Ceasul atomicPrincipiul de funcionare a ceasului atomicPartea component a unui ceas atomic responsabil cu msurarea timpului este, orict de surprinztor ar prea, un oscilator cu cristal de cuar. n cazul majoritii ceasurilor cu cuar, oscilatorul este reglat corespunztor la momentul fabricaiei, dar frecvena sa de oscilaie nu mai este verificat ulterior. n timp, frecvena variaz uor, dar neuniform, influennd n mod negativ precizia ceasului.Scopul complicatului mecanism al ceasurilor atomice este de a verifica continuu frecvena de oscilaie a oscilatorului de cuar, ceea ce confer o precizie uluitoare aparatului.

La unul din capetele ceasului este un cuptor care evapor atomi de cesiu de pe suprafaa unei buci de metal (cesiul este un metal alcalin care fierbe la 280C). Atomii astfel produi vor fi n una din cele dou stri de care am pomenit anterior (dou nivele energetice distincte, n funcie de spinul electronului de pe cea mai nalt orbit). Dispozitivul nglobeaz un tub prin care trece fasciculul de atomi de cesiu produs. Am menionat c proprietile magnetice ale celor dou tipuri de atomi sunt diferite, fapt pentru care un magnet este folosit pentru a i separa, renunndu-se la cei cu o energie mai mare. Oscilatorul cristalului de cuar este reglat pentru o frecven de 9.192.631.770 Hz i controleaz o surs de unde radio ndreptat ctre atomii rmai (cei de energie sczut). Dac oscilatorul cu cuar este reglat corect, muli dintre atomi trec dintr-o stare energetic n alta, pentru c electronii de pe cel mai nalt nivel energetic primesc exact cantitatea de energie necesar pentru a-i schimba starea. La cellalt capt al dispozitivului se gsete un alt magnet, care separ atomii care i-au schimbat starea de cei care au rmas neafectai. Cantitatea de atomi care au "asimilat" radiaie electromagnetic este evaluat continuu de ctre un detector, ntr-o camer special. Dac apar variaii, mai exact dac numrul lor scade, nseamn c frecvena de oscilaie a cristalului cu cuar s-a modificat, din care cauz nu s-au mai generat unde radio cu frecvena necesar tranziiei atomului de cesiu dintr-o stare energetic n alta. n acest caz, un sistem automat de control ajusteaz frecvena de oscilaie pn n momentul n care atomii modificai ating maximumul anterior nregistrat. Mecanismul de autoreglare a frecvenei oscilatorului cu cuar menine precizia ceasului. Pentru a converti frecvena de oscilaie n impulsuri electrice la interval de exact o secund se folosete un circuit de tip numrtor electronic.

Utilizri ale ceasului atomicDei majoritatea activitilor umane nu necesit un grad de acuratee att de mare n msurarea timpului precum cea oferit de ceasurile atomice, exist tehnologii care au nevoie de precizia acestora. Spre exemplu, tehnologia GPS necesit sincronizri de timp extrem de precise pentru a localiza cu erori de civa metri poziia unei uniti GPS (de obicei prin calcularea timpului parcurs de un semnal radio de la un satelit la un punct de pe suprafaa Pmntului).Menionm c cel mai compact model de ceas atomic se afl in dotarea sateliilor rspunztori de acest sistem de poziionare global (GPS) i funcioneaz cu rubidiu, avnd o precizie de o secund la 1 milion de ani!De asemenea, aa cum am mai spus anterior, ncepnd cu 1967 timpul furnizat de ceasurile atomice a devenit etalonul msurrii timpului.

Ce semnal utilizeaz un GPSn prezent, exist 27 de satelii n sistemul de poziionare global, care orbiteaz n jurul Pmntului. Dintre acestia, 24 sunt activi i ali trei acioneaz ca rezerve. Fiecare satelit transmite un semnal GPS constant care este purtat de undele radio n segmentul microundelor din spectrul electromagnetic.

Fiecare satelit GPS emite continuu un mesaj de navigaie cu o vitez de 50 bii/sec pe o frecven aproximativ de 1600 MHz. Prin comparaie, FM-ul emite pe 87,5 i 108,0 MHz, iar reelele wi-fi funcioneaz pe frecvene de 5000 MHz i 2400 MHz. Mai exact, toi sateliii emit pe frecvene de 1575,42 MHz (acesta este semnalul L1) i 1227,6 MHz (semnalul L2). Semnalele sunt in spectrul vizibil, ceea ce nseamn c vor trece prin nori, sticl, plastic, nsa nu vor trece de majoritatea obiectelor solide (cladiri, muni, etc). Pe lnga cele dou semnale mai sunt: semnalul L3 folosit la o frecven de 1.38105 GHz care este utilizat pentru a transmite date de la satelii la staiile de la sol. Aceste date sunt utilizate de ctre Statele Unite ale Americii pentru detonare nuclear.Semnalul L4 emis pe frecvena 1.379913 GHz este folosit pentru studierea, corectarea ionosferic suplimentar. Banda de frecven de la L5 1.17645 GHz a fost adugat n procesul de modernizare GPS. Aceast frecven se ncadreaz ntr-un interval de protecie internaional pentru navigaie aeronautic.Un semnal GPS conine trei bii de informaie - un cod pseudoaleator, date efemeride i date almanah. Codul pseudoaleator este un simplu cod I.D., ce identifica satelitul care a transmis informaia. Datele efemeride, care sunt transmise in mod constant de catre fiecare satelit, conin informaii importante despre starea satelitului, data i ora curente. Aceast parte a semnalului este eseniala pentru determinarea poziiei curente. Datele almanah comunic receptorului GPS unde anume ar trebui s se gaseasc fiecare satelit la un anumit moment al zilei. Fiecare satelit transmite date almanah coninnd informaii orbitale pentru acel satelit i pentru toi ceilali satelii din sistem.Semnalul GPS ofer coordonate temporale precise n conformitate cu ceasul atomic al satelitului, numrul sptmnii i raporteaz statusul n care se afl satelitul, pentru a putea fi scos din eviden n cazul n care apar erori. Fiecare transmisie are o durat de 30 de secunde i conine 1500 bii de informaii codate. Aceast cantitate mic de date este codificat cu o secven PRM care difer de la un satelit la altul. Receptorii GPS recunosc codurile PRN ale fiecrui satelit i reuesc astfel nu numai s decodeze semnalul dar i s fac distincia ntre satelii.

Transmisiile sunt programate s nceap exact la minutul i secunda indicate de ceasul atomic al satelitului. Prima poriune a semnalului GPS ofer receptorului informaii despre sincronizarea dintre ceasul satelitului i cel al GPS-ului. Urmtorul pachet de informaii ofer receptorului informaii cu privire la poziia exact a satelitului pe orbit.