Cómo Funciona un Reloj de Cuarzo.

En comparación con los péndulos y los relojes mecánicos, los relojes de cuarzo tienen muchas ventajas, no solo funcionan en todas partes, sino que también son mucho más precisos, solo se desvían unos segundos cada mes. Por ello hemos querido saber cómo funciona un reloj de cuarzo.

Todos estos péndulos y relojes (incluidos los relojes atómicos) necesitan un sistema oscilante para poder contar los segundos que pasan. El péndulo oscila por gravedad, y un reloj mecánico utiliza la oscilación de una rueda dentada en un resorte espiral.

El reloj de cuarzo, por su parte, utiliza un cristal de cuarzo, cuya oscilación es posible gracias al efecto piezoeléctrico. Aquí, explicaremos cómo se explota el efecto piezoeléctrico en un reloj de cuarzo y cómo esta pequeña pieza mineral hace posible decir la hora.

¿Qué es el Cuarzo?

El cuarzo es una roca, un mineral. Obviamente, es muy difícil para el común de las personas simplemente imaginar la idea de que dicho material podría ser el punto focal de un reloj. Sin embargo, este es el caso.

La piezoelectricidad es la capacidad de polarización de un cuerpo bajo tensión mecánica y de deformación después de una carga eléctrica. El cuarzo se convierte así en un material increíble para los relojeros que siempre han estado buscando una oscilación lo más precisa posible.

El cuarzo no es una piedra como cualquier otra. Tiene la ventaja de oscilar a una frecuencia estable cuando se estimula utilizando una fuente eléctrica. Fueron los hermanos Pierre y Jacques Curie quienes descubrieron este efecto "piezoeléctrico" del cuarzo en 1880 y casi 50 años después, los inventores de la relojería comprenderán que el cuarzo puede ser muy útil para construir un reloj.

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Usando una batería, se crean vibraciones en la superficie del cuarzo, y un motor sincrónico produce el movimiento de las manos. La tira muy delgada de cuarzo dentro del tocante vibra a una frecuencia de 32.000 oscilaciones por segundo. Es extremadamente regular, lo que permite que los relojes de cuarzo se ajusten muy poco, en promedio solo un segundo cada 6 años.

Su única debilidad es, en última instancia, que tiene que cambiar la batería después de un tiempo. Sin embargo, hay modelos que se recargan automáticamente con movimientos de muñeca, como los relojes mecánicos automáticos, hablamos de autoquartz. También hay relojes de cuarzo que se recargan con colectores solares.

Movimiento de cuarzo y pantalla digital.

Es muy simple operar un reloj con una pantalla digital usando las propiedades del cuarzo. La fuente de energía es la batería, que enviará un impulso al cuarzo. Este impulso creará vibraciones que se transmitirán al chip instalado en el mecanismo. Este chip decodificará todas las vibraciones recibidas e indicará en la pantalla que se incremente en una pantalla de sonido cada segundo y luego en un minuto cada 60 segundos, etc.

Movimiento de cuarzo y pantalla analógica.

Para la pantalla analógica, esto es un poco más largo y más complejo. La batería, como con la pantalla digital, enviará un impulso al cuarzo que lo hará vibrar y enviarlo al chip. El chip esta vez enviará un pulso eléctrico a una bobina que pertenece al motor paso a paso.

El motor paso a paso.

Marius Lavet es el inventor del motor paso a paso en 1936, este motor consta de:

• Una bobina.
• Un estator.
• Un rotor magnético.

Cuando gira un imán en un cilindro, produce una corriente eléctrica. Lo contrario también funciona con el mismo principio, es decir, inducir una corriente eléctrica en una bobina producirá una corriente eléctrica.

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El motor paso a paso funciona según este principio. El rotor está magnetizado, luego introduciremos una corriente eléctrica en la bobina que creará una corriente magnética en el estator causando una media rotación del rotor.

Luego se envía una corriente eléctrica en la dirección opuesta para invertir la polaridad en el estator, lo que hará que el rotor complete una revolución. El movimiento del rotor se transmite a los dientes, lo que hace que el mecanismo de cuarzo funcione.

La necesidad de un sistema oscilante para marcar la hora.

