La evolución de las oscilaciones

La computadora portátil que uso, encontrada por $ 50 en los contenedores de Akihabara, tiene una CPU con 2.53GHz. Dos mil quinientos treinta millones de veces por segundo los electrones pulsan sistemáticamente brevemente. Para la mente humana esto es inimaginable, sin embargo, hace doscientos años, la humanidad no conocía ningún oscilador eléctrico.

Por supuesto, hubo claras fuentes naturales de oscilación, siendo quizás el sol el más claro de todos. Los pitagóricos propusieron por primera vez que la rotación de la tierra causaba los ciclos diarios del sol. Su sistema era más esotérico y complejo que la verdad tal como la conocemos ahora e incluía una Anti-Tierra requerida escondida detrás de un fuego central. Independientemente de los errores contenidos en su teoría, se estableció un vínculo central entre rotación y oscilación.

Y el movimiento de rotación se explotó en los primeros osciladores eléctricos. Ambos alternadores, similares a los que se usan hoy en día, y dispositivos más esotéricos como el interruptor. Desarrollada por Charles Page en 1838, la interrupción utilizó un movimiento giratorio o oscilante para sumergir un cable en un baño de mercurio periódicamente rompiendo un circuito para producir una oscilación simple.

A medida que avanzamos hacia los generadores eléctricos industriales, la corriente alterna se volvió común. Pero también se necesitaban frecuencias cada vez más altas para los transmisores de radio. Los primeros transmisores usaban bujías. Estos simples transmisores usaban corriente continua para cargar un capacitor hasta que llegaba al colapso del espacio entre dos cables. Luego, la electricidad ionizó las moléculas de aire en el espacio. Permitiendo así que la corriente fluya, descargando rápidamente el condensador. El condensador se cargó de nuevo, lo que permitió que el proceso se repitiera.

Alternador Alexanderson

Como puede ver y escuchar en el video de arriba, las bujías producen una salida ruidosa, lejos de sinusoidal. Entonces, para obtener osciladores más eficientes, los ingenieros recurrieron nuevamente a la rotación.

El alternador Alexanderson utiliza una rueda en la que se cortan cientos de ranuras. Esta rueda se coloca entre dos bobinas. Una bobina, alimentada por corriente continua, produce un campo magnético que induce corriente en la segunda. El disco agrietado, cortando periódicamente este campo, produce corriente alterna. Los alternadores Alexanderson se utilizaron para generar frecuencias de 15 a 30 KHz, principalmente para aplicaciones navales. Sorprendentemente, un alternador Alexanderson permaneció en funcionamiento hasta 1996 y todavía se conserva en buen estado de funcionamiento.

Se utilizó un rector similar en el órgano Hammond. Puede que no sepa el nombre, pero reconocerá el sonido de este instrumento electrónico temprano:

El órgano Hammond utilizó una serie de carretillas y camiones. Los camiones constan de una bobina y un imán. Para producir tono, el camión se empuja hacia una rueda giratoria que tiene protuberancias en su superficie. Estos se asemejan a las ranuras del alternador Alexanderson y modulan eficazmente el campo entre el imán y la bobina para producir tono.

Fortalecimiento de la oscilación

El funcionamiento de un circuito de tanques (de wikipedia)

Hasta ahora solo nos hemos basado en técnicas electromecánicas, sin embargo, la amplificación es clave para todos los osciladores modernos para los que, por supuesto, se necesitan dispositivos activos. El más simple de estos utiliza un inductor y un condensador para formar un circuito de tanque. En un circuito de tanque, la energía se desliza hacia adelante y hacia atrás entre un inductor y un capacitor. Sin refuerzo, las pérdidas harán que la oscilación se extinga rápidamente. Sin embargo, al introducir amplificación (como en el oscilador de Colpitts), el proceso puede continuar indefinidamente.

La estabilidad del oscilador es importante en muchas aplicaciones como la radiodifusión. Los mejores osciladores permiten que las transmisiones estén más empaquetadas en el espectro sin temor a que se desvíen y se superpongan. De modo que continuó la búsqueda de osciladores mejores y más estables. Así se descubrió y produjo el oscilador de cristal. Este fue un esfuerzo monumental.

