquence très élevée engendrée par le système couplé quartz-oscillateur électrique un nombre de fois suffisant pour arriver à la fréquence intéressante pour des montres, c'est-à-dire un coup par seconde. Les seules divisions que sache faire vite et bien l'électronique sont les divisions par deux. Il faut donc que la fréquence du quartz, divisée suffisamment de fois par deux, donne une oscillation par seconde ; c'est pourquoi la plupart des montres ont des quartz vibrant à 32 768 Hz, nombre qui, divisé quinze fois par deux, donne 1. Une fois cette fréquence d'un coup par seconde obtenue, il ne reste plus qu'à l'utiliser, soit pour commander un affichage numérique (cristaux liquides), soit pour entraîner des aiguilles. Le choix de cette fréquence de 32 768 Hz, qui n'a rien de fatidique, est un compromis qui optimise les dimensions et les faisabilités des trois éléments de base, l'oscillateur électrique, le quartz et le diviseur de fréquence. Il existe d'ailleurs des montres fonctionnant sur d'autres fréquences. L'horloge atomique. C'est une horloge à quartz dans laquelle le quartz est lui-même piloté par un autre régulateur dont la fréquence est extrêmement précise et bien définie. Le « pendule « de ce régulateur est par exemple l'isotope 133 du césium. Les électrons qui gravitent autour d'un atome sont enfermés dans des orbites extrêmement bien définies, avec une énergie aussi bien définie, mais ils ont le choix entre plusieurs orbites. Ils peuvent en changer à condition d'échanger avec l'extérieur un photon, petit grain d'énergie porté par une onde, qui peut être une onde radio, de la lumière, des rayons X ou d'autres encore. Tout comme les vibrations du quartz, ce photon a une fréquence bien définie, ne dépendant que de la quantité d'énergie qu'il véhicule. Suivant qu'il monte ou qu'il descend l'échelle des énergies à l'intérieur de l'atome, l'électron absorbe ou émet un photon dont l'énergie est exactement égale à la hauteur de l'échelon, laquelle est extrêmement bien définie. L'absorption n'a lieu que si l'on fournit des photons à la bonne énergie. Dans une horloge atomique, un régulateur à quartz commande un générateur de photons, c'est-à-dire un émetteur d'ondes radio qui arrose de ses ondes de la vapeur de césium 133 (obtenue en chauffant dans un vide très poussé du césium métallique). Ces photons ont une fréquence aussi proche que possible de celle que sont prêts à absorber les électrons du césium. Après avoir absorbé un photon, l'atome de césium n'est plus tout à fait semblable ; en particulier, ses propriétés magnétiques ont changé et, lorsqu'il traverse le champ d'un aimant, il est dévié dans une direction autre que celle des atomes qui n'ont rien absorbé. Un récepteur situé en face de l'émetteur mesure la quantité d'atomes qui n'ont pas été modifiés et corrige la fréquence des photons de l'émetteur pour avoir le maximum d'absorption. Ainsi la fréquence de l'émetteur est pilotée par les électrons du césium avec une précision extraordinaire. La stabilité d'une horloge à césium est telle qu'elle permet de définir la seconde avec une précision d'un millionième de millionième de seconde. 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