ساعة كهربائية

الساعة الكهربائية هي ساعة تعمل بالكهرباء ، على عكس الساعة الميكانيكية التي تعمل بثقل معلق أو نابض رئيسي . يُطلق هذا المصطلح غالبًا على الساعات الميكانيكية التي تعمل بالكهرباء والتي كانت تُستخدم قبل ظهور ساعات الكوارتز في ثمانينيات القرن العشرين. صُنعت أولى الساعات الكهربائية التجريبية حوالي عام ١٨٤٠، لكنها لم تُصنع على نطاق واسع إلا بعد توفر الكهرباء في تسعينيات القرن نفسه. في ثلاثينيات القرن العشرين، حلت الساعة الكهربائية المتزامنة محل الساعات الميكانيكية لتصبح أكثر أنواع الساعات استخدامًا.

يمكن أن تعمل الساعات الكهربائية بواسطة عدة أنواع مختلفة من الآليات:

الساعات الكهروميكانيكية

تعتمد هذه الساعات على آلية ميكانيكية تقليدية ، حيث يتم ضبط الوقت بواسطة بندول متأرجح أو عجلة توازن تعمل عبر سلسلة تروس بواسطة نابض رئيسي ، ولكنها تستخدم الكهرباء لإعادة لف النابض الرئيسي بواسطة محرك كهربائي أو مغناطيس كهربائي . وتوجد هذه الآلية في الغالب في الساعات العتيقة.

ساعات كهربائية قابلة لإعادة التدوير

تحتوي هذه الساعات على تروس تُدار بواسطة نابض صغير أو رافعة مثقلة، تُسمى " ريمونتوار" ، والتي كانت تُشحن بشكل متكرر بواسطة محرك كهربائي أو مغناطيس كهربائي. كانت هذه الآلية أكثر دقة من النابض الرئيسي، لأن الشحن المتكرر كان يُقلل من تباين معدل الساعة الناتج عن اختلاف قوة النابض أثناء انفكاكه. وقد استُخدمت هذه الآلية في ساعات البندول الدقيقة، وفي ساعات السيارات حتى سبعينيات القرن العشرين.

الساعات الكهرومغناطيسية

تعتمد هذه الساعات على البندول أو عجلة التوازن، لكن النبضات اللازمة لاستمرار عملها لا تُستمد من حركة ميكانيكية أو آلية ميزان ، بل من قوة مغناطيسية ناتجة عن مغناطيس كهربائي ( ملف لولبي ). هذه هي الآلية المستخدمة في أولى الساعات الكهربائية، وتوجد في ساعات البندول الكهربائية القديمة. كما توجد أيضًا في بعض ساعات الزينة الحديثة التي توضع على الرفوف والمكاتب.

الساعات المتزامنة

تعتمد هذه الساعات على تردد التيار الكهربائي المتردد (  50 أو 60 هرتز) كمصدر للتوقيت، وذلك بتشغيل تروس الساعة بواسطة محرك متزامن . وتقوم أساسًا بحساب دورات التيار الكهربائي. وبينما قد يختلف التردد الفعلي تبعًا لحمل الشبكة، يبقى إجمالي عدد الدورات خلال 24 ساعة ثابتًا بدقة، مما يُمكّن هذه الساعات من الحفاظ على دقة الوقت لفترات طويلة، باستثناء انقطاعات التيار الكهربائي ؛ فعلى مدى أشهر، تكون أكثر دقة من ساعة الكوارتز التقليدية. كان هذا النوع من الساعات الأكثر شيوعًا في ثلاثينيات القرن العشرين، ولكنه استُبدل الآن في الغالب بساعات الكوارتز.

ساعات الشوكة الرنانة

تضبط هذه الساعات الوقت عن طريق عدّ ذبذبات شوكة رنانة معايرة بتردد محدد. وكانت تُصنع في البداية ببطاريات فقط. وقد صُنعت ساعات تعمل بالبطاريات باستخدام نفس الأساليب المذكورة أعلاه، باستثناء آلية الحركة المتزامنة. وقد استُبدلت جميع الساعات التي تعمل بالبطاريات تقريبًا بآلية حركة الكوارتز الأقل تكلفة.