Produciendo osciladores de cristal

El siguiente video muestra un proceso típico utilizado en la década de 1940 para la producción de osciladores de cristal:

https://www.youtube.com/watch?v=b--FKHCFjOM

Los cristales de cuarzo natural extraídos en Brasil se enviaron a los Estados Unidos y se procesaron. Conté un total de 13 pasos insignificantes de mecanizado / grabado y 16 pasos de medición (incluido un riguroso control de calidad). Muchos de estos son bastante avanzados, como la alineación del cristal bajo la fotografía de rayos X mediante una técnica similar a la cristalografía de rayos X.

Actualmente, nuestro proceso de producción de oscilador de cristal está más avanzado. Desde la década de 1970, los osciladores de cristal se fabrican mediante un proceso fotolitográfico. Para estabilizar aún más el cristal, se utilizaron técnicas adicionales como la compensación de temperatura (TCXO) o la operación del cristal a una temperatura controlada mediante el uso de un elemento calefactor (OCXO). Para la mayoría de las aplicaciones, esto resultó ser bastante preciso ... Sin embargo, no lo suficientemente preciso para la época.

Timenuts usa átomos

Un timenut típico con un reloj atómico.

Para timenuks no existe "suficientemente precisa". Estos piratas informáticos se esfuerzan por crear los sistemas de tiempo más precisos que, por supuesto, dependen del oscilador más preciso que puedan encontrar.

Muchos relojes se basan en relojes atómicos para realizar sus mediciones. Los relojes atómicos son un orden de magnitud más precisos que incluso los mejores osciladores de cristal de temperatura controlada.

Bill Hammack tiene un excelente video que describe el funcionamiento de un oscilador de haz de cesio. El proceso fundamental se muestra en la imagen a continuación. El núcleo es que el gas cesio existe en dos estados de energía que pueden separarse bajo un campo magnético. Los átomos de baja energía están expuestos a una fuente de radio cuya longitud de onda está determinada por un oscilador de cristal. Solo una longitud de onda de exactamente 9.192.631.770 Hz convertirá las bajas energías de los átomos de cesio en la forma de alta energía. Los átomos de alta energía se dirigen a un detector, cuya salida se usa para disciplinar el oscilador de cristal, de modo que si la frecuencia del oscilador se desplaza y los átomos de cesio ya no se dirigen al detector, su salida se empuja a la valor correcto. . Por tanto, se utiliza una constante física básica para calibrar el reloj atómico.

El principio de funcionamiento básico de un reloj atómico de cesio

Si bien los estándares de cesio son los osciladores más precisos que se conocen, los osciladores de rubidio (otro reloj "atómico") también proporcionan una opción precisa y relativamente económica para muchos relojes. El precio de estos osciladores ha bajado debido al volumen de producción para la industria de las telecomunicaciones (son clave para GSM y otros sistemas de telefonía móvil) y ahora están disponibles en eBay.

Con piezas precisas de tiempo en la mano, Nuts hizo algunos experimentos interesantes. En mi opinión lo más interesante es medir las diferencias horarias por efectos relativistas. Como es el caso de un timenut que llevó a su familia y un automóvil lleno de relojes atómicos al monte. Llueve más durante el fin de semana. Cuando regresó pudo medir una diferencia de 20 nanosegundos entre los relojes que había viajado y los que había dejado en casa. Esta vez, un efecto dilatador fue casi exactamente como lo predijo la teoría de la relatividad. ¡Impresionante resultado y una increíble excursión en familia!

Es sorprendente pensar que cuando Einstein propuso la teoría del relativo especial en 1905, ni siquiera los osciladores de cristal primitivos estarían disponibles. Spark gap y los alternadores Alexanderson se seguirían utilizando a diario. Dudo que pudiera haber imaginado que algún día los frutos de su teoría serían confirmados por un hombre, mientras estaba de viaje por carretera con sus hijos como un proyecto de hobby de fin de semana. Hackers del mundo, regocíjense.

