Los relojes de cuarzo en realidad usan cristales de cuarzo para medir el tiempo. ¿Cómo pueden ser tan precisos? Descubra por qué el cuarzo es un gran cronometrador. Vea imágenes de relojes increíbles. Durante la década de 1970, el "reloj de cuarzo" irrumpió en escena como el dispositivo de alta tecnología más nuevo. Inicialmente, estos relojes tenían pantallas LED rojas y costaban alrededor de $500 en los Estados Unidos. Desde entonces, el reloj de cuarzo ha evolucionado de modo que ya sea un LCD o un movimiento mecánico tradicional (manecilla de horas y minutos) muestra la hora, y el precio ha bajado drásticamente. ¡No es raro encontrar relojes de cuarzo regalados en cajas de cereal! Puede ver cuarzo rosa, la hermosa variedad rosada en cristales económicos y rodillos de belleza en el supermercado.
¿Alguna vez te has preguntado por qué se llama cuarzo? ¿reloj? ¿O por qué los relojes de cuarzo son mucho más precisos que los relojes de cuerda? En esta edición de HowStuffWorks , ¡aprenderá todo sobre el asombroso fenómeno electrónico llamado cristal de cuarzo y cómo forma el corazón de un reloj de cuarzo!
Antes del Cuarzo
El reloj de cuerda es una increíble pieza de tecnología en sí misma! Es parte de un esfuerzo continuo de investigación y desarrollo que comenzó a fines del siglo XIV. A lo largo de los años, diferentes innovaciones hicieron que los relojes de cuerda fueran más pequeños, delgados, fiables, precisos e incluso automáticos.
Los componentes que se encuentran en los relojes de cuerda actuales existen desde hace siglos:
Consulte Cómo funcionan los relojes de péndulo para obtener una descripción de estas diferentes partes.
A fines de la década de 1960, la compañía de relojes Bulova dio el primer paso para alejarse del volante oscilante:utilizó un oscilador de transistor. que sostenía un diapasón. ¡Este reloj zumbaba a unos cientos de hercios (Hz, ciclos por segundo) en lugar de hacer tictac! Los engranajes y las ruedas aún convertían el movimiento mecánico del diapasón en movimiento de las manecillas, pero se habían dado dos pasos importantes:
- La sustitución del volante y el resorte por un resonador de un solo material:el diapasón
- El reemplazo del resorte principal de cuerda con una batería
Una empresa de fabricación de relojes a fines de la década de 1960 estaba obligada a buscar el siguiente paso:una tecnología que proporcionaría un cronometraje aún mejor que el diapasón. Circuitos integrados eran muy nuevos en ese momento, pero el precio estaba cayendo rápidamente y el número de transistores estaba creciendo. Los LED también eran nuevos en la escena. Todavía había un par de problemas por resolver:encontrar un nuevo elemento de cronometraje y diseñar un circuito integrado que usara muy poca energía para permitir que el reloj funcionara con una pequeña batería interna.
El Cristal de Cuarzo
No hubo problema con la elección de un elemento de tiempo. El cristal de cuarzo es posiblemente miles de veces mejor para medir el tiempo que el diapasón, y los cristales de cuarzo existen desde hace muchos años. Solo era necesario elegir el tipo y la frecuencia del cristal. La dificultad residía en la selección de la tecnología de circuito integrado que funcionaría a una potencia suficientemente baja .
Los cristales de cuarzo se han utilizado regularmente durante muchos años para proporcionar una frecuencia precisa para todos los transmisores de radio, receptores de radio y computadoras. Su precisión proviene de un sorprendente conjunto de coincidencias:Cuarzo, que es dióxido de silicio como la mayoría de la arena, no se ve afectado por la mayoría de los solventes y permanece cristalino a cientos de grados Fahrenheit. La propiedad que lo convierte en un milagro electrónico es el hecho de que, cuando se comprime o se dobla, genera una carga o voltaje en su superficie. Este es un fenómeno bastante común llamado efecto piezoeléctrico . De la misma manera, si se aplica un voltaje, el cuarzo se doblará o cambiará su forma muy levemente.
Si una campana se formaron al moler un solo cristal de cuarzo, sonaría durante minutos después de ser golpeado. Casi no se pierde energía en el material. Una campana de cuarzo, si tiene la forma en la dirección correcta con respecto al eje cristalino, tendrá un voltaje oscilante en su superficie, y la velocidad de oscilación no se ve afectada por la temperatura. Si el voltaje de la superficie del cristal se extrae con electrodos enchapados y se amplifica con un transistor o un circuito integrado, se puede volver a aplicar a la campana para que siga sonando.
Se podría hacer una campana de cuarzo, pero no es la mejor forma porque se acopla demasiada energía al aire. Las mejores formas son una barra recta o un disco . Una barra tiene la ventaja de mantener la misma frecuencia siempre que la relación entre la longitud y el ancho permanezca igual. Una barra de cuarzo puede ser pequeña y oscilar a una frecuencia relativamente baja:32 kilohercios (KHz) generalmente se eligen para los relojes no solo por el tamaño, sino también porque los circuitos que se dividen desde la frecuencia del cristal hasta los pocos pulsos por segundo para el la pantalla necesita más potencia para frecuencias más altas. La energía era un gran problema para los primeros relojes, y los suizos gastaron millones tratando de desarrollar la tecnología de circuitos integrados para dividir de 1 a 2 MHz los cristales de disco más estables que generan.
Los relojes de cuarzo modernos ahora usan una barra de baja frecuencia o un cristal en forma de diapasón. A menudo, estos cristales están hechos de láminas delgadas de cuarzo recubiertas como un circuito integrado y grabadas químicamente para darles forma. La principal diferencia entre un cronometraje bueno e indiferente es la precisión de la frecuencia inicial y la precisión del ángulo de corte de la hoja de cuarzo con respecto al eje cristalino. La cantidad de contaminación que se permite pasar a través de la encapsulación a la superficie de cristal dentro del reloj también puede afectar la precisión.
La electrónica del reloj inicialmente amplifica el ruido en la frecuencia del cristal. Esto construye o se regenera en oscilación -- comienza a sonar el cristal. La salida del oscilador de cristal del reloj se convierte luego en pulsos adecuados para los circuitos digitales. Estos dividen la frecuencia del cristal y luego la traducen al formato adecuado para la pantalla. (Consulte Cómo funcionan los relojes digitales para obtener una descripción detallada de los divisores y los controladores de pantalla). O, en un reloj de cuarzo con manecillas, los divisores crean pulsos de un segundo que impulsan un pequeño motor eléctrico, y este motor está conectado a engranajes estándar para impulsar las manos.
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Sobre el autor
Douglas Dwyer es el fundador de Frequency Precision Ltd y brinda servicios de consultoría y diseño a la industria electrónica mundial. Ha estado involucrado en el control de frecuencia desde mediados de la década de 1960 y ha publicado artículos sobre osciladores de cristal, osciladores de cristal con compensación de temperatura, osciladores de cristal controlados por horno, osciladores de ondas acústicas de superficie y tecnologías industriales de fabricación de cristal de cuarzo. La historia de los relojes y relojes ha sido un interés suyo desde que se involucró en el diseño de relojes de cuarzo.