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Antecedentes

O meio mais antigo de determinar o tempo é observando a localização do sol no céu. Quando o sol está diretamente acima, a hora é aproximadamente 12h00. Um desenvolvimento ligeiramente posterior, e menos sujeito ao julgamento de um indivíduo, é o uso de um relógio de sol. Durante o dia, a luz do sol incide sobre um poste vertical colocado no centro de um mostrador calibrado, projetando uma sombra no mostrador e fornecendo ao leitor uma leitura de tempo relativamente precisa.

A invenção do relógio mecânico no século XIV foi um grande avanço - forneceu um método mais conciso e consistente de medir o tempo. O relógio mecânico inclui uma série complicada de rodas, engrenagens e alavancas acionadas por pesos em queda e com um pêndulo (ou mais tarde uma mola enrolada). Juntas, essas peças moviam o ponteiro ou os ponteiros de um mostrador para mostrar a hora. A adição de sinos ou gongos na hora, meia hora e quarto de hora veio logo depois. No século XVIII, relógios menores para uso doméstico estavam disponíveis e, ao contrário de seus antecessores, eram fechados e lacrados em uma caixa.

Quanto mais preciso for o acabamento das peças móveis, mais preciso será o relógio. Da invenção até meados do século XX, os desenvolvimentos na fabricação de relógios se concentraram em fazer as partes móveis funcionarem com a maior precisão possível. Os desenvolvimentos na tecnologia do metal e na miniaturização, a lubrificação de pequenas peças e o uso de safiras naturais (e depois safiras artificiais) nos pontos que recebiam mais estresse (o movimento das joias) se tornaram componentes integrais da ciência relojoeira. Relógios de bolso pequenos, talvez de duas a três polegadas (cinco a sete centímetros) de diâmetro, estavam disponíveis no final do século XIX. Os relógios de pulso mecânicos eram um item do dia a dia nos Estados Unidos na década de 1960. E, no entanto, o problema central enfrentado por relógios e relojoeiros permaneceu o mesmo:as peças mecânicas se desgastam, tornam-se imprecisas e quebram.

Nos anos imediatamente posteriores à Segunda Guerra Mundial, o interesse pela física atômica levou ao desenvolvimento do relógio atômico. Os materiais radioativos emitem partículas (decompostas) a uma taxa estável e conhecida. As partes de um relógio mecânico que giravam para marcar as horas podiam ser substituídas por um dispositivo que estimulasse o movimento do relógio cada vez que uma partícula fosse emitida pelo elemento radioativo. Relógios atômicos, aliás, ainda são fabricados e vendidos e são considerados consistentemente precisos.

Com o desenvolvimento do microchip nas décadas de 1970 e 1980, um novo tipo de relógio foi inventado. Relógios de pulso que misturavam tecnologia de microchip com cristais de quartzo tornaram-se o padrão; existem poucos relógios de pulso sem quartzo fabricados hoje. O microchip é utilizado para enviar sinais ao mostrador do relógio continuamente. Por não ser um dispositivo mecânico com partes móveis, não se desgasta.

O uso de quartzo em relógios utiliza um tipo de eletricidade há muito conhecido como piezoeletricidade. A piezoeletricidade é a corrente que flui de ou através de um pedaço de quartzo quando o quartzo é colocado sob pressão elétrica e / ou mecânica (piezo vem do verbo grego que significa "pressionar"). Um relógio de quartzo usa a eletricidade de um pedaço de quartzo submetido à eletricidade de uma bateria enviar O coração de um relógio de quartzo é uma pequena lasca de quartzo. Na forma natural, o quartzo é primeiro colocado em uma chaleira gigante ou autoclave. Penduradas no topo da autoclave estão sementes ou minúsculas partículas de quartzo com a estrutura cristalina desejada. Um material alcalino é bombeado para o fundo da autoclave, e a autoclave é aquecida a alta temperatura, dissolvendo o quartzo no líquido alcalino quente, evaporando-o e depositando-o nas sementes. Após cerca de 75 dias, a câmara pode ser aberta e os cristais de quartzo recém-crescidos podem ser removidos e cortados nas proporções corretas. uma série regular e contável de sinais (oscilações) para um ou mais microchips. (Relógios de parede elétricos, em contraste, usam a regularidade da corrente da parede para controlar o tempo.)

