Apportant une précision inégalée dans l’histoire de la “capture” et de l’affichage du temps, le mouvement quartz a provoqué une révolution dans l’industrie de la montre et de l’horlogerie. Bouleversant nos vies, il était désormais enfin possible d’avoir l’heure exacte dans notre quotidien.
Pour comprendre à quel point ce mouvement quartz a révolutionné le monde nous verrons dans cet article :
- Le comment fonctionne un mouvement quartz.
- L’histoire du mouvement quartz.
- Le mouvement quartz vs mécanique.
1) Fonctionnement d’un mouvement quartz
A. Fonctionnement et propriété du quartz
Le fonctionnement d’un mécanisme utilisant un mouvement quartz est très simple : Le quartz, quand il est stimulé électriquement se met à osciller à une fréquence précise du fait de ses propriétés piézoélectriques. Cette fréquence bien calibrée dure exactement une seconde, elle est donc ensuite très facilement utilisée par les horlogers pour concevoir des horloges extrêmement précises. Pour arriver à cette fréquence tant convoitée, on taille le quartz sous forme de lamelle qui est ensuite placé dans un tube d’étain pour le protéger.
Le fonctionnement est l’utilisation dans l’horlogerie dépend aussi et surtout du mode d’affichage, digitale ou analogique.
B. Mouvement quartz et affichage digitale
Il est très simple de faire fonctionner une horloge ou une montre avec un affichage digitale en utilisant les propriétés du quartz. La source d’énergie est la pile, qui va envoyer une impulsion au quartz. Cette impulsion va créer des vibrations qui sont transmisses à la puce installée dans le mécanisme. Cette puce va alors décoder toutes les vibrations reçues et indiquer à l’écran d’incrémenter de un son affichage toutes les secondes puis de une minute toutes les 60 secondes, etc…
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C. Mouvement quartz et affichage analogique
Pour l’affichage analogique cela est un peu plus long et complexe. La pile, comme avec l’affichage digitale va envoyer une impulsion au quartz qui va le faire vibrer et l’envoyer à la puce. La puce cette fois ci va envoyer une impulsion électrique à une bobine appartenant au moteur pas à pas.
D. Le moteur pas à pas
Marius Lavet est l’inventeur du moteur pas à pas en 1936, ce moteur est constitué :
- d’une bobine
- d’un stator
- d’un rotor aimanté
Quand on fait tourner un aimant dans une bonbonne celle-ci fabrique un courant électrique. L’inverse marche aussi sur le même principe, c’est à dire qu’induire un courant électrique dans une bobine fabriquera alors un courant électrique.
Le moteur pas à pas fonctionne sur ce principe ! Le rotor est aimanté, on va alors introduire un courant électrique dans la bobine ce qui va créer un courant magnétique dans le stator entraînant une demi-rotation du rotor. On envoie ensuite un courant électrique en sens inverse afin d’inverser la polarité dans le stator ce qui fera effectuer un tour complet au rotor. Le mouvement du rotor est ensuite transmis aux rouages ce qui fait fonctionner le mécanisme à quartz.
Bonus : Si on monte un stator à l’envers sur une horloge ou une montre celle-ci fonctionnera à l’envers.
2) Histoire et invention du mouvement quartz
A. Créateurs et premiers objets
Ce sont des français qui ont inventé ou plutôt découvert l’effet piézoélectrique du quartz, ces deux frères : Pierre et Jacques de la très célèbre famille Curie (mondialement connue notamment grâce aux travaux réalisés par Pierre et son épouse Marie Curie sur la radioactivité).
Cet effet de piézoélectricité apparaît quand certains cristaux sont pressés (dans notre cas le quartz), cela fait circuler l’électricité à l’intérieur de ces cristaux. L’inverse est aussi vrai : si on fait passer de l’électricités à travers le quartz, celle-ci va vibrer d’avant en arrière. La définition scientifique de la piézoélectricité est la suivante :
La piézoélectricité (aussi appelée effet piézoélectrique) est l’apparition d’un potentiel électrique (une tension, en d’autres termes) sur les côtés d’un cristal lorsque vous le soumettez à une contrainte mécanique (en le serrant).
Dans la pratique, le cristal devient une sorte de minuscule batterie avec une charge positive sur une face et une charge négative sur l’autre face ; le courant circule si nous connectons les deux faces ensemble pour faire un circuit. Dans l’effet piézoélectrique inverse, un cristal est soumis à une contrainte mécanique (déformation de forme) lorsqu’une tension est appliquée sur ses faces opposées.
B. Commercialisation et utilisation de masse
En 1927 Waren Marrison et J.W. Horton du Bell Laboratories présentent la première horloge fonctionnant avec un mouvement quartz : la Crystal clock.
Faisant la taille d’une armoire cette première horloge à quartz fonctionnait en utilisant l’oscillation du quartz provoqué par la piézoélectricité, cette oscillation électrique permet de créer un signal très précis gardant la même fréquence. Ceci permettant de compter les secondes et donc de créer des horloges et montres extrêmement précises.
La première montre fonctionnant avec ce mécanisme quartz a été construite en 1927 par Seiko en Décembre 1969. De par sa simplicité de création, sa précision et son moindre coût le mouvement quartz s’est vite imposé en tant qu’élément le plus utilisé dans les montres et horloges. D’ailleurs, quasiment toutes nos horloges murales fonctionnent avec un mouvement quartz. Cette première montre a été extrêmement chère à sa sortie, avoir une montre aussi précise était un signe de grande richesse à cette époque.
