I quarzi

Il quarzo (diossido di silicio, SiO2, dal tedesco Quarz[?] è il secondo minerale più abbondante nella crosta terrestre (circa il 12% del suo volume) dopo i feldspati.

Il quarzo è utilizzato nei circuiti che devono generare una frequenza molto precisa. Ad esempio, all'interno di un orologio digitale, il quarzo assicura che venga generato un impulso ogni secondo, con la maggior precisione possibile.

Per gli antichi greci il quarzo veniva definito cristallo (dal greco κρύσταλλος, krýstallos, ghiaccio). Essi, infatti, ritenevano tale minerale una varietà di ghiaccio fredda al punto da non poter essere più disciolta. A trarli in inganno, la struttura apparentemente esagonale, simile a quella dei fiocchi di neve, e la sensazione di freddo al tatto causata dalla conducibilità termica.

Tra le varietà del quarzo, l'ametista merita un'attenzione storico-mitologica. Ametista era infatti una ninfa del corteo di Diana, dea particolarmente sensibile al tema della castità. Di tale ninfa, in un momento di estasi etilica, si invaghì Bacco che iniziò così ad inseguirla per possederla. La ninfa chiese aiuto alla sua signora la quale per proteggere, non tanto la vita, quanto la castità della ninfa, la trasformò in gelido cristallo di quarzo.

Rinsavito dalla sbornia, Bacco si commosse della fine della ninfa e così le dette il colore del vino e la proprietà di preservare dei ed umani dagli eccessi delle ubriacature. Ametista deriva infatti dal greco ἀ-μέθυστος (oppure ἀ-μεθυσμένος) che significa sostanzialmente non-ubriaco.

Tra i ricchi (soprattutto nella Roma imperiale) comparve quindi il vezzo di immergere un anello di ametista nel bicchiere di vino prima di bere. Dato che all'epoca tale gemma era rara e preziosa, e questa usanza era in voga solo tra i potenti, l'anello di ametista, venne visto pian piano come un simbolo di potere.

L'usanza che i potenti di Roma avessero un anello di ametista si radicò così tanto tra il popolino che tale simbolo venne utilizzato più tardi dalla chiesa cattolica romana per esprimere autorità. Ancor oggi tale anello fa parte del corredo vescovile.

Sempre dal punto di vista storico, va anche ricordato che sette delle dodici gemme del «Razionale» (un pettorale sacro portato dagli antichi sacerdoti ebraici) ognuna delle quali rappresentava una qualità del Dio, erano varietà di quarzo: la sardonica, il citrino, il diaspro, la corniola, l'ametista e l'onice.

Infine, la famosa sfera di cristallo che permette ai "maghi" di vedere il futuro, immagine tipica nella cultura popolare, ha le sue origini in Cina. Spesso infatti i notabili di quel paese (ne fa cenno anche Marco Polo) erano soliti rinfrescarsi le mani posandole su una sfera di quarzo. Le vesti sontuose e colorate, la lingua un po' oscura, quasi arcana e la fantasia hanno trasformato così, nel tempo, i notabili in questione nel prototipo del mago.

Il quarzo presenta una struttura cristallina trigonale costituita da tetraedri silicio-ossigeno uniti tra loro per i 4 vertici a formare delle spirali ad andamento destro o sinistro. In alcuni cristalli le parti cristalline destre o sinistre coesistono a formare i geminati. La durezza è 7 sulla scala di Mohs. L'habitus (la forma) è quello di un prisma esagonale con, ai vertici, le facce di due romboedri disposte in modo tale da simulare una bipiramide esagonale.

Il quarzo è solo una delle 19 fasi cristalline della silice e cristallizza secondo due impalcature atomiche distinte, conosciute come quarzo-α e quarzo-β.

Quello comunemente rinvenuto è sempre quarzo alfa perché a temperatura e pressione ambiente anche il quarzo beta si trasforma in alfa (per riorganizzazione del reticolo). I cristalli di quarzo alfa, mancando del centro di simmetria, presentano individui destri e sinistri. Il senso del cristallo è spesso individuabile dalla presenza di una piccola faccetta trapezoedrica situata tra il prisma esagono e il romboedro della piramide esagonale.

Ad alta pressione il quarzo si trasforma in coesite, un minerale con la stessa composizione ma con un reticolo atomico più compatto; a pressioni ulteriori la stessa tridimite si trasforma in stishovite che rappresenta il termine estremo di compattazione della silice (è nota quasi esclusivamente in crateri generati da meteoriti).

Il quarzo può essere di forma prismatica allungata.

Il quarzo è un materiale dotato di notevole stabilità chimica e risulta inattaccabile dagli acidi eccetto l'acido fluoridrico. Presenta inoltre elevata durezza, resistenza meccanica e resistenza al calore. Il quarzo non presenta sfaldatura, in caso di rottura del cristallo è caratterizzato da fratture concoidi.

