Современный отсчёт времени

Электронными часами являются часы, управляемые электроникой, то есть это часы, питающиеся от батарейки и имеющие кварцевый резонатор.

Электронные часы показывают время цифрами на экране. Механизм таких часов представляет собой соединение различных электронных деталей — диодов, транзисторов и т. п., плюс жидкокристаллический экран. На экране высвечиваются цифры, обозначающие время.

Главное отличие этих часов от механических — это принцип действия. Роль двигателя в механических часах отводится спиральной пружине. Она закручивается специальным образом при процедуре завода часов. Запускает в действие часовой механизм ее постепенное раскручивание. Электронным часам энергию дает специальная батарейка, рассчитанная на срок от двух до семи лет работы. Кварцевый генератор передает энергию электродвигателю. Именно он поворачивает стрелки часов.

Первые электрические часы изобрел в 1814 году Фрэнсис Роналдс. Однако первый такой прибор был неточным из-за чувствительности к изменениям температуры.

Развитие электроники и радиотехники подготовило почву для появления кварцевых часов. Их работа основана на пьезоэлектрическом эффекте. Он был обнаружен в 1880 году, но кварцевые часы смогли изготовить намного позже.

Кварцевые часы — часы, в которых в качестве колебательной системы применяется кристалл кварца. Хотя электронные часы также являются кварцевыми, выражение «кварцевые часы» обычно применяется только к электромеханическим часам. Работа электромеханических часов совсем не зависит от качества шестерен. Качественные бытовые кварцевые часы имеют точность ±15 секунд/месяц. Таким образом, выставлять их надо дважды в год. Однако кристалл кварца подвержен старению, и со временем часы начинают, как правило, спешить.

Если говорить о механизме, который «отсчитывает время» в электронных часах, то он ничем не отличается от того, что установлен в обычных кварцевых приборах. Разнится лишь способ передачи информации на циферблат. В кварцевый механизм встроена микросхема, которая обрабатывает сигналы генератора и выводит ее на дисплей. Благодаря такому принципу работы электронные часы нашли применение в различных сферах нашей жизни.

Впервые упоминание о цифровых или электронных часах появилось в прессе в 1952 году, когда две фирмы: французская «Лип-Безансон» (Leap Besancon) и американская «Элджин Уотч Компани» (Elgin Watch Company) объявили о том, что начинают разработки в области создания электронного часового механизма. Первый рабочий прототип появился через 5 лет — в 1957 году. Это были электронные наручные часы фирмы «Гамильтон» (Hamilton). Электронным в них был лишь механизм. Хотя Hamilton Electric 500 — так называлась модель, были стрелочными, но их не нужно было заводить. Сейчас такие часы называют кварцевыми из-за использования в их механизме кварцевого резонатора — частотозадающего электронного компонента.

Причиной такой долгой задержки в развитии электронного часового механизма было слабое развитие технологий, а именно отсутствие разработок миниатюрных элементов питания. В первых электронных часах компании «Дойтче Урен-Роверке» (Deutsche Waren-Roverke) батарейка находилась в браслете. Другие производители поначалу делали достаточно большой корпус, размещая там различные декоративные элементы.

Лишь в 1960 году несколько французских часовых фирм стали использовать вместо батарей небольшой аккумулятор, а часть зарядного устройства для него помещалась в корпусе часов. Другая часть — первичная обмотка выпрямителя находилась на специальной подставке, от которой собственно часы и заряжались. От такой идеи вскоре отказались, так как технология изготовления аккумуляторов еще не была до конца проработана, да и процесс ее зарядки (достаточно частый) был не очень удобен.

Фирма «Гамильтон» не ограничилась выпуском лишь одной модели часов с электронным механизмом. Спустя 13 лет — в 1970 году она объединяется с фирмой «Сейко» (Seiko) и создает первые в мире электронные часы с цифровым индикатором. Модель называлась Seiko Pulsar. В ней для отображения информации использовался дисплей на дискретных светодиодах.

Ввиду новизны и эксклюзивности разработки производители выставили на часы очень высокую по тем временам цену — $ 2100.

Это сейчас такие часы как, например Casio G-7500-1VER, обладая значительно лучшими характеристиками, стоят относительно недорого. А тогда все новое, созданное в области электроники, считалось очень дорогим.

Источником питания для наручных электронных часов служит батарейка, замена которой может быть связана с определенными неудобствами.

В 1971 году швейцарская часовая фирма BWC представила прототип первых электронных часов с экраном на жидких кристаллах (LCD). Часы были бесхитростно названы Liquid Crystal Quarz. Тогда жидким кристаллам, которые давно уже были открыты, только начинали находить какое-то практическое применение. В этом первом прототипе использовалась технология динамического рассеяния (DSM).

В 1977 году компания Seiko опять радует поклонников революционной разработкой — электронными часами с калькулятором — модель Pulsar Module 1. Помимо кнопок управления отображением и установки времени, на лицевой панели, под светодиодным дисплеем, часы имели небольшие кнопки как у обычного настольного калькулятора. Вскоре многие компании переняли эту идею, выпустив на рынок целое семейство подобных девайсов.