Os relógios de quartzo mais precisos são aqueles em que a hora aparece em um display digital controlado eletronicamente, produzido por meio de um diodo emissor de luz (LED) ou um display de cristal líquido (LCD). É possível, obviamente, fazer com que o microprocessador envie seus sinais para dispositivos mecânicos que fazem os ponteiros se moverem no mostrador do relógio, criando um display analógico. Mas, como os ponteiros são operados mecanicamente por meio de uma parte do relógio conhecida como trem de engrenagens, os relógios analógicos geralmente não são tão precisos quanto os digitais e estão sujeitos a desgaste. Ambos os tipos de relógios alcançam uma precisão tremenda, com relógios digitais geralmente tendo uma precisão de três segundos por mês.

Matérias-primas

Os relógios eletrônicos usam muitos dos materiais mais modernos disponíveis, incluindo plásticos e ligas de metais. As caixas podem ser feitas de plástico ou metal; relógios com caixa de metal geralmente incluem um aço inoxidável apoio. Os microchips são normalmente feitos de silício, enquanto os LEDs geralmente são feitos de arsenieto de gálio, fosfeto de gálio ou fosfeto de arsenieto de gálio. LCDs consistem em cristais líquidos imprensados ​​entre pedaços de vidro. Os contatos elétricos entre as peças geralmente são feitos de uma pequena quantidade de ouro (ou são banhados a ouro); o ouro é um condutor elétrico quase ideal e pode ser usado com sucesso em quantidades muito pequenas.

O processo de fabricação

Esta seção se concentrará em relógios digitais de quartzo com telas de LED. Embora a montagem de tais relógios deva ser realizada de forma cuidadosa e metódica, os aspectos mais essenciais do processo de fabricação estão na fabricação dos componentes.

Quartzo

• 1 O coração de um relógio de quartzo é uma pequena lasca de quartzo. O quartzo produzido sinteticamente é cortado pelo fabricante com uma serra de diamante e enviado ao relojoeiro para uso. A produção de quartzo "crescido" é uma etapa crítica do processo.
  O quartzo, na forma natural, é primeiro carregado em uma chaleira gigante ou autoclave (o mesmo dispositivo usado por médicos e dentistas para esterilizar instrumentos). Penduradas no topo da autoclave estão sementes ou pequenas partículas de quartzo Na montagem do relógio, todo o conjunto de cristal e microchips é colocado em uma placa de circuito. Também é instalada uma bateria que gera eletricidade para o cristal de quartzo e fornece energia para o display LED. com a estrutura cristalina desejada. Um material alcalino é bombeado para o fundo da autoclave e a autoclave é aquecida a uma temperatura de aproximadamente 750 graus Fahrenheit (400 graus Celsius). O quartzo natural se dissolve no líquido alcalino quente, evapora e se deposita nas sementes. À medida que se deposita, segue o padrão da estrutura cristalina das sementes. Após cerca de 75 dias, a câmara pode ser aberta e os cristais de quartzo recém-crescidos podem ser removidos e cortados nas proporções corretas. Diferentes ângulos e espessuras no corte levam a taxas previsíveis de oscilação. A taxa de oscilação desejada para o quartzo usado em relógios de pulso é de 100.000 megaHertz ou 100.000 oscilações por segundo.
  
• 2 Para funcionar de maneira mais eficaz, o pedaço de quartzo precisa ser selado em uma câmara de vácuo de um tipo ou de outro. Mais comumente, o quartzo é colocado em uma espécie de cápsula, com fios presos a ambas as extremidades para que a cápsula possa ser soldada ou conectada a uma placa de circuito.