Alcune proprietà fisiche dei cristalli di quarzo sono la piezoelettricità e la piroelettricità (ovvero la capacità di polarizzare elettricamente le facce opposte del cristallo, in seguito ad una deformazione meccanica come la compressione o dopo riscaldamento).

Dal punto di vista ottico, il quarzo presenta elevata trasmissibilità nel visibile e soprattutto nell'ultravioletto.

Oltre ad essere ampiamente utilizzato come ornamento, il quarzo viene sfruttato per le sue proprietà chimico-fisiche in molteplici modi, tra cui:

Per le sue proprietà di piezoelettricità e piroelettricità è impiegato negli oscillatori al quarzo, utilizzati in moltissime apparecchiature elettroniche fra le quali gli orologi al quarzo, le radio e praticamente tutti gli apparecchi digitali. Il quarzo utilizzato per tali applicazioni (detto anche "quarzo piezoelettico") è in genere il cristallo di rocca.
Per le sue proprietà fisico-meccaniche è ampiamente utilizzato nell'industria dei rivestimenti, pavimentazioni, piani da lavoro sotto forma di agglomerato in lastre di spessore variabile.
Per le sue caratteristiche ottiche, viene usato per realizzare parti ottiche per usi scientifici e cuvette per spettrofotometri e spettrofluorimetri.
Per le sue caratteristiche di resistenza alle alte temperature (oltre che di trasparenza), viene utilizzato per realizzare i bulbi delle comuni lampade alogene.

Inoltre il quarzo viene utilizzato sotto forma di sabbia quarzosa come materia prima per la produzione del vetro.

PIEZOELETTRICITA'

La piezoelettricità (dal greco πιέζειν, premere, comprimere) è la proprietà di alcuni materiali cristallini di polarizzarsi generando una differenza di potenziale quando sono soggetti a una deformazione meccanica (effetto piezoelettrico diretto) e al tempo stesso di deformarsi in maniera elastica quando sono sottoposti ad una tensione elettrica (effetto piezoelettrico inverso o effetto Lippmann).

Questo effetto piezoelettrico si manifesta solo lungo una determinata direzione e le deformazioni a esso associate sono dell'ordine del nanometro.

OROLOGI AL QUARZO E MINERALI PIEZOELETTRICI - PERCHÈ?

I parametri

> la frequenza, espressa in Hz.
> la tolleranza espressa in ppm
> la deriva termica, espressa in ppm/°C

NOTA:  1 ppm = 0,0001%
Il ppm (parti per milione) è un sottomultiplo della percentuale, il cui valore è riferito a un milione. Ad esempio, così come 1% corrisponde a 1/100 (un centesimo), 1ppm corrisponde a 1/1.000.000 (un milionesimo), vale a dire allo 0,0001%.

La frequenza

Corrisponde alla frequenza che deve generare il circuito in cui è montato. Quindi, in un circuito che deve generare un segnale con frequenza di 1MHz, si dovrà inserire un quarzo da 1MHz.

La tolleranza

Indica lo scostamento massimo che la frequenza effettiva può avere, rispetto al valore nominale stampato sul corpo. I quarzi hanno una tolleranza compresa generalmente tra 5 e 50ppm, riferita a una temperatura di 25°C.

La deriva termica

Generalmente compresa tra 0,1 e 1ppm/°C, la deriva termica si riferisce allo scostamento massimo del valore di frequenza, in conseguenza di uno scostamento di ±1°C, purchè la variazione rientri all'interno della temperatura di lavoro, compresa generalmente tra -10°C e +70°C.

Quindi, la frequenza di un quarzo con una deriva termica di 0,5ppm/°C (ossia 0,00005%), potrà variare dello ±0,00005%, per ogni grado di variazione della temperatura.

A volte il valore di deriva termica viene indicato in ppm, anzichè in ppm/°C, e in questo caso si riferisce allo scostamento massimo del valore di frequenza, in conseguenza di una variazione dell'intera gamma della temperatura di lavoro (che anch'essa deve essere indicata).

Ad esempio, se un quarzo ha una deriva termica di 30ppm e una temperatura di lavoro di -10°C÷70°C, la sua frequenza potrà variare di 30ppm (ossia dello 0,003%) per una variazione della temperatura da -10°C a +70°C.

Allo scostamento dovuto alla deriva termica deve essere sommata la tolleranza già considerata.

Tabella orientativa di tolleranze e deriva termica

Quando acquisti un quarzo...

Abbiamo voluto approfondire il discorso della tolleranza e della deriva termica, perchè spesso questi dati non si considerano e ci si stupisce che due quarzi della stessa frequenza hanno costi molto diversi.

I quarzi più economici sono meno precisi e meno stabili in temperatura, e nell'acquisto occorre tenerne conto.

Le più diffuse frequenze commerciali

Allegati:

effetto_piezoelettrico.pdf

228 kB