ساعات كوارتز

هذه ساعات كهربائية تحسب الوقت عن طريق عدّ ذبذبات بلورة كوارتز مهتزة . تستخدم هذه الساعات دوائر كهربائية حديثة تعمل بتيار مستمر منخفض الجهد، ويمكن تزويدها بالطاقة من بطارية أو من التيار الكهربائي الرئيسي. وهي أكثر أنواع الساعات شيوعًا اليوم. عادةً ما تحافظ ساعات الكوارتز، كما تُورّدها الشركات المصنّعة، على دقة في الوقت تصل إلى بضع ثوانٍ أسبوعيًا، وأحيانًا أكثر. ^{[ 1 ]} غالبًا ما تُصمّم حركات الكوارتز الرخيصة للحفاظ على دقة في حدود 30 ثانية شهريًا (ثانية واحدة يوميًا، 6 دقائق سنويًا). ^{[ 2 ]} يمكن تقليل نسبة الخطأ عن طريق المعايرة الفردية إذا أمكن ضبطها، وذلك رهناً باستقرار المذبذب، خاصةً مع تغير درجة الحرارة. ويمكن الحصول على دقة أعلى بتكلفة أعلى.

ساعات يتم التحكم فيها لاسلكياً

هذه ساعات كوارتز تتم مزامنتها دوريًا مع التوقيت الذري العالمي (UTC) عبر إشارات توقيت لاسلكية تبثها محطات مخصصة حول العالم. وهي تختلف عن ساعات الراديو .

في عام ١٨١٤، اخترع السير فرانسيس رونالدز من لندن أول ساعة كهربائية. ^{[ ٣ ]} كانت تعمل ببطاريات جافة ، وهي بطاريات عالية الجهد ذات عمر طويل للغاية، ولكن يعيبها تأثر خصائصها الكهربائية بالطقس. ^{[ ٤ ]} جرب رونالدز وسائل مختلفة لتنظيم الكهرباء، وأثبتت هذه النماذج موثوقيتها في مختلف الظروف الجوية. ^{[ ٥ ]}

في عام 1815، اخترع جوزيبي زامبوني من فيرونا ساعةً كهروستاتيكية أخرى تعمل ببطاريات جافة وكرة متذبذبة، وعرضها للجمهور. وعلى مدى سنوات عديدة، أنتج فريقه ساعات محسّنة، وُصفت لاحقًا بأنها "أكثر آليات الساعة أناقةً وبساطةً في آنٍ واحد، والتي أنتجتها الأعمدة الكهربائية حتى ذلك الحين". ^{[ 6 ]} كانت ساعة زامبوني مزودةً بإبرة عمودية مدعومة بمحور، وكانت موفرةً للطاقة لدرجة أنها استطاعت العمل ببطارية واحدة لأكثر من 50 عامًا.

في عام 1840، كان ألكسندر بين ، صانع الساعات والأدوات الاسكتلندي، أول من اخترع ساعة تعمل بالتيار الكهربائي وحصل على براءة اختراعها. ^{[ 7 ]} يعود تاريخ براءة اختراعه الأصلية للساعة الكهربائية إلى 10 أكتوبر 1840. وفي 11 يناير 1841، حصل ألكسندر بين، بالاشتراك مع جون باروايز، صانع الكرونومتر، على براءة اختراع مهمة أخرى تصف ساعة تستخدم بندولًا كهرومغناطيسيًا وتيارًا كهربائيًا للحفاظ على عملها بدلًا من النوابض أو الأثقال. وقد توسعت براءات الاختراع اللاحقة في تطوير أفكاره الأصلية.

