Электрические часы — это часы , которые работают от электричества , в отличие от механических часов, которые работают от подвесного груза или ходовой пружины . Этот термин часто применяется к механическим часам с электрическим приводом, которые использовались до появления кварцевых часов в 1980-х годах. Первые экспериментальные электрические часы были сконструированы около 1840-х годов, но они не производились широко, пока в 1890-х годах не стало доступно сетевое электропитание . В 1930-х годах синхронные электрические часы заменили механические часы как наиболее широко используемый тип часов.
Электрические часы могут работать на основе нескольких различных типов механизмов:
В 1814 году сэр Фрэнсис Рональдс из Лондона изобрел первые электрические часы. [3] Они работали от сухих батарей , высоковольтной батареи с чрезвычайно долгим сроком службы, но недостатком которой было то, что ее электрические свойства менялись в зависимости от погоды. [4] Он опробовал различные способы регулирования электричества, и эти модели оказались надежными в различных метеорологических условиях. [5]
В 1815 году Джузеппе Замбони из Вероны изобрел и продемонстрировал еще одни электростатические часы, работающие на сухих батарейках и колеблющемся шаре. Его команда в течение многих лет производила усовершенствованные часы, которые позже были обозначены как «самый элегантный и в то же время самый простой механизм, когда-либо созданный электрической колонной». [6] Часы Замбони имели вертикальную стрелку, поддерживаемую стержнем, и были настолько энергоэффективны, что могли работать от одной батарейки более 50 лет.
В 1840 году шотландский часовщик и производитель инструментов Александр Бейн первым изобрел и запатентовал часы, работающие от электрического тока. Его оригинальный патент на электрические часы датирован 10 октября 1840 года. 11 января 1841 года Александр Бейн вместе с Джоном Барвайзом, производителем хронометров, получили еще один важный патент, описывающий часы, в которых вместо пружин или гирь для поддержания хода часов используется электромагнитный маятник и электрический ток . Более поздние патенты расширили его первоначальные идеи.
Около 1840 года многие люди, в том числе Уитстон, Штейнгель, Хипп, Бреге и Гарнье, как в Европе, так и в Америке, стремились изобрести электрические часы с электромеханическими и электромагнитными конструкциями .
Маттеус Хипп , часовщик, родившийся в Германии , считается создателем серийного производства, массовых электрических часов. Хипп открыл мастерскую в Ройтлингене , где разработал электрические часы, чтобы иметь тумблер Хиппа, представленный в Берлине на выставке в 1843 году. Тумблер Хиппа — это устройство, прикрепленное к маятнику или балансировочному колесу, которое электромеханически позволяет время от времени давать импульс или привод маятнику или колесу, когда амплитуда его колебаний падает ниже определенного уровня, и настолько эффективно, что впоследствии использовалось в электрических часах более ста лет. Хипп также изобрел небольшой двигатель и построил хроноскоп и регистрирующий хронограф для измерения времени.
Первые электрические часы имели выступающие маятники, поскольку это была знакомая форма и дизайн. Меньшие часы и часы со спиральным балансом сделаны по тем же принципам, что и маятниковые часы.
В 1918 году Генри Эллис Уоррен изобрел первые синхронные электрические часы в Эшленде, штат Массачусетс, которые отсчитывали время с помощью колебаний электросети. [7] [8] В 1931 году Synclock стали первыми коммерческими синхронными электрическими часами, проданными в Великобритании. [8]
Часы, которые используют электричество в той или иной форме для питания обычного часового механизма, являются электромеханическими часами. Любые пружинные или грузоподъемные часы, которые используют электричество (переменного или постоянного тока) для подзавода пружины или поднятия веса механических часов, являются электромеханическими часами. В электромеханических часах электричество не выполняет функцию отсчета времени. Функция отсчета времени регулируется маятником. Ближе к концу девятнадцатого века доступность сухой батареи сделала практичным использование электроэнергии в часах. Затем использование электричества привело к появлению множества вариаций конструкций часов и двигателей. Электромеханические часы изготавливались как отдельные часы, но чаще всего использовались как неотъемлемые части синхронизированных временных установок. Опыт в области телеграфии привел к подключению удаленных часов (ведомых часов) с помощью проводов к управляющим (главным часам) часам. Целью было создание часовой системы, в которой все часы показывали бы точно одинаковое время. Главные и ведомые часы являются электромеханическими часами. Главные часы имеют обычный механизм с автоподзаводом, который подзаводится электрически. Механизм подчиненных часов не является обычным часовым механизмом, поскольку он состоит только из храпового колеса и часовой передачи. Подчиненные часы полагаются на электрические импульсы от главных часов, чтобы механически перемещать стрелки часов на одну единицу времени. Синхронизированные системы времени состоят из одних главных часов и любого количества подчиненных часов. Подчиненные часы соединены проводами с главными часами. Эти системы находятся в местах, где используются несколько часов, таких как учебные заведения, предприятия, фабрики, транспортные сети, банки, офисы и государственные учреждения. Ярким примером такого типа системы являются часы Shortt-Synchronome , которые являются примером электромеханического гравитационного ремонтуара . Эти системы часов с автоподзаводом обычно были низкого напряжения постоянного тока. Они были установлены в 1950-х годах, и к тому времени системы с синхронными моторными часами стали предпочтительной часовой системой.
Конфигурация этого устройства сравнительно очень проста и надежна. Электрический ток питает либо маятник , либо электромеханический осциллятор .
