Comparados con los relojes mecánicos y los péndulos, los relojes de cuarzo presentan muchas más ventajas, su funcionalidad y su precisión destacan de estos. Por ello en este artículo te explicaremos cómo funcionan.
Todos los relojes y péndulos funcionan bajo un sistema oscilante para así contar los segundos que pasan.
El reloj de cuarzo utiliza un cristal de cuarzo que tiene una oscilación que funciona gracias al efecto piezoeléctrico. Acá también explicaremos cómo se ejecuta el efecto piezoeléctrico y como esta pieza mineral hace posible la precisión de indicar la hora.
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¿Qué es el Cuarzo?
El cuarzo es un mineral, lo que puede resultar confuso para la mayoría de las personas pensar que esta piedra pueda ser el punto central de un reloj.
La piezoelectricidad se define como la capacidad de polarización de un cuerpo al ser expuesto bajo tensión mecánica y de deformación al ser llevado por carga eléctrica. Esta piedra no es como cualquier otra, puede oscilar en una frecuencia estable cuando es estimulada con una fuente eléctrica.
Gracias al uso de la batería, el cuarzo sufre vibraciones en la superficie y el motor provoca el movimiento en las manos. La tira ultra delgada de cuarzo que se introduce en el tocante, logra vibrar a una frecuencia de 32.000 oscilaciones en cada segundo.
La única debilidad que posee es que se debe sustituir la batería luego de un tiempo. Sin embargo, existen modelos que logran recargarse de forma automática con los movimientos de la muñeca, por ejemplo, los autoquartZ. También existen relojes de cuarzo que se pueden recargar con relojes solares.
Movimiento de cuarzo y pantalla digital
Es bastante simple la operación de un reloj de cuarzo que tiene una pantalla digital. La energía es proporcionada por una batería, la que tendrá como función enviar impulso al cuarzo.
Este impulso logrará provocar vibraciones que serán llevadas al chip que está instalado en el mecanismo. El chip va a decodificar todas las vibraciones para que sean indicadas en la pantalla y se incrementen en una pantalla de sonido a cada segundo, luego un minuto cada sesenta segundos, etc.
Movimiento de cuarzo y pantalla analógica
Para este tipo de pantalla, el procedimiento es más complicado y largo. La pantalla dará un impulso al cuarzo para hacerlo vibrar y enviarlo a un chip. Luego el chip enviará un impulso eléctrico a la bobina integrada en el motor paso a paso.
El motor paso a paso
El inventor del motor paso a paso fue Marius Lavet, fue creado en 1936 y consta de las siguientes partes:
- Un estator.
- Una bobina.
- Un rotor magnético.
Al girar el imán en un cilindro, provoca una corriente eléctrica. El motor paso a paso funciona a partir de ello, aparte el rotor estará magnetizado para poder introducir la corriente eléctrica por la bobina, esto hará una corriente magnética en el estator, provocando una rotación media del rotor.
Después de esto, será enviada una corriente eléctrica pero en dirección opuesta para poder invertir la polaridad en el estator, haciendo que se complete una revolución. El movimiento ejecutado por el rotor será transmitido a los dientes haciendo que funcione el mecanismo de cuarzo.
La necesidad de un sistema oscilante para marcar la hora
Para poder lograr marcar la hora, se necesitan saber los segundos transcurridos, los segundos son obtenidos del péndulo.
El estudio del péndulo pesado fue realizado por Galileo, quien descubrió que cualquier masa que esté suspendida en un cable, está balanceada en un ritmo constante que depende de la longitud del cable, aparte es independiente de la masa suspendida y de su amplitud.
Para ese momento, el minuto fue definido como la sexagésima parte de un minuto.
Después de esto nacerían los mecanismos que funcionan a partir de resortes, logrando una rigidez mucho más precisa y oscilando en un ritmo fijo. Funcionaban con mayor precisión, lo que significó una revolución en el mundo de la navegación ya que su estructura funcionaba hasta en un barco, sustituyendo los relojes de arena.
El cristal de un reloj de cuarzo está alojado en el oscilador. Este cuarzo posee solo unos milímetros de largo y está sellado. La corriente eléctrica hace que el cristal de cuarzo se deforme.
Al apagarse, el cristal vuelve a su forma original. El problema de este mecanismo es encontrar la frecuencia correcta que será aplicada al cristal, esto es lo que se busca al colocar el oscilador. Por lo que la solución radica en usar la frecuencia natural que genera el cristal.
Todos los objetos poseen una frecuencia que hace que generen una vibración natural. Los cristales que se encuentran integrados en los relojes son cortados con la mayor precisión, esto para que tengan una frecuencia natural de 32. 768 Hz al aplicarse un pulso eléctrico.
¿Por qué 32.768 Hz?
Por lo general, mientras el objeto sea más grande, menor será su frecuencia natural. Por ser un reloj el mecanismo que se hará funcionar, el cristal debe ser más pequeño y así tener más vibraciones.
Por ello, un sistema vibratorio hará que el aire a su alrededor también vibra a esa frecuencia, por lo que se necesita al menos una frecuencia mayor a 20.000 Hz para que el reloj no genere un ruido molesto.
El último parámetro a considerar es la tecnología utilizada. El mecanismo de este reloj es electrónico, así que funcionará en base 2 con binario, aunque es posible operar en un reloj en base 10, puede que genere algunos inconvenientes.
Algunos números decimales no son mostrados en la base 2. Por ello, necesitamos una frecuencia que:
- Sea mayor a 20.000 Hz.
- Funcione en base 2.
- Sea lo suficientemente alta para colocar el oscilador en un reloj.
Conclusión
El reloj de cuarzo funciona gracias a su cristal vibrante de 2^15Hz. Esta frecuencia ha sido adaptada para el sistema y tamaño del reloj.
Las vibraciones son obtenidas por un pulso de inicio al cristal, luego se obtiene la señal piezoeléctrica del cuarzo y es enviada al cristal nuevamente, lo que hace que vibre de forma natural continuamente.
Por último, el motor que está conectado a un contador electrónico mueve la manecilla de los segundos cuando el contador llega a 32.768 oscilaciones.