Cierto dice:
Por alguna razón, el escritor me recordó una serie de televisión de los 70 en la BBC presentada por james burke llamada comunicaciones:
https://www.youtube.com/watch?v=5mo_Ux_WzGw
- Lee Gleason dice:
  Encontrado en el índice - "Historial de osciladores" .... consulte "Historial de amplificadores". Si has trabajado duro en un circuito de radio, lo conseguirás ...
  - Ren dice:
    +!
    Como mi maestro nos contó sobre Op Amp ...
    "Los amplificadores oscilarán, los osciladores se amplificarán".
- Hirudinea dice:
  ¡Me encantó ese programa!
  - Eugene V. Dubstep (@jp_bse) dice:
    oh Dios, vi todos los episodios de ese programa que pude, una y otra vez, cuando tenía entre 7 y 11 años. probablemente explica mucho.
- Dax dice:
  Connections, Connections ^ 2 y When The World Changed son dos series que deberían ser queridas por todos los que están cansados de los modernos presentadores de ciencia canalla de la televisión que pretenden estar bastante seguros de lo que están hablando.
  No quiero decir que James Burke supiera necesariamente de lo que estaba hablando, pero ese era el objetivo del programa: señalar que lo que sabemos sobre el mundo está igualmente relacionado con quiénes somos y cuándo somos.
- Nava Whiteford dice:
  Sí, pensé en James Burke cuando lo escribí. 🙂 Me encanta esa era de los documentales científicos. Disfruté especialmente "The Ascent of Man", que recomiendo ver si no lo has visto.
Gregkennedy dice:
El ahorro de tiempo preciso es una de las muchas cosas que confío con gusto a The Cloud (NTP o WWVB), en lugar de implementar mi propio estándar de cesio 🙂
- M Taylor dice:
  Si bien hay varios estándares primitivos con exceso de cesio (cesio) (creo que en su mayoría unidades HP 5061), que yo sepa, ningún aficionado ha construido sus propios osciladores de cesio.
  - perro espacial dice:
    esto pertenece aquí:
nsayer dice:
Un dicho favorito sobre el tiempo loco es "un hombre con un reloj sabe qué hora es. Un hombre con dos nunca puede estar seguro".
Creo que puedes ser una especie de loco del tiempo de "insignia" de acuerdo con su "gran orden". Yo mismo reclamo 1E-11, pero eso es relativamente peatonal. Los realmente avanzados son hasta 1E-13.
- ALINOME el A dice:
  La comparación de relojes es cómo se mantiene la hora más precisa ... el único problema es que solo se puede hacer retrospectivamente, no en vivo ...
  - Dax dice:
    E incluso eso depende de la filosofía, porque si tomamos la relatividad de Einstein, no hay un "ahora" universal 🙂
Rodolfo dice:
no había humanos, hace dos millones de años.
DainBramage dice:
Me sorprende que alguien publique un video de un rompe chispas en acción. Su uso es ilegal en la mayoría de las jurisdicciones debido al hecho de que transmiten sin tener en cuenta la configuración o la pureza de la señal (casi en todas partes del espectro al mismo tiempo). Fueron prohibidos a principios del siglo XX casi tan pronto como se dispuso de mejores soluciones.
Un artículo interesante sobre un tema fascinante. Las oscilaciones precisas son tan interesantes locos de radio en cuanto a locos de tiempo. La forma en que se utilizan estos osciladores es diferente. He oído hablar de radioaficionados que utilizan estándares de tiempo rubí para mantener sus radios y probadores adaptados.
- Ricardo dice:
  ¿Notaste que no entregó una identificación? Sospecho que no está conectado a una antena, pero aún sospecho que produce toneladas de interferencia de radiofrecuencia. Espero que estuviera dentro de un edificio bien protegido o en una cueva en algún lugar.
  El código Morse que envió fue:
  "Prueba de transmisor de chispa vvv para youtube 73 SK"
  Las tres letras v al principio y el "73 SK" al final son un protocolo típico de radioaficionado.
  - DainBramage dice:
    Todavía estoy trabajando en aprender CW por mí mismo (aprender algunas letras, liberar unos meses, repetir según sea necesario), por lo que no he intentado interpretar lo que envió. Gracias por compartirlo.
    Incluso sin antena probablemente transmitió muy lejos. Tal vez, como dices, esté en un edificio bien protegido. De cualquier modo eso espero. Tengo muy poco respeto por las personas que causan interferencia intencional, pero si hubiera tomado las precauciones adecuadas para hacer esta demostración, no habría ocurrido ningún daño.
Vanwerkhoven dice:
