Schwingender Quarz

Quarz ist ein sehr bekanntes und in der Natur sehr verbreitetes Mineral. Nach Feldspat ist er das zweithäufigste Mineral in der Erdkruste. In unzähligen Farben, Formen und Varietäten bereichert Quarz unsere Welt. Die Liste der Quarzvarietäten ist lang. Aber die wohl bekannteste ist der glasklare reine Bergkristall (Abb. 1). Das Mineral gehört zu den Silikaten und chemisch gesehen stellt es kristallines Siliziumoxid dar.

                       

                             Abb. 1 Bergkristall

Seit Beginn der Menschheit dient uns Quarz als Werkstoff und wurde nachweislich verarbeitet, zunächst vor allem für Werkzeuge wie Messer oder Pfeilspitzen. Für diese Anwendung eignet sich Quarz sehr gut, da er sehr hart ist, ähnlich wie Stahl, mit Quarz lässt sich Fensterglas ritzen. Mit einer Dichte von ca. 2,7 g/cm³ ist Quarz ein leichter Werkstoff.

Heute schätzen wir ebenfalls eine andere Eigenschaft des Quarzes, die wir uns zunutze machen. Er ist ein piezoelektrisches Material. Der Piezoeffekt wurde 1880 an Quarzkristallen entdeckt. Diese besondere Eigenschaft wird bei Verwendung des Minerals als Schwingquarz genutzt. Ein Schwingquarz ist ein elektronisches Bauelement, welches zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen mit einer bestimmten Frequenz dient. Um diese Anwendung zu verstehen, sollen wir uns kurz mit der kristallinen Struktur des Quarzes beschäftigen.

Im Quarz ist das Siliziumatom tetraedisch von vier Sauerstoffatomen umgeben. Quarz besitzt dreizählige Symmetrieachse und kristallisiert in zwei Arten, als „Rechts-“ oder als „Linksquarz“. Diese beiden Arten sind sich spiegelbildlich gleich. Der Querschnitt eines idealen Quarzkristalls ist sechseckig. Wie in der Kristallographie üblich werden Kristalle in einem Koordinatensystem definiert. Die z-Achse, auch optische Achse genannt, geht durch die Spitze des Kristalls. Die y-Achse verbindet zwei sich gegenüber liegende Seitenflächen des Kristalls miteinander und wird mechanische Achse genannt. Die x-Achse ist die sogenannte elektrische Achse. Bei mechanischer Belastung des Quarzkristalls in dieser Richtung tritt eine elektrische Ladung auf. Dies ist der piezoelektrische Effekt, der jedoch nur unterhalb von 573 C auftritt. Praktisch wird es so gemacht, dass aus dem Quarzkristall eine Scheibe oder ein quaderförmiges Plättchen in einer genau definierten kristallographischen Orientierung (Quarzschnitt) herausgeschnitten wird. Wird diese Scheibe oder das Plättchen mechanisch deformiert, so werden elektrische Ladungen auf seiner Oberfläche erzeugt. Kehrt man diesen Effekt um und legt eine Wechselspannung an den Quarz, wird er zu Schwingungen (Verformungen) angeregt (inverser Piezoeffekt). Mit anderen Worten: Wird Quarz an eine elektrische Spannung angelegt, schwingt er. Davon kommt die Bezeichnung „Schwingquarz“.

Diese faszinierende Erscheinung wird bei Quarzuhren genutzt, die eine breite Anwendung finden. Ein Uhrquarz, der in einem Metallgehäuse steckt, schwingt exakt 32768-mal pro Sekunde. Die Frequenz ist sehr gleichförmig, deshalb sind diese Schwingungen ein guter Taktgeber. In mechanischen Uhren übernehmen die Unruh oder ein Pendel diese Aufgabe. Eine elektronische Schaltung in der Uhr reduziert die Schwingungsfrequenz, sodass der Quarz jede Sekunde einen Impuls an einen Magneten liefert, der wiederum Über eine Spule das Räderwerk antreibt. Ergebnis: Der Sekundenzeiger setzt sich in Bewegung.

Die erste Quarzuhr mit einem Taktgeber aus Schwingquarz wurde bereits 1928 hergestellt. Quarzuhr en sind wesentlich genauer als mechanische Uhren. Sie weisen nur einige Sekunden Abweichung im Monat auf und sind äußert zuverlässige Zeitmesser.
Uhren stellen jedoch eher einen vergleichsweise kleinen Anwendungsbereich von Quarz dar. Das kristalline Siliziumoxid ist sehr vielfältig verwendbar und in verschiedensten Bereichen der Technik unentbehrlich geworden. Nennen wir hier als Beispiele die Herstellung von Quarzglas und Porzellan und die Produktion von reinem Silizium, die heute von großer Bedeutung ist. Die in der Technik verwendeten Quarzkristalle werden heutzutage allerdings bereits in großem Maße künstlich hergestellt. Aber auf manchen Gebieten braucht man auch heute noch natürlichen Quarz.

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