كان العديد من الأشخاص عازمين على اختراع الساعة الكهربائية بتصميمات كهروميكانيكية وكهرومغناطيسية حوالي عام 1840، مثل ويتستون، وستاينهيل، وهيب، وبريجيه ، وغارنييه، في كل من أوروبا وأمريكا.

يُنسب إلى ماتيوس هيب ، صانع الساعات الألماني ، الفضل في ابتكار سلسلة إنتاج الساعات الكهربائية واسعة الانتشار. افتتح هيب ورشة عمل في رويتلينغن ، حيث طوّر ساعة كهربائية مزودة بآلية هيب-توغل، عُرضت في معرض ببرلين عام 1843. آلية هيب-توغل عبارة عن جهاز مُثبّت على بندول أو عجلة توازن، يسمح ميكانيكيًا كهربائيًا بدفع البندول أو العجلة بشكل متقطع عندما ينخفض ​​مدى تأرجحها عن مستوى معين، وهي فعّالة للغاية لدرجة أنها استُخدمت لاحقًا في الساعات الكهربائية لأكثر من مئة عام. كما اخترع هيب محركًا صغيرًا، وصنع الكرونوسكوب وكرونوغراف التسجيل لقياس الوقت.

كانت الساعات الكهربائية الأولى تتميز ببندول بارز لأن هذا الشكل والتصميم كانا مألوفين. أما الساعات الأصغر حجماً ذات الميزان الحلزوني، فتُصنع وفقاً للمبادئ نفسها التي تُصنع بها ساعات البندول.

في عام 1918، اخترع هنري إليس وارن أول ساعة كهربائية متزامنة في آشلاند، ماساتشوستس، والتي حافظت على دقة الوقت بعيدًا عن تذبذبات شبكة الطاقة. ^{[ 8 ] [ 9 ]} وفي عام 1931، كانت ساعة Synclock أول ساعة كهربائية متزامنة تجارية تُباع في المملكة المتحدة. ^{[ 9 ]}

الساعة التي تستخدم الكهرباء بشكل أو بآخر لتشغيل آلية الساعة التقليدية تُسمى ساعة كهروميكانيكية. أي ساعة تعمل بنابض أو ثقل وتستخدم الكهرباء (سواءً كانت تيارًا مترددًا أو مستمرًا) لإعادة لف النابض أو رفع ثقل الساعة الميكانيكية تُعتبر ساعة كهروميكانيكية. في الساعات الكهروميكانيكية، لا تُستخدم الكهرباء في ضبط الوقت، بل يتم ضبط الوقت بواسطة البندول. مع اقتراب نهاية القرن التاسع عشر، سهّل توفر البطاريات الجافة استخدام الطاقة الكهربائية في الساعات. أدى استخدام الكهرباء لاحقًا إلى ظهور العديد من التصاميم المختلفة للساعات والمحركات. صُنعت الساعات الكهروميكانيكية كساعات فردية، ولكنها كانت تُستخدم في الغالب كجزء لا يتجزأ من أنظمة التوقيت المتزامنة. أدت الخبرة في مجال التلغراف إلى ربط الساعات البعيدة (الساعات التابعة) عبر الأسلاك بساعة تحكم (الساعة الرئيسية). كان الهدف هو إنشاء نظام ساعات تُظهر فيه كل ساعة نفس الوقت تمامًا. الساعة الرئيسية والساعات التابعة هي ساعات كهروميكانيكية. تحتوي الساعة الرئيسية على آلية تعبئة ذاتية تقليدية يتم إعادة لفها كهربائيًا. آلية الساعة التابعة ليست آلية ساعة تقليدية، إذ تتكون فقط من عجلة مسننة وسلسلة زمنية. تعتمد الساعات التابعة على نبضات كهربائية من الساعة الرئيسية لتحريك عقارب الساعة ميكانيكيًا وحدة زمنية واحدة. تتكون أنظمة التوقيت المتزامن من ساعة رئيسية واحدة وأي عدد من الساعات التابعة. تُوصل الساعات التابعة بالساعة الرئيسية بواسطة أسلاك. توجد هذه الأنظمة في الأماكن التي تُستخدم فيها ساعات متعددة، مثل المؤسسات التعليمية والشركات والمصانع وشبكات النقل والبنوك والمكاتب والمرافق الحكومية. من الأمثلة البارزة على هذا النوع من الأنظمة ساعة Shortt-Synchronome ، وهي مثال على نظام إعادة تعبئة كهروميكانيكي يعمل بالجاذبية . كانت أنظمة الساعات ذاتية التعبئة هذه تعمل عادةً بجهد منخفض للتيار المستمر. تم تركيبها خلال خمسينيات القرن الماضي، وبحلول ذلك الوقت أصبحت أنظمة الساعات ذات المحركات المتزامنة هي الخيار الأمثل.