O microchip

• 3 Os fios eletrônicos gerados por uma bateria através do quartzo (produzindo oscilações) irão para um microchip que serve como um "circuito de divisão de frequência". A fabricação de microchip, como o quartzo, também é realizada pelo fornecedor para o fabricante de relógios. Um processo extenso e complexo, a fabricação de microchips envolve a corrosão química e / ou de raios-X de um circuito eletrônico microscópico em um minúsculo pedaço de dióxido de silício.
• 4 A taxa de oscilação de talvez 100.000 vibrações / segundo é reduzida para 1 ou 60 ou algum outro número mais gerenciável de oscilações. O novo padrão de oscilação é então enviado para outro microchip que funciona como um "contra-decodificador-driver". Este chip realmente contará as oscilações que recebe. Se houver sessenta oscilações por segundo, o chip mudará a leitura em um LED a cada segundo. Após 3.600 oscilações (60 x 60), o contador instruirá o LED a alterar a leitura por minutos. E, após 60 x 60 x 60 oscilações (216.000), o contador mudará a leitura das horas.

Montagem

• 5 Todo o conjunto de cristal e microchips é colocado em uma placa de circuito. A placa incorpora um espaço para armazenar a bateria que fornece eletricidade para o cristal de quartzo e fornece energia para o display LED. Geralmente, o espaço para a bateria fica do lado de fora da superfície voltada para a parte de trás do gabinete. A bateria pode ser substituída removendo a parte de trás do relógio, sacudindo o antigo e colocando a nova bateria.
• 6 O mecanismo usado para acertar o relógio é então conectado. Este mecanismo envolve dois pinos que se estendem além da caixa do relógio. Um pino permite que o circuito do contador saiba qual leitura zerar - segundos, minutos ou horas. O segundo pino é pressionado várias vezes para trazer o display para a leitura desejada.
• 7 Toda a placa de circuito, junto com a bateria, é fechada em uma caixa e uma pulseira é fixada.

Recursos adicionais do relógio

Como os microchips em um relógio de quartzo são capazes de armazenar grandes quantidades de informações, é possível, do ponto de vista da engenharia, adicionar outras funções a um relógio sem muita dificuldade. Um botão de pressão adicional na caixa conectada ao circuito do contador pode fornecer alarmes, informações sobre a maré e muito mais. O microchip pode ser facilmente programado para adiantar ou retroceder o relógio em um determinado período com o apertar de um botão, de modo que um proprietário possa determinar a hora em outro fuso horário, ou talvez ter dois, três ou mais fusos horários exibidos sucessivamente.

Controle de qualidade

Todos os componentes dos relógios eletrônicos são fabricados sob um rígido sistema de controle de qualidade. Cristais de quartzo, por exemplo, têm suas frequências testadas antes de serem usados ​​em um relógio. Os microchips devem ser feitos em um ambiente de "sala limpa" com ar filtrado especialmente, uma vez que mesmo as menores partículas de poeira podem inutilizar um chip. Os microchips são examinados cuidadosamente e também são testados em bancada para verificar sua precisão antes do uso.

Depois que um relógio é fabricado, ele é testado novamente antes de ser enviado ao mercado. Além de sua precisão de cronometragem, ele também é submetido a um teste de queda no qual deve continuar a operar corretamente depois de ser derrubado e de outra forma abusado; um teste de temperatura; e um teste de água. Embora um relojoeiro possa, com testes e provas adequados, alegar que um relógio é "resistente à água" em certas especificações conhecidas, é impreciso dizer que um relógio é "à prova d'água porque sem uma especificação particular essa designação não tem sentido.

As grandes relojoarias fabricam todos os seus próprios componentes, garantindo que os padrões de qualidade do produto estejam em vigor desde o início do processo de fabricação.

O Futuro

Como os relógios eletrônicos de hoje são tão precisos por projeto, a precisão não é o único objetivo que um fabricante de relógios almeja. Mudanças futuras no produto tirarão vantagem de outras tecnologias de outros campos, como a adição de uma função de calculadora a um relógio, ou mesmo a adição de um rádio-transmissor que pode enviar um sinal rastreável se o usuário estiver perdido ou em apuros.