Marcar la hora es como contar los segundos que pasan. Para hacer esto, ya debes saber qué es un segundo, cuánto dura. También necesitas un sistema que te permita contar varios segundos seguidos.

En un péndulo, el segundo se obtiene del péndulo. Le debemos a Galileo el estudio del péndulo pesado, fue él quien descubrió que cualquier masa suspendida en un cable se balanceaba con un ritmo constante dependiendo de la longitud del cable e independiente de la masa suspendida en el extremo y la amplitud.

En ese momento, el segundo se definió como una sexagésima parte de un minuto, y se definió como una sexagésima hora. La hora era el vigésimo cuarto de la rotación de la Tierra, que por supuesto está predefinida.

En un reloj, este recuento se obtiene mediante ruedas dentadas, y el equilibrio, por resortes y masas suspendidas. Cuando las masas descienden durante el día, su energía potencial se transmite al péndulo y a todo el mecanismo.

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Posicionamiento en la navegación.

Más tarde, nacieron los mecanismos de resorte. El resorte tenía una rigidez muy precisa y oscilaba con un ritmo fijo. Estos sistemas eran más precisos que el péndulo e incluso funcionaban en un barco, donde el péndulo no soportaba los movimientos del bote. Esta fue una revolución en el mundo de la navegación, que usó principalmente relojes de arena antes de eso.

De hecho, para encontrar su camino en el mar, lejos de todo, tenía que saber la hora. Gracias al tiempo y al conocimiento de la posición de las estrellas en el cielo, pudimos determinar su posición. Por ejemplo, en Greenwich al mediodía, el sol está en el más alto (en su punto de culminación). Si, al mediodía, el Sol se compensa con + 15 °, entonces sabemos que estamos a 900 millas náuticas al oeste de Greenwich. Todos estos datos se enumeraron en tablas, pero aún era necesario un instrumento de medición del tiempo.

Péndulo pesado o resorte circular, todos usan un sistema oscilante para dar el ritmo, definir el segundo y calcular el tiempo que pasa.

Los relojes de cuarzo electrónicos no son una excepción a la regla, necesitas algo que pueda dar ritmo a todo el mecanismo. En los relojes de cuarzo, es el cristal de cuarzo que vibra con una frecuencia muy precisa y muy estable.

En el reloj de cuarzo.

El cristal de un reloj de cuarzo se encuentra en un componente muy específico, el oscilador.

Este cuarzo, cortado en forma de diapasón, tiene solo unos pocos milímetros de largo y está en un componente sellado.

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Cuando enviamos una corriente eléctrica en un cristal de cuarzo, este último se deforma. Cuando se apaga la alimentación, el cristal vuelve a su forma original. Si se aplica un voltaje de CA, entonces el cristal vibra.

El problema con este sistema es elegir la frecuencia de la señal eléctrica que se aplicará al cristal. De hecho, esto es precisamente lo que estamos buscando con el oscilador. La solución es usar la frecuencia natural del cristal.

Todos los objetos tienen su propia frecuencia de vibración, una frecuencia a la que naturalmente vibran. Los cristales integrados en los relojes se cortan con mucha precisión para que su frecuencia natural sea de 32.768 Hz con mucha precisión. Cuando se envía un pulso eléctrico sobre él, el cristal comienza a vibrar brevemente a esta frecuencia.

Sin embargo, un cristal piezoeléctrico vibrante emite una señal eléctrica. Esta señal eléctrica del cristal es captada por un circuito eléctrico.

Para el cuarzo, la vibración disminuye rápidamente. Por lo tanto, es necesario enviar un nuevo impulso eléctrico. El truco aquí es enviar de vuelta al cuarzo la señal que se emitió, después de haberla amplificado. De esta manera, el cuarzo se mantiene en vibración por su propia frecuencia, que también es su frecuencia natural. El ensamblaje es un sistema autocontrolado y está garantizado para operar en la frecuencia natural del cuarzo.

Luego queda recoger la frecuencia de la señal eléctrica emitida por el cuarzo, contar las oscilaciones y decir que un segundo paso cuando contamos 32.768 oscilaciones.

¿Por qué 32.768 Hz?