يتميز تصميم هذا الجهاز بالبساطة والموثوقية العالية نسبياً. ويقوم التيار الكهربائي بتشغيل إما بندول أو مذبذب كهروميكانيكي .

يحتوي مُذبذب الكهروميكانيكي على مغناطيس مُلحق يمرر تيارًا كهربائيًا عبر ملفين حثيين . عندما يمر المغناطيس عبر الملف الحثي الأول أو المستشعر، يُحفز المُضخم البسيط مرور التيار عبر الملف الحثي الثاني، الذي يعمل بدوره كمغناطيس كهربائي ، مُوفرًا نبضة طاقة للمذبذب المتحرك. هذا المذبذب مسؤول عن دقة الساعة. لن يُولد الجزء الإلكتروني نبضات كهربائية في حال غياب المذبذب أو عدم تحركه. يجب أن يكون تردد الرنين للمذبذب الميكانيكي عدة مرات في الثانية.

لا تحتوي الساعة الكهربائية المتزامنة على مذبذب لحفظ الوقت كالبندول أو عجلة التوازن، بل تعتمد على عدّ ذبذبات التيار المتردد من مقبس الحائط. تتكون من محرك متزامن صغير يعمل بالتيار المتردد ، يُحرّك عقارب الساعة عبر سلسلة تروس تخفيض السرعة . ^{[ 10 ]} يحتوي المحرك على مغناطيسات كهربائية تُولّد مجالًا مغناطيسيًا دوّارًا يُدير دوارًا حديديًا . تتم مزامنة سرعة دوران عمود المحرك مع تردد التيار الكهربائي ؛ 60 دورة في الثانية (هرتز) في أمريكا الشمالية وأجزاء من أمريكا الجنوبية، و50 دورة في الثانية في معظم البلدان الأخرى. تُعدّل سلسلة التروس هذا الدوران بحيث يدور عقرب الدقائق دورة واحدة في الساعة. لذا، يُمكن اعتبار الساعة المتزامنة عدادًا ميكانيكيًا أكثر منها جهازًا لحفظ الوقت، حيث تُظهر عقاربها عدّ دورات التيار المتردد. ^{[ 10 ]}

يحتوي أحد التروس التي تدير عقارب الساعة على عمود مزود بتركيب احتكاك منزلق، بحيث يمكن تدوير عقارب الساعة يدويًا بواسطة مقبض في الخلف أو في الأسفل، لضبط الساعة.

تتميز الساعات ذات المحرك المتزامن بمتانتها لعدم احتوائها على بندول أو عجلة توازن حساسة. مع ذلك، فإن انقطاع التيار الكهربائي المؤقت سيؤدي إلى توقف الساعة، ما يجعلها تُظهر وقتًا خاطئًا عند عودة التيار. تحتوي بعض الساعات المتزامنة (مثل ساعات تيليكرون ) على مؤشر يُظهر ما إذا كانت قد توقفت ثم عادت للعمل.