Interesante artículo, pero ¿te gustaría seguir leyendo y acortar tu página de inicio a los primeros párrafos, como de costumbre?
- Vanwerkhoven dice:
  Trate incluso.
METRO dice:
Kara HaD. Se saltó por completo el oscilador de rango, que era un oscilador intermedio entre péndulos y cuarzo como estándar de tiempo. Además, las bujías y los alternadores alexanderson nunca se usaron de acuerdo con los estándares de tiempo, solo llevaban generadores para radio.
http://www.ieee-uffc.org/main/history-marrison.asp
- chango dice:
  Los primeros relojes eléctricos de Bulova Accutron utilizaban un diapasón mecánico como elemento para ahorrar tiempo. Posteriormente reemplazaron el habitual cristal de cuarzo.
  Actualmente, los osciladores MEMS son un problema, reemplazando el equilibrio de silicio micromecánico con una losa de cuarzo cortado. El mismo esquema también se utiliza para los giroscopios MEMS, que miden el cambio en la frecuencia del equilibrio durante la rotación.
  - Ren dice:
    Sí, en un episodio de "Get Smart", Max usó el rango de su reloj para romper una pared de vidrio que aprisionó a alguien (¿es su jefe?). IIRC, fue el episodio sobre “sonido hipnótico”.
- Nava Whiteford dice:
  Aquí tienes un artículo maravilloso. Me encanta la publicación técnica de Bell Systems llena de cosas interesantes como esta. Gracias por compartir.
chango dice:
Los electrones pulsarían el doble de rápido, una vez por cada borde del ciclo del reloj. Entonces, más de 5 GHz, aunque limitado a algunas partes del procesador, mueren.
Si está hablando de WiFi, eso es más interesante, porque ese enrutador de dos bandas de $ 30 hace que los electrones en su casa resuenen aún más a menudo.
Carsten Tonn-Petersen dice:
Por un momento pensé que escribirías sobre el legendario dúo número 60 "Silver Apples" 🙂
Pero de todos modos, la mención del gran transmisor en Grimeton, Suecia, es realmente importante aquí en La-Tecnologia.
Si alguna vez tienes la oportunidad, ve al hermoso museo con la larga fila de grandes mástiles de antena y gracias al generador y modulador de Alexanderson. Emiten una vez al año durante el Día de Alexanderson.
Los transmisores de chispas son terribles, pero tienen un "hermano", el mejor convertidor / transmisor de arco:
https://eo.wikipedia.org/wiki/Arc_converter
realizado por el inventor danés Valdemar Poulsen. ¡Podría ser divertido construir realmente a lo grande!
El cronometraje preciso siempre ha sido difícil. Soy dueño de uno de estos:
http://members.iinet.net.au/~fotoplot/acc.htm
¡Obra de arte mecánica! Los pilotos de la aerolínea donde trabajaba mi padre los usaban en los años 60.
Ren dice:
Hace décadas que era el cuidador de una pequeña iglesia, uno de mis trabajos era engrasar el órgano Hammond cada 6 meses, para que los ejes giraran a la derecha y, por lo tanto, lo mantuvieran afinado.
TheRegnirps dice:
Mira al monje francés Marin Merseine. En la década de 1630 usó un cable muy largo tendido entre postes para que oscilara tan rápido como podía estirarse con los latidos del corazón o un reloj (¿un minutero?). Él es quien encontró la relación entre la frecuencia y el tono en la música y entre la longitud de onda y la frecuencia y por qué los instrumentos de cuerda funcionan de esa manera. También un buen trabajo de matemáticas. Un hombre interesante.
- Greenaum dice:
  Es bastante seguro que uno de los antiguos griegos descubrió la relación entre la longitud y la frecuencia de las cuerdas.
Lee McKusick dice:
Hago una radio digital PSK-31 y estaba interesado en medir la frecuencia en la que trabajaba mi radio. Compré algunos osciladores modulares de un dólar en Halted Surplus y tengo algunos equipos de prueba. No es demasiado difícil hacer que un oscilador funcione con una consistencia de 10 PPM. Pero por debajo de 10 PPM comenzó a requerir más de un domingo por la tarde, requirió notas y un control cuidadoso de la temperatura y el voltaje de operación y comparaciones extendidas. Tenía la sensación de que estaba entrando en un patio de juegos analógico. En mi alcance técnico no existían fenómenos físicos con una frecuencia fija como la vibración atómica o molecular.
Leí acerca del tiempo exacto para los aficionados. Existe una relación recíproca, cuanto más exactamente se mide la frecuencia o el tiempo, más tiempo es necesario refinar sus condiciones y la disposición de la medición del tiempo.