Электромеханический осцилляторный компонент имеет прикрепленный магнит , который проходит через два индуктора . Когда магнит проходит через первый индуктор или датчик, простой усилитель вызывает ток через второй индуктор, а второй индуктор работает как электромагнит , обеспечивая импульс энергии для движущегося осциллятора. Этот осциллятор отвечает за точность часов. Электронная часть не будет генерировать электрические импульсы, если осциллятор отсутствовал или не двигался. Резонансная частота механического осциллятора должна быть несколько раз в секунду.
Синхронные электрические часы не содержат генератора времени, такого как маятник или балансир, а вместо этого подсчитывают колебания переменного тока от сетевой розетки, чтобы отсчитывать время. Они состоят из небольшого синхронного двигателя переменного тока , который вращает стрелки часов через редукторную передачу . [9] Двигатель содержит электромагниты , которые создают вращающееся магнитное поле , которое вращает железный ротор . Скорость вращения вала двигателя синхронизирована с частотой сети ; 60 циклов в секунду (Гц) в Северной Америке и некоторых частях Южной Америки, 50 циклов в секунду в большинстве других стран. Зубчатая передача масштабирует это вращение, так что минутная стрелка совершает один оборот в час. Таким образом, синхронные часы можно рассматривать не столько как хронометрист, сколько как механический счетчик, стрелки которого показывают текущий счет числа циклов переменного тока. [9]
Одна из шестеренок, вращающих стрелки часов, имеет вал со скользящим фрикционным соединением, поэтому стрелки часов можно вращать вручную с помощью ручки на задней или нижней стороне, чтобы установить время.
Синхронные моторные часы прочны, поскольку у них нет тонкого маятника или балансира. Однако временное отключение электроэнергии остановит часы, которые будут показывать неправильное время при восстановлении питания. Некоторые синхронные часы (например, Telechron ) имеют индикатор, который показывает, остановились ли они и перезапустились ли.
Некоторые электрические часы имеют простой двухполюсный синхронный двигатель, который работает со скоростью один оборот за цикл мощности, т. е. 3600 об/мин при 60 Гц и 3000 об/мин при 50 Гц. [10] Однако большинство электрических часов имеют роторы с большим количеством магнитных полюсов (зубцов), следовательно, вращающиеся с меньшей кратностью частоты линии. Это позволяет построить зубчатую передачу, которая вращает стрелки, с меньшим количеством шестеренок, экономя деньги. [11]
Точность синхронных часов зависит от того, насколько близко электростанции поддерживают частоту своего тока к номинальному значению 50 или 60 Гц. Хотя изменения нагрузки на электростанции вызывают колебания частоты, которые могут привести к ошибкам в несколько секунд в течение дня, электростанции периодически корректируют частоту своего тока, используя время атомных часов UTC , чтобы общее количество циклов в день давало среднюю частоту, которая точно соответствует номинальному значению, поэтому синхронные часы не накапливают ошибку. [12] Например, европейские электростанции контролируют частоту своей сети один раз в день, чтобы общее количество циклов за 24 часа было правильным. [13] [ не удалось проверить ] Электростанции США корректируют свою частоту, как только накопленная ошибка достигает 3–10 секунд. Эта коррекция известна как коррекция временной ошибки (TEC).
В 2011 году Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения (NERC), [14] отраслевая организация, работающая на основе консенсуса, обратилась в Федеральную комиссию по регулированию энергетики (FERC) [15] с просьбой ликвидировать TEC. Хотя это освободило бы энергетические компании от угрозы штрафов, а также обеспечило бы крайне скромное повышение стабильности частоты, было также отмечено, что синхронные часы, в том числе настенные часы, будильники и другие часы, вычисляющие время на основе своей электрической мощности, будут накапливать несколько минут ошибки между полугодовыми сбросами для перехода на летнее время . [16] Об этом последствии сообщили в американских новостных СМИ, [17] и инициатива была отклонена. Однако в конце 2016 года аналогичное предложение было снова подано NERC в FERC, которое было одобрено два месяца спустя. [12] Это зависит от удаления стандарта WEQ-006, и NERC также подала петицию в Североамериканский совет по энергетическим стандартам (NAESB), [18] неправительственную организацию, ориентированную на бизнес, об удалении этого стандарта. Если FERC примет петицию NAESB, TEC больше не будут использоваться в Соединенных Штатах и Канаде, и часы, хронометрируемые ими, скорее всего, будут бесконтрольно блуждать до тех пор, пока их не сбросят вручную, однако по состоянию на 2021 год WEQ-006 все еще действовал. [19] В техническом документе сотрудников Национального института стандартов и технологий и Военно-морской обсерватории США было отмечено , что, если бы TEC не были установлены в 2016 году, на большей части Соединенных Штатов и Канады было бы потеряно более семи минут из-за часов с электрическим хронометрированием, как показано на рисунке 8 их документа. [12]
Самые ранние синхронные часы 1930-х годов не были самозапускающимися и их приходилось запускать, вращая ручку стартера на задней стороне. [9] Недостатком конструкции этих часов со спин-стартом было то, что двигатель можно было запустить в любом направлении, поэтому, если ручка стартера была повернута неправильно, часы шли назад, стрелки вращались против часовой стрелки. Более поздние часы с ручным запуском имели храповики или другие рычажные механизмы, которые предотвращали обратный запуск. Изобретение двигателя с экранированными полюсами позволило изготавливать самозапускающиеся часы, но поскольку часы затем перезапускались после отключения питания, часы показывали неправильное время вместо того, чтобы останавливаться во время отключения питания.