دقة

تعتمد دقة الساعات المتزامنة على مدى دقة شركات الكهرباء في ضبط تردد التيار الكهربائي وفقًا للقيمة الاسمية البالغة 50 أو 60 هرتز. ورغم أن تغيرات أحمال الشبكة الكهربائية تُسبب تقلبات في التردد قد تؤدي إلى أخطاء لبضع ثوانٍ خلال اليوم، إلا أن هذه الشركات تُعدّل تردد التيار دوريًا باستخدام التوقيت الذري العالمي (UTC) بحيث يكون متوسط ​​عدد الدورات اليومية مساويًا للقيمة الاسمية تمامًا، وبالتالي لا تتراكم الأخطاء في الساعات المتزامنة. ^{[ 13 ]} فعلى سبيل المثال، تتحكم شركات الكهرباء الأوروبية في تردد شبكتها مرة واحدة يوميًا لضمان دقة عدد الدورات خلال 24 ساعة. ^{[ 14 ]} أما شركات الكهرباء الأمريكية، فتُصحح ترددها بمجرد أن يصل الخطأ التراكمي إلى 3-10 ثوانٍ. ويُعرف هذا التصحيح باسم تصحيح الخطأ الزمني (TEC).

في عام 2011، قدمت مؤسسة موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية (NERC)، ^{[ 15 ]} وهي منظمة صناعية قائمة على التوافق، التماسًا إلى لجنة تنظيم الطاقة الفيدرالية (FERC) ^{[ 16 ]} لإلغاء نظام TEC. ورغم أن هذا الإجراء كان سيُجنّب شركات الطاقة خطر الغرامات، ويُحسّن استقرار التردد بشكل طفيف للغاية، فقد لوحظ أيضًا أن الساعات المتزامنة، بما في ذلك ساعات الحائط وساعات المنبه وغيرها من الساعات التي تحسب الوقت بناءً على طاقتها الكهربائية، ستتراكم فيها عدة دقائق من الخطأ بين عمليات إعادة الضبط نصف السنوية للتوقيت الصيفي . ^{[ 17 ]} وقد نُشرت هذه النتيجة في وسائل الإعلام الأمريكية، ^{[ 18 ]} فتمّ التخلي عن المبادرة. إلا أنه في أواخر عام 2016، قدّمت NERC اقتراحًا مماثلًا إلى FERC، وتمت الموافقة عليه بعد شهرين. ^{[ 13 ]} يعتمد ذلك على إزالة معيار WEQ-006، وقد قدمت هيئة تنظيم الطاقة الكهربائية في أمريكا الشمالية (NERC) التماسًا إلى مجلس معايير الطاقة في أمريكا الشمالية (NAESB)، ^{[ 19 ]} وهي منظمة غير حكومية ذات توجه تجاري، لإزالة هذا المعيار. إذا تبنت لجنة تنظيم الطاقة الفيدرالية (FERC) التماس NAESB، فلن تُستخدم وحدات التحكم في التوقيت (TECs) في الولايات المتحدة وكندا، ومن المرجح أن تتذبذب الساعات التي تعمل بها دون تحكم حتى تتم إعادة ضبطها يدويًا، ومع ذلك، اعتبارًا من عام 2021، كان معيار WEQ-006 لا يزال ساريًا. ^{[ 20 ]} وقد لوحظ في ورقة فنية أعدها موظفون من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ومرصد البحرية الأمريكية أنه لو لم يتم إدخال وحدات التحكم في التوقيت (TECs) في عام 2016، لكانت الساعات التي تعمل بالتوقيت الكهربائي قد فقدت أكثر من سبع دقائق في معظم أنحاء الولايات المتحدة وكندا، كما هو موضح في الشكل 8 من ورقتهم. ^{[ 13 ]}

• الساعة الرئيسية
• ساعة شورت-سينكرونوم
• مراجعات

• فيراديز، ميشيل. تاريخ الساعات الكهربائية
• كاتز، يوجيني. سيرة الكسندر باين
• المحرك الكهربائي الدائم لجوزيبي زامبوني
• تشيركين، ك. الساعات الكهروميكانيكية. راديو، 7 (1968): ص  43.