Puedes cortar un cristal o cualquier objeto, para que oscile a cualquier frecuencia. Entonces, ¿por qué no cortar un cuarzo para que oscile a 1 segundo? ¿Por qué 32.768 Hz?

Generalmente, cuanto más grande es un objeto, menor es su frecuencia natural. Podemos ver esto claramente con un péndulo, la oscilación de 1 segundo se obtiene con un péndulo de aproximadamente 1 metro. Para un reloj, obviamente necesitas un sistema más pequeño y, por lo tanto, vibra más rápido.

Entonces, un sistema vibratorio también hace vibrar el aire a su alrededor a esta frecuencia. Esto es útil para diapasones e instrumentos musicales, pero no para relojes. Por lo tanto, se requiere una frecuencia mayor que alrededor de 20.000 Hz (límite de audibilidad humana) para que el reloj no emita un ruido estridente continuo.

Finalmente, el último parámetro, la tecnología utilizada. El mecanismo del reloj es electrónico. Por lo tanto, funciona en base 2, con binario. Sin embargo, aunque es posible hacer cálculos de base 10 con un dispositivo digital, esto plantea un problema en ciertos casos. Ciertos números decimales no son representables en la base 2. Si no operamos en la base 2, se nos encuentra automáticamente con valores aproximados en ciertos momentos.

Si resumimos, por lo tanto, necesitamos una frecuencia:

• Lo suficientemente alta como para que el oscilador pueda ponerse en un reloj.
• Mayor de 20 kHz.
• Funcionamiento en Base 2.

Ahora, la primera potencia de 2 que satisface la segunda condición es 2 ^15. Y corresponde a 32.768.

Por lo tanto, los cristales de cuarzo se cortan con mucha precisión para que su frecuencia natural sea exactamente 32.768 Hz. Luego, un simple contador binario en 15 bits permite, en 15 divisiones sucesivas por 2, transformar la frecuencia de oscilación del cuarzo en una señal cuya frecuencia es 1 Hz.

Es esta última señal que se envía al motor del mecanismo y que activa la manecilla de segundos. Un sistema de engranaje vinculado a la manecilla de segundos permite rotar las manecillas de minutos y horas (60 veces y 3.600 veces más lentamente, respectivamente) y, a veces, las manecillas de día o mes, dependiendo del reloj.

En un reloj con pantalla digital / digital, la señal digital de 1 Hz activa la visualización de figuras, sin pasar por un sistema mecánico y manecillas.

Conclusión.

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El reloj de cuarzo utiliza un cristal vibrante para 2 ^15 Hertz. Esta frecuencia es inaudible y está adaptada tanto al tamaño como al sistema digital del reloj. Las vibraciones se obtienen enviando un pulso de inicio al cristal, luego recogiendo la señal piezoeléctrica del cuarzo y enviándola nuevamente al cristal, este último vibra continuamente a su frecuencia natural. Finalmente, un pequeño motor conectado a un contador electrónico mueve la manecilla de segundos cada vez que el contador tiene 32.768 oscilaciones.

Este sistema de cristal vibrante se usa en todas partes. Es un cristal que produce la señal de 2.4 GHz de Wi-Fi o Bluetooth. En términos más generales, son cristales que permiten obtener las frecuencias de emisión y recepción en cualquier sistema de telecomunicaciones.

Incluso las computadoras integran varios cristales vibrantes en todas partes, debes contar la frecuencia del procesador, la frecuencia del chip Wi-Fi, la velocidad del USB e incluso simplemente contar los segundos que pasan, hay un reloj de cuarzo en todas las computadoras y es el que mantiene el tiempo en tu computadora incluso cuando no estás conectado a Internet o la computadora está en espera o apagada.

Finalmente, para terminar, solo podemos enfatizar la importancia de tener un sistema periódico para contar el paso del tiempo. Sin eso, no podríamos medir el paso del tiempo. Cuando lo piensas, es la rotación diaria de la Tierra lo que cuenta los días. Son las rotaciones periódicas de la Tierra alrededor del Sol las que permiten contar años. No puedes contar el tiempo que pasa sin tener una referencia de duración en algún lugar.