C. D’autres objet utilisant le quartz
Il existe de nos jours d’innombrable objets du quotidien utilisant le mouvement quartz. Dans un premier temps tous les objets servant de garde temps : les horloges, montres à bracelets, même certaines horloges à pendules utilisent un mouvement quartz pour garder l’esthétique de la pendule tout en optimisant la fiabilité de l’affichage de l’heure. Le chronomètre utilise aussi un mouvement quartz. Grâce à son effet piézoélectrique et son faible coût, le quartz est énormément utilisé pour fabriquer des oscillateurs. Beaucoup d’autres objets sont fabriqués avec ce minérale, la production mondiale de quartz à vocation électronique s’élève à deux milliards chaque année.
3) Mouvement quartz vs mouvement mécanique
Nous savons tous qu’une horloge garde et affiche le temps, mais vous êtes-vous déjà demandé comment elle le fait ? L’horloge la plus simple que vous puissiez faire est probablement une horloge parlante. Si vous comptez les secondes en répétant une phrase qui prend exactement une seconde à dire (comme “éléphant un”, “éléphant deux”, “éléphant trois”…), vous verrez que vous pouvez garder le temps assez précisément. Essayez-le. Dites vos éléphants de un à soixante et voyez comment vous gardez le temps pendant plus d’une minute, par rapport à votre montre. Pas mal, hein ? Le problème, c’est que la plupart d’entre nous ont mieux à faire toute la journée que de dire “éléphant”. C’est pour ça que nous sommes bien contents d’avoir inventé les horloges.
A. Le mouvement mécanique
Les premières horloges utilisaient des mouvements mécaniques avant la l’apparition du mouvement quartz. Dans l’industrie horlogère de l’époque, la plupart des horloges utilisaient des pendules à balancier pour garder le temps. Un pendule est une longue tige ou un poids sur une corde qui se balance d’avant en arrière. En 1583, le physicien italien Galileo Galilei (1564-1642) a découvert qu’un pendule d’une certaine longueur prend toujours le même temps pour osciller dans les deux sens, quel que soit son poids ou sa taille. Il s’en est rendu compte en regardant une énorme lampe se balancer sur une chaîne depuis le plafond de la cathédrale de Pise en Italie, et en utilisant son pouls pour chronométrer son mouvement d’avant en arrière. Dans une horloge, la fonction du pendule est de régler la vitesse des engrenages (roues dentées avec des dents taillées dans leurs bords). Les vitesses comptent le nombre de secondes qui passent et les convertissent en minutes et heures, affichées sur les aiguilles qui balaient le cadran. En d’autres termes : les engrenages d’une pendule ne font que compter les éléphants. Le boîtier ouvert d’une grande horloge de grand-père montrant le pendule oscillant à l’intérieur. Vous pouvez fabriquer une pendule en attachant un poids à un bout de ficelle. Si la corde mesure environ 25 cm (10 pouces) de long, le pendule oscille d’avant en arrière environ une fois par seconde. Les cordes plus courtes oscilleront plus vite et les cordes plus longues plus lentement.
D’ailleurs, les horloges à coucou utilisent ce mécanisme, pour en savoir plus n’hésitez pas à consulter notre article sur les origines et le fonctionnement des horloges à coucou.
B. Limitations de ce mouvement
Le problème avec une horloge utilisant des mécanismes mécaniques tels que l’horloge à pendule, c’est que le pendule continue va s’arrêter. La résistance à l’air et le frottement vont bientôt épuiser son énergie et l’arrêter. C’est pourquoi les pendules ont des ressorts. Une fois par jour environ, vous remontez un ressort à l’intérieur de l’horloge pour emmagasiner l’énergie potentielle nécessaire au fonctionnement du pendule pendant les 24 heures suivantes. Au fur et à mesure que le ressort se déroule, il alimente les engrenages à l’intérieur de l’horloge. Grâce à un mécanisme de bascule appelé échappement, le pendule force les engrenages à tourner à une vitesse précise, et c’est ainsi que les engrenages maintiennent le temps. Une montre de poche est évidemment trop petite pour avoir un pendule à l’intérieur, donc elle utilise un mécanisme différent. Au lieu d’un pendule, il a un balancier qui tourne d’abord dans un sens puis dans l’autre, commandé par un échappement beaucoup plus petit que celui d’une pendule.
C. Avantages du mouvement quartz
Les horloges fonctionnant avec un mouvement à quartz résolvent tous ces problèmes. Ils sont alimentés par batterie et, parce qu’ils consomment si peu d’électricité, la batterie peut souvent durer plusieurs années avant que vous n’ayez besoin de la remplacer. Elles sont également beaucoup plus précises que les horloges à pendule. Les montres à quartz fonctionnent d’une manière très différente des pendules et des montres ordinaires. Ils ont encore des engrenages à l’intérieur d’eux pour compter les secondes, les minutes et les heures et balayer les aiguilles autour du cadran de l’horloge. Mais les engrenages sont régulés par un minuscule cristal de quartz au lieu d’un pendule oscillant ou d’un balancier mobile. La gravité ne figure pas du tout dans les rouages, alors une horloge à quartz indique l’heure aussi bien lorsque vous escaladez l’Everest que lorsque vous êtes en mer.