В 1980 году другая компания, известная своими инновационными разработками в области электроники — «Касио» (Casio), выпустила модель цифровых часов Game-10. Их особенностью было наличие в устройстве одной простенькой видеоигры-стрелялки.

Всего через 2 года в 1982 опять компания Seiko выпускает очередную модель электронных часов — Seiko TV Watch. Как можно догадаться из названия — они были оснащены встроенным телевизором. Правда, в часах располагался лишь сам дисплей для телевизора. Приемник TV-сигнала представлял собой отдельное устройство, которое пользователю приходилось носить в кармане. Воплощение этой идеи, конечно же, было так себе: и изображение постоянно «дергалось» и звук был нечетким, но модель TV Watch произвела такой фурор, что ее даже носил Джеймс Бонд в фильме про агента 007 вышедшем на экраны в 1983 году.

В этом же 1983 году увидела свет очередная новинка фирмы Casio — электронные часы с переводчиком. Модель ТЕ-2500 способна была переводить отдельные слова с японского, испанского, французского и немецкого языков на английский. В ее электронной памяти хранилось около 1,5 тыс. слов.

В 1985 году компания Epson выпускает наручные электронные часы со встроенным миникомпьютером. В модели RC-20 устанавливался 8-бит-ный процессор, 2 Кбайтный модуль оперативной памяти и 8 Кбайтная память в качестве запоминающего устройства.

Часы оснащались черно-белым дисплеем разрешением 42 на 32 точки.

В 2000 году появилась модель Casio WQV-1 со встроенной камерой и достаточно хорошим монохромным дисплеем, который мог отображать до 16 оттенков серого цвета.

Кроме этого, производились и совершенствовались обычные наручные электронные часы, которые в качестве дополнительных функций имели лишь будильник и календарь. Они были не менее популярными, чем часы с различными, порой совершенно ненужными дополнениями.

От классических механических вновь созданные кварцевые модели отличались поразительной точностью. Началась эра часов электронных. Кварцевые часы имеют механизм, состоящий из электронного блока и так называемого шагового электродвигателя. Двигатель, получая сигнал от электронного блока, передвигает стрелки. Вместо привычного циферблата в кварцевых часах может использоваться цифровой дисплей. У нас их называют электронными. На Западе — кварцевыми с цифровой индикацией. Сути это не меняет. Фактически, кварцевые часы — это мини-компьютер. Очень легко добавляются дополнительные функции: секундомер, указатель фаз Луны, календарь, будильник. Цена часов при этом, в отличие от механики, возрастает не так сильно. Это делает их более доступными. Кварцевые часы очень точные. Их погрешность составляет ±15 секунд/месяц. Корректировать показания приборов достаточно дважды в год. В 1978 году американская компания «Хьюлетт Паккард» впервые выпустила кварцевые часы с микрокалькулятором. На нём можно было совершать математические операции с шестизначными числами. Его клавиши нажимали шариковой ручкой. Размер этих часов составлял несколько квадратных сантиметров. В 1990-х годах на рынке были представлены оригинальные часы — гибрид автоподзавода и кварцевых часов. Япония представила модель «Кинетик» компании Seiko, а Швейцария — модель «Автокварц» компании Tissot и Certina. Особенность данных часов была в том, что в них стояла не батарейка, а аккумулятор, который подзаряжался устройством автоподзавода, как и обычно устанавливаемым на механических часах.

С развитием атомной физики ученые предложили использовать в качестве колебательных систем именно частицы вещества. Так появились первые атомные часы. Идею о возможности использования атомных колебаний водорода для измерения времени предложил еще в 1879 году английский физик лорд Кельвин, однако только к середине XX века это стало возможным.

В 1930-х годах американский физик и первооткрыватель ядерного магнитного резонанса Исидор Раби начал работать над атомными часами с цезием-133, однако начало войны помешало ему. Уже после войны в 1949 году в Национальном комитете стандартов США с участием Гарольда Лайонсона были созданы первые молекулярные часы, использующие молекулы аммиака. Но первые такие приборы измерения времени не были точными, как современные атомные часы.

Относительно малая точность была связана с тем, что из-за взаимодействия молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась энергия молекул, и их спектральные линии уширялись. Этот эффект очень похож на трение в механических часах.

Позднее, в 1955 году, Луи Эссен из Национальной физической лаборатории Великобритании представил первые атомные часы на цезии-133. Эти часы накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет. Прибор получил название NBS-1 и стал считаться цезиевым эталоном частоты.

Принципиальная схема атомных часов состоит из кварцевого генератора, контролируемого дискриминатором по схеме обратной связи. В генераторе используются пьезоэлектрические свойства кварца, тогда как в дискриминаторе происходят энергетические колебания атомов, так что колебания кварца отслеживаются сигналами от переходов с разных энергетических уровней в атомах или молекулах. Между генератором и дискриминатором находится компенсатор, настроенный на частоту атомных колебаний и сравнивающий ее с частотой колебаний кристалла.

Атомы, используемые в часах, должны обеспечивать стабильные колебания. Для каждой частоты электромагнитного излучения существуют свои атомы: кальция, стронция, рубидия, цезия, водорода. Или даже молекулы аммиака и йода.